Brevet FR3087756A1 — publié le 20200501

SYSTÈME D'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE HYBRIDE POUR AÉRONEF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui de l'alimentation électrique d'un équipement d'un aéronef, et plus particulièrement celui de l'hybridation électrique de la propulsion des aéronefs à voilure tournante multirotor. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Pour la propulsion hybride d'un aéronef à voilure tournante multirotor, l'état de l'art propose d'entrainer des hélices qui génèrent l'effort propulsif au moyen de moteurs électriques alimentés en énergie électrique par un turbogénérateur. Un tel système propulsif est par exemple décrit dans le document FR 3 056 555 Al. En référence à la figure 1, ce système propulsif 1 comprend une turbine à gaz 2 et un générateur électrique 3 accouplé à la turbine à gaz pour délivrer une tension alternative sur un bus d'alimentation en tension alternative 4. Un redresseur 5 est relié, d'une part, au bus d'alimentation en tension alternative 4 et, d'autre part, à un bus d'alimentation en tension continue 6 et vient convertir la tension alternative délivrée par le générateur 3 en une tension continue. Un ou plusieurs moteurs électriques 8 sont reliés au bus d'alimentation en tension continue 6 par l'intermédiaire d'un ou plusieurs onduleurs 7. Lors d'un appel de charge par un moteur 8, la tension créée par le générateur 3 tend à chuter, voire à s'effondrer. Ce phénomène est dû, d'une part, à la régulation de l'ensemble turbogénérateur dont la dynamique est lente et, d'autre part, à l'incapacité du générateur à fournir la puissance demandée. Pour contrecarrer ce phénomène, et comme représenté sur la figure 1, il est possible de venir connecter un accumulateur électrochimique 9 au réseau d'alimentation en tension continue 9, cet accumulateur pouvant venir alimenter temporairement les moteurs électriques 8 en complétant ou en se substituant au générateur 3. S65968 FR - TM 2 Cette architecture n'est toutefois pas totalement satisfaisante. En effet, lors de variations de charge à haute fréquence, l'accumulateur électrochimique ne peut fournir la puissance nécessaire avec une dynamique répondant à la dynamique de l'appel de charge. 5 EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention a pour objectif d'améliorer la compensation des appels de charge d'un tel système d'alimentation électrique d'un équipement d'un aéronef. A cet effet, l'invention propose un système d'alimentation électrique d'un équipement d'un aéronef, comprenant : 10 - une turbine à gaz et un générateur électrique accouplé à la turbine à gaz pour délivrer une tension alternative sur un bus d'alimentation en tension alternative ; - un réseau d'alimentation en tension continue, - un redresseur relié, d'une part, au bus d'alimentation en tension alternative et, 15 d'autre part, au réseau d'alimentation en tension continue ; - des moyens de stockage d'énergie connectés au réseau d'alimentation en tension continue. Les moyens de stockage d'énergie comprennent un accumulateur électrochimique et un accumulateur électrostatique. 20 Certains aspects préférés mais non limitatifs de ce système sont les suivants : - le réseau d'alimentation en tension continue comprend un premier bus côté redresseur et un deuxième bus côté équipement ; l'accumulateur électrochimique et l'accumulateur électrostatique sont connectés au deuxième bus ; 25 - l'accumulateur électrochimique est connecté au premier bus et l'accumulateur électrostatique est connecté au deuxième bus ; - le réseau d'alimentation en tension continue comprend un convertisseur DC/DC entre le premier bus et le deuxième bus ; S 65968 - TM 3 - le réseau d'alimentation en tension continue comprend un bus auquel l'accumulateur électrochimique et l'accumulateur électrostatique sont connectés ; - chacun des accumulateurs électrochimique et électrostatique est connecté au réseau d'alimentation en tension continue par l'intermédiaire d'un hacheur ; - lequel l'accumulateur électrostatique est un supercondensateur ; - il comprend en outre un circuit de régulation de l'énergie dans le réseau d'alimentation en tension continue ; - le circuit de régulation comprend une boucle externe de régulation de l'énergie et une boucle interne de régulation de la puissance. 10 L'invention s'étend également à un aéronef comprenant un tel système d'alimentation électrique. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres aspects, buts, avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées 15 de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà discutée précédemment, représente un système d'alimentation électrique d'un équipement d'un aéronef selon l'état de l'art ; - les figures 2 à 5, sur lesquelles les éléments identiques portent les mêmes 20 références, représentent différentes réalisations possibles d'un système d'alimentation électrique selon l'invention ; - la figure 6 est un schéma de principe d'une régulation en énergie de systèmes conformes à l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS 25 Les figures 2 à 5 représentent différentes réalisations possibles d'un système 10, 20, 30, 40 selon l'invention d'alimentation électrique d'un ou plusieurs équipements d'un aéronef. Chaque équipement représente une charge pour le système d'alimentation, charge qui peut aussi bien être passive qu'active. S65968 FR - TM 4 L'aéronef peut être un aéronef à voilure tournante multirotor, par exemple un aéronef octorotor disposant de quatre paires d'hélices contrarotatives, les équipements à alimenter étant par exemple les moteurs électriques utilisés pour chacun entraîner en rotation une hélice. On prendra dans ce qui suit l'exemple d'un seul équipement à alimenter. D'une manière générale, cet équipement est alimenté en énergie électrique par un générateur électrique 3 entraîné par une turbine à gaz 2. Le générateur 3 est typiquement agencé à proximité de la turbine à gaz et peut dès lors bénéficier d'un refroidissement liquide du type par carburant ou par eau glycolée 10 afin d'en améliorer la densité de puissance. Le générateur 3 peut par ailleurs disposer d'une électronique de puissance intégrée, et dans ce cas il ne nécessite pas de filtre de suppression des interférences électromagnétiques EMI (ElectroMagnetic Interferences) entre son stator et son électronique de puissance. La liaison entre le générateur électrique 3 et l'équipement est opérée par 15 l'intermédiaire d'un réseau d'alimentation en tension continue 60, 80, 90. Un onduleur (non représenté) peut être interposée entre le réseau 60, 80, 90 et l'équipement à alimenter. Le générateur 3 délivre une tension alternative sur un bus d'alimentation en tension alternative 4 et un redresseur 50, 70 est relié, d'une part, au bus d'alimentation 20 en tension alternative 4 et, d'autre part, au réseau d'alimentation en tension continue 60, 80, 90 pour assurer la conversion de la tension alternative délivrée par le générateur 3 en une tension continue. Le redresseur peut être un redresseur passif 50 (figures 2 et 3), par exemple un pont de diodes triphasé double alternance, ou un redresseur actif commandé 70 (figures 4 et 5). 25 Sur les figures, on a représenté une seule turbine 2 venant entraîner un seul générateur 3. L'invention s'étend toutefois à un système comprenant plusieurs générateurs entraînés par une même turbine ainsi qu'à un système comprenant une pluralité de turbines à gaz qui chacune entraîne un ou plusieurs générateurs. Plusieurs générateurs peuvent ainsi être reliés à un même réseau d'alimentation en tension continue, chacun par l'intermédiaire d'un redresseur respectif. S 65968 - TM 5 Le système selon l'invention comprend par ailleurs des moyens de stockage d'énergie connectés au réseau d'alimentation en tension continue 60, 80, 90. Plus particulièrement, les moyens de stockage d'énergie comprennent à la fois un accumulateur électrochimique B et un accumulateur électrostatique SC. Chacun des accumulateurs électrochimique et électrostatique B, SC est connecté au réseau d'alimentation en tension continue 60, 80, 90 par l'intermédiaire d'une inductance Lb, Lsc et d'un hacheur B-H, SC-H. Avec une telle architecture, l'ensemble turbogénérateur fournit la puissance moyenne et les accumulateurs B, SC peuvent venir en complément lors de régimes transitoires. 10 L'accumulateur électrochimique B présente une forte densité d'énergie et une faible densité de puissance. A contrario, l'accumulateur électrostatique SC, par exemple un supercondensateur, présente une faible densité d'énergie et une forte densité de puissance. On dispose ainsi d'une source d'énergie avec l'accumulateur électrochimique B et d'une source de puissance avec l'accumulateur électrostatique SC. 15 De telle manière, l'accumulateur électrochimique B sert de moyens de stockage tampon pour des appels de puissance importants (par tampon, on entend qu'il vient en complément du générateur pour absorber ou fournir un surplus de puissance) ou de moyens de stockage principal (il se substitue au générateur) en cas de défaillance de la turbine à gaz pour ainsi assurer la continuité de la fourniture du courant. Il permet 20 notamment de fournir un complément énergétique lors du décollage, ou lors de variations de la charge. L'accumulateur électrostatique EC sert quant à lui de moyens de stockage tampon pour des appels de puissance de fortes variations (par tampon, on entend qu'il vient en complément du générateur pour absorber ou fournir un surplus de puissance), 25 notamment lors des régimes transitoires sévères. Ainsi le système selon l'invention dispose de trois sources d'énergie (l'ensemble turbogénérateur, l'accumulateur électrochimique, l'accumulateur électrostatique), chacune présentant sa propre dynamique. Il s'avère ainsi possible de disposer d'un réseau d'alimentation en tension continue qui peut encaisser les différentes variations de 30 charge, tant basse fréquence que haute fréquence. De telle manière, la tension délivrée à S65968 FR - TM 6 l'équipement est maintenue à un optimum, et ce indépendamment du régime de la turbine à gaz lequel est donc préservé. Le système selon l'invention offre ainsi une gestion d'énergie performante