Brevet FR3000029A1 — publié le 20140627

DISPOSITIFS DE RAVITAILLEMENT EN VOL POUR SYSTEME DE STOCKAGE ELECTRIQUE ET AERONEFS EQUIPES D'UN TEL DISPOSITIF Arrière plan de l'invention: Domaine de l'invention: La présente invention concerne un dispositif de ravitaillement en vol d'un aéronef à propulsion électrique qui comporte un système de stockage électrique embarqué, un aéronef équipé d'un tel dispositif et un procédé de recharge de batteries d'un aéronef à propulsion électrique. Le dispositif prévoit des aéronefs chargeurs, des aéronefs susceptibles d'être rechargés et des moyens de raccordement appropriés. Arrière plan technologique: Depuis le lancement des batteries à base de Lithium sur le marché, on voit émerger de plus en plus de démonstrateurs d'avions ou d'hélicoptères fonctionnant à l'énergie électrique stockée sous forme électrochimique dans des batteries. On voit clairement que la puissance des moteurs électriques mis en jeu est 15 très importante ce qui nécessite donc un apport très conséquent en énergie électrique embarquée. Le problème est qu'à court voire à moyen terme, les technologies de batteries ne permettront pas aux aéronefs électriques d'atteindre des autonomies similaires à leurs homologues utilisant de l'essence ou du kérosène. 20 Pour accroître le rayon d'action de tels aéronefs, la société américaine Flight of the Century propose de réaliser un aéronef de type vaisseau mère à propulsion électrique volant continûment et capable de recevoir des dispositifs volants sous forme de drones supports de batteries qui viennent compléter le vaisseau mère et l'alimenter. Une fois déchargé, le drone se sépare du vaisseau mère et plane vers une station de recharge alors qu'un autre drone vient le remplacer pour la suite du vol. Une autre solution envisagée par cette société est de proposer des aéronefs pourvus de packs de batteries en plusieurs parties séparables et 5 largables ce qui accroît le rayon d'action de l'appareil porteur en réduisant progressivement son poids. D'autres études portent sur des technologies de transfert d'énergie à distance par lasers ou micro-ondes. Les ravitaillements en vol sont connus dans le domaine des aéronefs à 10 propulsion thermique: un avion va servir de ravitailleur et un second va venir se servir. Le ravitailleur est généralement un avion à fortes capacités pour avoir le maximum de fuel disponible pour les avions qui le rejoindront. Il traîne derrière lui un dispositif de ravitaillement en vol qui peut prendre deux formes différentes : soit une perche rigide qui sera pilotée depuis l'aéronef chargeur, soit un panier à 15 l'extrémité d'un tuyau souple dans lequel l'avion à ravitailler viendra se ravitailler par l'intermédiaire d'une perche de ravitaillement. Ce dernier est le système retenu par l'armée de l'air française. Brève description de l'invention: La présente invention envisage, pour un type de mission déterminée, 20 d'augmenter l'autonomie d'un appareil à propulsion électrique via un processus de recharge en vol. Cette opération pourrait être réitérée, sur un même vol, à plusieurs reprises. La présente invention permet notamment d'allonger la durées de missions de l'aéronef sans augmenter la masse des batteries embarquées et sans réaliser 25 une structure complexe de largage ou d'amarrage d'un véhicule complémentaire. Pour ce faire, la présente invention propose un système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique caractérisé en ce qu'il comporte un aéronef chargeur, des moyens de connexion électrique temporaire de l'aéronef chargeur vers l'aéronef à propulsion électrique et un 30 dispositif de régulation de charge dans l'aéronef à propulsion électrique. Avantageusement, l'aéronef chargeur et les moyens de connexion temporaire sont adaptés à fournir et transporter un courant d'alimentation du ou des moteurs de l'aéronef à propulsion électrique en sus du courant de recharge des batteries. Les batteries embarquées comprennent préférablement des batteries à charge rapide objet de la recharge par le système de recharge. Les moyens de connexion temporaire sont préférablement conçus pour résister aux turbulences tout en étant adapté à se déconnecter de manière sûre en