Brevet FR2936221A1 — publié le 20100326

SYSTEME ET PROCEDE DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE A BORD D'UN AERONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système et un 5 procédé de distribution électrique à bord d'un aéronef, par exemple d'un avion. Dans la suite, pour simplifier la description, on considère à titre d'exemple le cas de l'avion. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE En termes de stockage et de distribution de puissance, un avion doit faire face à différents problèmes techniques. Un des problèmes techniques parmi 15 les plus significatifs est lié au fait que la gestion de l'énergie électrique à bord est fortement contrainte par la gestion des transitoires sur le réseau électrique lors des reconfigurations, par exemple sur les calculateurs. 20 L'objet de l'invention est d'apporter une solution efficace et performante à un tel problème. Dans le domaine des transports avec des véhicules électriques, comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description, il est connu 25 d'utiliser des supercapacités (aussi appelées � ultracapacités �) permettant d'emmagasiner une énergie importante et de la restituer en un temps très court. Les supercapacités, en effet, sont des capacités 2 possédant d'importantes performances de stockage allant jusqu'à plusieurs kilofarads avec une tension de quelques volts par élément. Comme illustré sur la figure 1, elles comportent deux électrodes positive 10 et négative 11 et un électrolyte 12. Elles stockent l'énergie électrique de manière électrostatique via deux électrodes et un électrolyte. Sur cette figure sont illustrés les ions+ 13 et les ions- 14. Les supercapacités présentent de nombreux avantages, dont les plus significatifs sont : - une très grande capacité de stockage de puissance notamment du fait de la très faible valeur de la Résistance Série Equivalente (ESR ou � Electrical Serial Resistance �) pouvant aller jusqu'à moins d'un milliohm : les supercapacités permettent aussi de stocker plusieurs dizaines de kilowatt par kilogramme de supercapacité, une possibilité de répondre à d'importants pics en demande de puissance, - un taux de charge/décharge beaucoup plus important que celui des batteries par exemple : ceci est essentiellement dû à l'absence de réaction chimique et donc à la grande réversibilité des mécanismes de stockage d'énergie électrique, une très faible dégradation des performances même après plusieurs centaines de milliers de cycles, une énergie disponible très rapidement via un procédé réversible ; contrairement aux batteries 30 qui s'endommagent si les vitesses de charge sont trop importantes, 25 3 une large gamme de température de fonctionnement autorisée (de l'ordre de -40°C à +70°C voire +85°C), une non sensibilité aux vibrations, une herméticité de l'enveloppe, des densités de stockage de la puissance par unité de masse des supercapacités qui augmentent très rapidement avec les progrès actuels issus notamment des nanotechnologies, qui permettent d'augmenter considérablement les surfaces de stockage des charges électriques (i.e. plusieurs centaines de m2/g) et de diminuer les distances entre les charges électriques (i.e. densités de stockage multipliées par 3 en 8 ans ; entre 1998 et 2006, ...) . L'objet de l'invention est donc de mettre en oeuvre de telles supercapacités dans un domaine qui leur était à présent étranger à savoir celui de la distribution électrique à bord d'un aéronef, pour résoudre le problème technique mis en évidence ci- dessus, en permettant ainsi la gestion de l'énergie électrique à bord d'un aéronef notamment la gestion des transitoires sur le réseau électrique lors des reconfigurations, par exemple des calculateurs de bord. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de distribution électrique à bord d'un aéronef, par exemple d'un avion, comportant : au moins une charge (ou utilisateur) susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques ; 4 - des moyens de commutation permettant de commuter l'alimentation de ladite charge sur l'une des sources électriques ; caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de supercapacités associées à ladite au moins une charge de façon à maintenir l'alimentation électrique de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée, de préférence 5 secondes, lors de la mise en oeuvre des moyens de commutation. Un tel système présente l'avantage de permettre une commutation entre les sources de façon transparente pour l'utilisateur. Dans différents modes de réalisation : - des ensembles de supercapacités sont 15 respectivement installés juste en amont de certaines charges, - des ensembles de supercapacités sont respectivement utilisés en complément de batteries, - des ensembles de supercapacités sont 20 respectivement utilisés en sortie de condensateurs