cas d'urgence et en fin de ravitaillement. Les moyens de connexion temporaire comportent avantageusement deux prises complémentaires, l'une portée par un câble souple ou une perche issue de l'aéronef chargeur, l'autre portée par un dispositif de jonction de l'aéronef à propulsion électrique, et comportent un dispositif électromagnétique de raccordement des deux prises complémentaires. Le dispositif de régulation de charge comporte avantageusement un circuit d'équilibrage des charges sur des packs et des cellules des batteries embarquées. Selon un premier mode de réalisation, l'aéronef chargeur est équipé d'un système de production d'énergie électrique adapté à la recharge des batteries de propulsion de l'aéronef à propulsion électrique. Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de régulation de charge est un dispositif de pilotage des batteries qui surveille, pendant la charge, le courant, la tension et les températures des cellules de batterie, est adapté à décider de se déconnecter du chargeur ou alerter le pilote qu'il faut le faire en cas de surtension, de surcharge des cellules ou de température trop élevée, est adapté à communiquer avec le chargeur de l'avion ravitailleur afin de piloter lui-même le courant de charge des batteries. Le système de production d'énergie électrique peut comprendre un moteur thermique couplé à un générateur et/ou une pile à combustible. Selon un mode de réalisation alternatif ou complémentaire, le système de production d'énergie électrique comprend des batteries ou un système hybride avec plusieurs sources. Selon un mode de réalisation particulier, l'aéronef chargeur est un drone. L'aéronef à propulsion électrique peut comporter en outre un système embarqué de génération d'énergie électrique à partir de kérosène ou d'hydrogène en tant que système de sécurité par exemple. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'aéronef chargeur, les moyens de connexion électrique temporaire de l'aéronef chargeur vers l'aéronef à propulsion électrique et le dispositif de régulation de charge dans l'aéronef à propulsion électrique sont adaptés à recharger l'ensemble des packs des batteries embarqués en une fois. Selon un mode de réalisation alternatif ou complémentaire, l'aéronef chargeur est lui même à propulsion électrique. L'invention concerne en outre un procédé de recharge de batteries d'un aéronef à propulsion électrique au moyen d'un système selon l'une quelconque 10 des revendications précédentes pour lequel: - l'aéronef à propulsion électrique ou son pilote détecte un faible état de charge de ses batteries et contacte l'aéronef chargeur le plus proche; - l'aéronef à propulsion électrique ou son pilote s'assure de la parfaite connaissance des terrains de déroutement dans la zone de ravitaillement et le 15 calcul du temps de vol pour les atteindre, il s'assure également de l'autonomie restante au moment du ravitaillement; - l'aéronef à propulsion électrique se rapproche de l'aéronef chargeur qui lui libère un câble électrique équipé de moyens de connexion électriques temporaires compatible avec des moyens de l'aéronef à propulsion électrique; 20 - une connexion électrique est établie entre l'aéronef à propulsion électrique et l'aéronef chargeur; - l'aéronef à propulsion électrique active le processus de recharge de ses batteries embarquées; - à la fin de la recharge des batteries, l'aéronef à propulsion électrique 25 commande la déconnexion et la libération des moyens de connexion électriques. Brève description des dessins: D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins qui représentent: 30 en figure 1: une vue schématique d'une étape de recharge de batteries d"un aéronef à propulsion électrique par un aéronef chargeur; en figure 2: une vue en coupe d'un premier exemple de réalisation de moyens de connexion temporaire dans le cadre de l'invention; en figure 3: une vue en perspective des moyens de la figure 2; en figure 4: une vue de face d'un second exemple de moyens de connexion temporaires. Description détaillée de modes de réalisation de l'invention: La présente invention propose un système de recharge de batteries embarquées 6 dans un aéronef 10 à propulsion électrique rechargeable en vol. Le système schématisée en figure 1 comporte un aéronef chargeur 1, des moyens 2, 3a, 3b, 4 de connexion électrique temporaire de l'aéronef chargeur vers l'aéronef à propulsion électrique rechargeable en vol et un dispositif de régulation 10 de charge 5 dans l'aéronef à propulsion électrique. Les moyens de connexion électrique temporaire comportent selon l'exemple un câble électrique souple 2 tramé par l'aéronef chargeur, ici un avion à réaction, un premier élément de connecteur 3a au bout du câble, un second élément de connecteur 3b disposé au bout d'une perche 4 de l'aéronef 10 dont les 15 batteries sont à recharger. Le câble électrique peut être un câble souple se plaçant dans le lit du vent de l'aéronef chargeur et peut comme dans l'art antérieur du ravitaillement en kérosène comporter un panier pour le stabiliser et pour former un cône de guidage pour le second élément de connecteur 3b disposé au bout de la perche 4 de 20 l'aéronef à propulsion électrique 10 dont les batteries sont à recharger. Le câble électrique peut aussi être remplacé par une perche pilotée par un opérateur dans l'aéronef chargeur. Les moyens de connexion temporaire comportent deux prises complémentaires 3a, 3b plus particulièrement détaillées aux figures 2 et 3. 25 Comme représenté en figure 2, les moyens de connexion électrique temporaire sont conçus pour résister aux turbulences tout en étant adaptés à se déconnecter de manière sûre en cas d'urgence et en fin de ravitaillement. Pour cela, les prises complémentaires 3a, 3b comportent ici un dispositif électromagnétique de raccordement des deux prises comprenant des 30 électroaimants 35 reliés à un dispositif de commande dans les aéronefs par des fils 351. Selon l'exemple, les prises complémentaires comportent des profils d'accouplement coniques 36, 37 auto-centrant et des contacts 31a, 31b, 31c annulaires coaxiaux à connexion en bout. Côté aéronef chargeurs les contacts sont reliés par des conducteurs 5 électriques 311a, 311b, 311c au dispositif de charge. Côté aéronef à recharger, les contacts sont reliés par des conducteurs 312a, 312b, 312c au dispositif d'équilibrage de charge 5 et éventuellement au circuit d'alimentation du ou des moteurs de l'aéronef. Ici les contacts 31a peuvent être les contacts de masse commune au 10 rechargement des batteries et à l'alimentation du ou des moteurs, les contacts 31b les contacts de charge des batteries et les contacts 31c les contacts d'alimentation des moteurs électriques de l'aéronef pendant la charge. Il est aussi possible de considérer quatre contacts deux pour la recharge des batteries et deux pour l'alimentation des moteurs le temps de la recharge. 15 La connexion doit être robuste vis-à-vis des turbulences, assurer une sécurité au verrouillage et au déverrouillage après ravitaillement et permettre un désaccouplement rapide en cas d'urgence pendant la recharge. Ceci est ici permis par les moyens d'accouplement électromagnétiques. Le montage de l'un des supports de contacts sur une platine suspendue par 20 des ressorts 38 assure ici l'appui mutuel des contacts. La prise de recharge électrique 3b de l'aéronef à propulsion électrique est disposée ici sur un bras 4 mais pourrait être disposée au niveau du nez de l'aéronef. La figure 3 représente les prises, 3a côté câble et 3b côté aéronef à 25 propulsion électrique avec les parties d'accouplement coniques 36, 37 en regard. Pour recharger l'ensemble des packs de batteries embarqués à la fois, le circuit 5 d'équilibrage de charge sur les packs et les cellules de batteries est un circuit embarqué dans l'aéronef à propulsion électrique. La figure 4 propose une prise 100 alternative adaptée au ravitaillement, 30 cette prise comportant de manière concentrique de la périphérie vers le centre un dispositif annulaire magnétique 101, un contact annulaire positif 102 (une tension de 250V est envisageable), un substrat isolant 103 annulaire, une piste annulaire de masse 104, un substrat isolant annulaire 105 et un contact central de transfert de données entre le ravitailleur et le système de gestion de la charge des batteries. L'aéronef chargeur et les moyens de connexion temporaire sont adaptés à fournir et