de puissance. L'invention concerne également un procédé de distribution électrique à bord d'un aéronef dans un système comportant au moins une charge susceptible 25 d'être alimentée par au moins deux sources électriques, caractérisé en ce que lors de la commutation de l'alimentation de ladite charge sur l'une des sources électriques, on maintient l'alimentation électrique, de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée 30 prédéterminée en utilisant au moins un ensemble de supercapacités associées à ladite au moins une charge. Le système et le procédé de l'invention permettent ainsi de gérer efficacement les transitoires de courant électrique. Les avantages induits du système et du 5 procédé de l'invention sont les suivants : simplification de la gestion des transitoires sur le réseau électrique, - simplification du matériel (� hardware � et du logiciel (� software �) associés, - amélioration de la robustesse et de la tolérance à la panne. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - la figure 1 illustre la représentation schématique d'une supercapacité, - la figure 2 illustre le système de distribution électrique de l'invention, - les figures 3 à 6 illustrent différents modes de réalisation du système de distribution électrique de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système de distribution électrique de l'invention, comme illustré sur la figure 2, comprend : - au moins une charge (ou utilisateur) 20 susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques 21 et 22, - des moyens de commutation 23 permettant de commuter l'alimentation de ladite charge 20 sur l'une des sources électriques, 6 - au moins un ensemble de supercapacités 24, 25 associé à ladite au moins une charge de façon à maintenir l'alimentation de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée, par exemple de 5 secondes, lors de la mise en oeuvre des moyens de commutation permettant la commutation d'une source électrique. Ces ensembles de supercapacités peuvent être installés juste en amont de certaines charges (e.g. actionneurs, moteurs, ventilateurs, équipements, ...), utilisés en complément de batteries, ou en sortie de convertisseurs de puissance. Pour obtenir les niveaux de tensions et de puissances requis, ces supercapacités peuvent être associées respectivement en montages série et/ou parallèle. Les ensembles de supercapacités peuvent être installés sur le réseau électrique via une architecture soit centralisée soit décentralisée en fonction des contraintes de masse, de volume disponible, de propagation de panne, de ségrégation des systèmes pour respecter les exigences de sécurité. Elles peuvent être utilisées de manière mutualisée, c'est-à-dire commune à plusieurs utilisateurs (ou charges). Un mode de réalisation avantageux du système de l'invention est illustré sur la figure 3. Les moyens de commutation sont à présent réalisés par un interface de distribution de la puissance électrique 30 associé à deux diodes Dl et D2 et à deux interrupteurs 31 et 32 pour relier la charge 20 à l'une des sources 21 ou 22. 7 La figure 4 illustre un autre mode de réalisation avantageux du système de l'invention, dans lequel les supercapacités sont regroupées en deux banques 41 et 42 avec une charge 45 alimentée en courant alternatif. Sur cette figure sont ainsi illustrés : une première batterie 35 (voie 1), une seconde batterie 36 (voie 2), un premier convertisseur continu-continu (DC/DC) 37 (voie 1) relié à la première batterie 35 et piloté par un premier processeur de signal numérique (exemple DSP) 38, - un second convertisseur continu-continu 39 (voie 2) relié à la seconde batterie 36 et piloté par un second processeur de signal numérique 40, - une première banque de supercapacités 41 (voie 1) disposée entre une première et une seconde sorties du premier convertisseur 37, - une seconde banque de supercapacités 42 (voie 2) disposée entre une première et une seconde sorties du second convertisseur 39, la seconde sortie du premier convertisseur 37 étant reliée à la première sortie du second convertisseur 39, - un onduleur 43 recevant la première sortie du premier convertisseur 37 et la seconde sortie du second convertisseur 39, piloté par un troisième processeur de signal numérique 44, et délivrant un courant alternatif à la charge 45. La figure 5 illustre un autre mode de réalisation avantageux du système de l'invention 8 permettant d'alimenter un calculateur 55. Sur cette figure sont illustrés : - une alimentation électrique 50, - un ensemble de supercapacités 51, reliés tous deux à : - une entrée d'une carte de puissance 52 comprenant . • un contrôleur de commutation de puissance 53, • un régulateur de tension continu-continu 54, et alimentant : une carte de traitement 55 comprenant notamment . • une unité centrale (CPU) 56, • des mémoires 57, • des interfaces 58. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est analogue à celui du mode de réalisation de la figure 4. La figure 6 illustre un autre mode de réalisation avantageux du système de l'invention permettant de remplacer respectivement les batteries d'un réseau électrique à bord d'un avion par des ensembles de supercapacités 71 et 91. Sur cette figure sont illustrés : d'une part . - un premier générateur alternatif 60, - un premier dispositif de mise en route 61, comprenant un premier contrôleur 62 et un premier commutateur 63, 9 - un premier bus alternatif 64 relié d'une part à des utilisateurs AC 11 à AC 1n via des interrupteurs 65 et d'autre part à : un premier générateur continu 66 au travers d'un interrupteur 67, - un second commutateur 68, - un premier bus continu 69 relié d'une part à des utilisateurs 1 à n au travers d'interrupteurs 70, et d'autre part à : - un premier ensemble de supercapacités 71 au travers d'une première diode 72, un premier chargeur 73 optionnel relié à un interrupteur 74 disposé entre le point commun à la diode 72 et à l'ensemble de supercapacités 71 et le point commun au générateur 66 et au commutateur 68, d'autre part : - un second générateur alternatif 80, - un second dispositif de mise en route 81 comprenant un second contrôleur 82 et un troisième commutateur 83, - un second bus alternatif 84 relié d'une part à des utilisateurs AC 11 à AC 1n via des interrupteurs 85, et d'autre part à : un second générateur continu 86 au travers d'un interrupteur 87, - un quatrième commutateur 88, - un second bus continu 89 relié d'une part à des utilisateurs 1 à n au travers d'interrupteurs 90, et d'autre part à : 10 - un second ensemble de supercapacités 91 au travers d'une seconde diode 92, un second chargeur 93 optionnel relié à un interrupteur 94 disposé entre le point commun à la diode 92 et à l'ensemble de supercapacités 91 et le point commun au générateur 86 et au commutateur 88, et enfin . un premier interrupteur de transfert 95 disposé entre les deux bus alternatifs 64 et 84, un second interrupteur de transfert 96 disposé entre les deux bus continus 69 et 89. Lors d'un transfert entre les deux sources d'alimentation 60 et 80 (au sol ou en vol), le réseau électrique est soumis à un transitoire de tension nécessitant des redémarrages d'équipements (� reset �, La solution standard pour résoudre un tel problème consiste à alimenter les équipements, pendant le temps de reconfiguration ou de transfert d'alimentation, par des batteries dédiées essentiellement à la prise en compte de ce transitoire. Mais l'utilisation de telles batteries nécessite un contrôle précis de leur charge et présente de fortes contraintes de maintenance (reconditionnement, ...). La même fonction réalisée dans ce mode de réalisation du système de l'invention par les ensembles de supercapacités 71 et 91 permet d'alléger fortement ce contrôle de la charge et d'augmenter les intervalles de maintenance par une fiabilité accrue (gain de coûts). Références [1] FR 2 780 684 REVENDICATIONS1. Système de distribution électrique à bord d'un aéronef comportant : au moins une charge (20) susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques (21, 22) ; - des moyens de commutation (23) permettant de commuter l'alimentation de ladite charge (20) sur l'une des sources électriques, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de supercapacités (24, 25) associées à ladite au moins une charge (20) de façon à maintenir l'alimentation électrique de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée, lors de la mise en oeuvre des moyens de commutation. 2. Système selon la revendication 1, dans laquelle cette durée déterminée est égale à 5 secondes. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel des ensembles de supercapacités sont respectivement installés juste en amont de certaines charges. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel des ensembles de supercapacités sont respectivement utilisés en complément de batteries. 30 5. Système selon la revendication 1, dans lequel des ensembles de supercapacités sont 25 13 respectivement utilisés en sortie de convertisseurs de puissance. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'aéronef est un avion. 7. Procédé de distribution électrique à bord d'un aéronef dans un système comportant au moins une charge (20) susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques (21, 22) ; caractérisé en ce que, lors de la commutation (23) de l'alimentation de ladite charge (20) sur l'une des sources électriques, on maintient l'alimentation électrique de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée en utilisant au moins un ensemble de supercapacités associées à ladite au moins une charge. 8. Aéronef mettant en oeuvre un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.