transporter un courant d'alimentation du ou des moteurs 7 de l'aéronef à propulsion électrique en sus du courant de recharge des batteries embarquées 6 de l'aéronef à propulsion électrique. Comme vu plus haut ceci peut être fait avec un ou plusieurs contacts supplémentaires. Le dispositif de régulation de charge 5 comporte un circuit d'équilibrage des charges sur des packs et des cellules 61 des batteries embarquées. Ceci permet 10 de simplifier le câblage des liaisons provisoires bien que cela augmente le poids embarqué dans l'aéronef à propulsion électrique rechargeable. Le dispositif de régulation de charge est par exemple de type BMS ("Battery Management System" en Anglais) qui est un dispositif de pilotage des batteries qui permet d'envisager plus de fonctionnalités dans le dispositif de régulation de 15 charge des batteries. Typiquement le BMS est un dispositif dit intelligent qui surveille, pendant la charge, le courant, la tension et les températures des cellules de batterie. Le BMS peut décider de se déconnecter du chargeur ou alerter le pilote qu'il faut le faire en cas de surtension, de surcharge des cellules ou de 20 température trop élevée. Le BMS permet également de communiquer avec le chargeur de l'avion ravitailleur afin de piloter lui-même le courant de charge des batteries. Ceci peut être fait au moyen d'un bus informatique (bus CAN par exemple) ou en commande analogique. Il intègre finalement les moyens d'équilibrage actif ou passif entre les 25 cellules composant le pack batterie. Idéalement, l'aéronef chargeur 1, les moyens de connexion électrique temporaire 2, 3a, 3b, 4 de l'aéronef chargeur vers l'aéronef à propulsion électrique et le dispositif de régulation de charge 5 dans l'aéronef à propulsion électrique sont adaptés à recharger l'ensemble des packs des batteries embarqués en une 30 fois. Pour recharger les batteries de son appareil, durant le vol de l'aéronef à propulsion électrique, le pilote décide de se connecter à un aéronef chargeur ce qui lui permet de recharger ses batteries rapidement. En fonction des batteries actuelles une estimation pour un aéronef ayant des moteurs de 2 x 10 kW, une recharge des batteries de 2 x 30 kW (250V x 120 A) et un taux de charge de 3C la durée de recharge est estimée de l'ordre de 15 mn pour une recharge à 80%. Comme vu plus haut, l'aéronef chargeur peut également alimenter les moteurs de l'aéronef à propulsion électrique pendant la phase de recharge. Cette alimentation peut notamment être faite au travers de câbles et de contacts dédiés 31b afin de passer le courant et délivrer la tension nécessaires. L'aéronef chargeur peut être un avion équipé d'un système de production 10 d'énergie électrique 100 qui peut être un moteur thermique couplé à un générateur, une pile à combustible, des batteries ou un système hybride avec plusieurs sources. Ce peut aussi être un drone équipé du même type de système de production d'énergie. Le drone permettrait d'avoir plus d'espace et de masse 15 disponible pour la production de puissance électrique. L'aéronef chargeur peut être lui même un aéronef à propulsion électrique. Comme dans le cas du ravitaillement kérosène classique, la zone de ravitaillement doit être déterminée et connue par avance et, par conséquent, la sécurité en cas d'échec de la recharge quelle que soit la raison, est prise en 20 compte par au moins 3 facteurs : - L'autonomie restante au moment de la recharge; - L'altitude de recharge; - La parfaite connaissance des terrains de déroutement dans la zone de recharge et le calcul du temps de vol pour les atteindre. 25 Le système de l'invention nécessite deux pilotes formés à cet exercice ou des automatismes de pilotage adaptés à cette tâche. Par ailleurs, le système de l'invention se conçoit dans le cadre de batteries à recharge rapide qui ont toutefois une densité d'énergie plus faible que des batteries à recharge lente ce qui fait que le bilan de masse de l'avion peut en être 30 affecté. Les batteries à charge rapide peuvent assurer les phases à forte demande de puissance telles que le décollage et la montée. Une fois rechargées, ces batteries permettent la poursuite du vol après recharge. Il est toutefois possible de combiner des batteries à haute densité d'énergie, mais dans ce cas à recharge lente, pour les phases de décollage et de début de vol fortes consommatrices et des batteries à recharge rapide pour la suite du vol. Les étapes de recharge seront alors faites sur les batteries à recharge rapide qui doivent fournir moins d'énergie que les batteries assurant le décollage. L'invention permet une optimisation du choix des batteries en fonction des missions à réaliser. La mise en oeuvre de l'invention se décompose en plusieurs étapes : - L'avion à recharger 10 détecte un faible état de charge de ses batteries et contacte l'aéronef chargeur 1 le plus proche, - L'avion à recharger 10 s'assure de La parfaite connaissance des terrains de déroutement dans la zone de ravitaillement et le calcul du temps de vol pour les atteindre. Il s'assure également de l'autonomie restante au moment du 15 ravitaillement, - L'avion à recharger 10 se rapproche de l'aéronef chargeur 1 qui lui libère un câble électrique 2 équipé et compatible avec la connexion électrique à verrouillage électromagnétique 3b de l'avion à recharger 10, - L'avion à recharger 10 active le processus de recharge des batteries 20 embarquées 6, - A la fin de la recharge des batteries 6, l'avion 10 rechargé ralentit légèrement. La tension mécanique résultante s'appliquant sur le câble 2 permet alors la rupture de la connexion électrique 3a, 3b en développant un effort supérieur à l'attraction des électro-aimants entre les prises 3a et 3b. 25 L'aéronef à propulsion électrique de l'invention peut en outre comprendre un système embarqué qui permet de générer de l'énergie électrique à partir de kérosène, par exemple un turbogénérateur ou un petit moteur thermique couplé à un générateur qui permet de générer de l'énergie électrique à partir d'hydrogène par exemple une pile à combustible. Ce système permet d'améliorer l'autonomie 30 de l'aéronef ou d'apporter une sécurité en cas de décharge complète des batteries mais il rajoute de la masse embarquée et de la complexité au système de propulsion. A ce jour les capacités de batteries sont de l'ordre de 200 Wh/kg un taux de recharge de 2 à 4C mais on peut considérer de pouvoir concevoir un avion régional avec des batteries de 1000 Wh/kg et un taux de recharge de 10C ce qui donnerait pour une puissance moteur de 2 MW et une capacité batterie de 1,6 MWh, une durée de vol d'une heure avec une réserve de 10% et des temps de recharge de 6 à 7 mn. Il peut en outre être envisagé d'utiliser des câbles et moteurs fonctionnant à température supraconductrice. L'invention est applicable à tous les types d'aéronefs à propulsion électrique avions, hélicoptères, drones. Cette invention permet notamment de proposer des drones de dimensions raisonnables, capables d'assurer des missions moyenne, voire longue distance gérés dans ce cas par un système automatique embarqué en liaison avec un aéronef chargeur qui pourrait être lui-même automatique. REVENDICATIONS1 - Système de recharge de batteries embarquées (6) dans un aéronef à propulsion électrique (10) caractérisé en ce qu'il comporte un aéronef chargeur (1), des moyens (2, 3a, 3b, 4) de connexion électrique temporaire de l'aéronef chargeur vers l'aéronef à propulsion électrique et un dispositif de régulation de charge (5) dans l'aéronef à propulsion électrique. 2 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 1 pour lequel l'aéronef chargeur et les moyens de connexion temporaire sont adaptés à fournir et transporter un courant d'alimentation du ou des moteurs (7) de l'aéronef à propulsion électrique en sus du courant de recharge des batteries embarquées (6) de l'aéronef à propulsion électrique. 3 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 1 ou 2 pour lequel les batteries embarquées (6) comprennent des batteries à charge rapide objet de la 15 recharge par le système de recharge. 4 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 1, 2 ou 3 pour lequel les moyens de connexion électrique temporaire (2, 3a, 3b, 4) sont conçus pour résister aux turbulences tout en étant adaptés à se déconnecter de manière sûre en cas 20 d'urgence et en fin de ravitaillement et comportent pour ce faire un dispositif électromagnétique de raccordement desdits moyens. 5 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 4 pour lequel les moyens de connexion temporaire comportent deux prises complémentaires (3a, 3b), l'une 25 portée par un câble souple ou une perche (2) issus de l'aéronef chargeur, l'autre portée par un dispositif de jonction (4) de l'aéronef à propulsion électrique, et un dispositif électromagnétique de raccordement des deux prises. 6 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à 30 propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentespour lequel le dispositif de régulation de charge comporte un circuit d'équilibrage des charges sur des packs et des cellules (61) des batteries embarquées. 7 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le dispositif de régulation de charge est un dispositif de pilotage des batteries qui surveille, pendant la charge, le courant, la tension et les températures des cellules de batterie, est adapté à décider de se déconnecter du chargeur ou alerter le pilote qu'il faut le faire en cas de surtension, de 10 surcharge des cellules ou de température trop élevée, est adapté à communiquer avec le chargeur de l'avion ravitailleur afin de piloter lui-même le courant de charge des batteries. 8 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes 15 pour lequel l'aéronef chargeur est équipé d'un système de production d'énergie électrique (100) et un dispositif de régulation de charge (5) adaptés à la recharge en vol des batteries de propulsion de l'aéronef à propulsion électrique. 9 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 8 pour lequel le système de 20 production d'énergie électrique (100) comprend un moteur thermique couplé à un générateur. - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 8 ou 9 pour lequel le système de production d'énergie électrique (100) comprend une pile à combustible. 25 11 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon la revendication 8, 9 ou 10 pour lequel le système de production d'énergie électrique (100) comprend des batteries ou un système hybride avec plusieurs sources. 12 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à 30 propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel l'aéronef chargeur (1) est un drone. 13 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel l'aéronef à propulsion électrique comporte en outre un système d ^ w 3000029 13 embarqué de génération d'énergie électrique à partir de kérosène ou d'hydrogène. 14 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes 5 pour lequel l'aéronef chargeur (1), les moyens de connexion électrique temporaire (2, 3a, 3b, 4) de l'aéronef chargeur vers l'aéronef à propulsion électrique et le dispositif de régulation de charge (5) dans l'aéronef à propulsion électrique sont adaptés à recharger l'ensemble des packs des batteries embarqués en une fois. 10 15 - Système de recharge de batteries embarquées dans un aéronef à propulsion électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel l'aéronef chargeur (1) est lui même à propulsion électrique. 16 - Procédé de recharge de batteries d'un aéronef à propulsion électrique au moyen d'un système selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel: - l'aéronef à propulsion électrique ou son pilote détecte un faible état de charge de ses batteries et contacte l'aéronef chargeur le plus proche; - l'aéronef à propulsion électrique ou son pilote s'assure de la parfaite connaissance des terrains de déroutement dans la zone de ravitaillement et le 20 calcul du temps de vol pour les atteindre et de l'autonomie restante au moment du ravitaillement; - l'aéronef à propulsion électrique se rapproche de l'aéronef chargeur qui lui libère un câble électrique équipé de moyens de connexion électriques temporaires compatible avec des moyens de l'aéronef à propulsion électrique; 25 - une connexion électrique est établie entre l'aéronef à propulsion électrique et l'aéronef chargeur; - l'aéronef à propulsion électrique active le processus de recharge de ses batteries embarquées; - à la fin de la recharge des batteries, l'aéronef à propulsion électrique 30 commande la déconnexion et la libération des moyens de connexion électriques.