entre l'accumulateur électrochimique, la turbine à gaz et l'accumulateur électrostatique. Les appels de charge étant compensés par les sources continues, le système présente une meilleure disponibilité, une meilleure qualité (ondulations de tensions plus faibles et un taux de distorsion harmonique plus faible) et sa plage de fonctionnement est plus étendue. De plus, les différents filtres peuvent être aussi réduits (gain de masse et risque plus faible d'instabilité). Il s'avère en outre possible de voler quelques instants en tout 10 électrique pour réduire les émissions de bruit et la signature infra-rouge. Lorsque le redresseur 50 est du type passif, le réseau d'alimentation en tension continue 60 (figures 2 et 3) comprend deux bus en parallèle, à savoir un premier bus B1 côté redresseur qui présente une première capacité de bus C1 et un deuxième bus B2 côté équipement qui présente une deuxième capacité de bus C2. Le réseau 60 comprend 15 un câble d'alimentation qui relie les deux bus et présente une inductance Lr. Comme représenté sur les figures 2 et 3, un convertisseur DC/DC 100, par exemple un convertisseur Boost, peut alors être agencé entre les deux bus, mais celui-ci reste facultatif. Avec un tel convertisseur DC/DC 100, le premier bus B1 avec la capacité C1 présente une tension variable et voit transiter toute la puissance fournie par la 20 turbine. Le second bus B2 avec la capacité C2, de plus haut voltage que le premier bus, voit à ses bornes une tension fixe donnée par la consigne. Le convertisseur 100 permet en effet d'élever ou de diminuer le niveau de tension selon les besoins de l'équipement, ce qui permet de minimiser le courant et de garantir la disponibilité du système. Un tel convertisseur 100 permet en outre de réaliser un filtrage en sortie du redresseur à diodes 25 50. Un autre filtre, de type LC, représenté par une inductance Lf sur les figures 2 et 3, peut par ailleurs être agencé en sortie du redresseur 50 pour assurer en partie l'élimination du contenu harmonique du courant. Dans un tel mode de réalisation à redresseur passif, l'un des accumulateurs peut 30 être connecté au premier bus et l'autre des accumulateurs peut être connecté au S 65968 - TM 7 deuxième bus. Comme représenté en figure 2, l'accumulateur électrochimique B peut ainsi être connecté au premier bus B1 à la capacité Cl, l'accumulateur électrostatique SC étant connecté au deuxième bus B2 à la capacité C2. L'accumulateur électrostatique SC, c'est-à-dire la source d'énergie présentant la plus grande densité de puissance, est alors au plus près de l'équipement et permet donc de répondre au mieux aux variations de charge en améliorant de ce fait la dynamique du système. Dans une variante de réalisation, l'accumulateur électrochimique B et l'accumulateur électrostatique SC sont connectés en cascade au même bus, par exemple au deuxième bus B2 à la capacité C2 comme représenté en figure 3. 10 Lorsque le redresseur 70 est du type actif commandé, un convertisseur DC/DC entre deux bus n'est pas nécessaire. Comme représenté à la figure 4, le réseau d'alimentation en tension continue 80 peut toujours comprendre un premier bus à la capacité Cl et une deuxième bus à la capacité C2, l'un des accumulateurs étant connecté au premier bus et l'autre des accumulateurs étant connecté au deuxième bus. 15 L'accumulateur électrochimique B peut ainsi être connecté au premier bus à la capacité Cl, l'accumulateur électrostatique SC étant relié au deuxième bus à la capacité C2. Comme pour la figure 2, la topologie de la figure 4 permet de différencier le point d'injection de puissance entre l'accumulateur électrochimique et l'accumulateur électrostatique. Alternativement, comme représenté à la figure 5, le réseau 20 d'alimentation en tension continue 90 peut ne comprendre qu'un seul bus BDC, en l'occurrence à la capacité C, auquel à la fois l'accumulateur électrochimique B et l'accumulateur électrostatique SC sont connectés en cascade. Comme représenté sur la figure 6, le système selon l'invention peut comprendre un circuit de régulation de l'énergie dans le réseau d'alimentation en tension continue. Ce 25 circuit est plus particulièrement configuré pour réaliser un contrôle de la tension de bus côté équipement (bus B2 ou bus BDC selon les variantes) au moyen d'une régulation cascade comprenant une boucle externe dite d'énergie RE et une boucle interne dite de puissance RP. Pour garantir le bon fonctionnement de la régulation, l'asservissement en puissance est de préférence bien plus rapide que l'asservissement en énergie. S65968 FR - TM 8 La boucle externe d'énergie RE exploite des consignes en énergie Y - srefr Y2ref respectivement en sortie de turbine et sur le bus côté équipement qui sont comparées aux mesures Ys, Y2 de ces énergies. La boucle externe d'énergie RE fournit des consignes P - 2refr Pcref pour la boucle interne de puissance RP, à savoir respectivement une consigne de puissance sur le bus côté équipement une consigne de puissance totale d'accumulateur. Un module algorithmique MA fournit une consigne de puissance d'accumulateur électrochimique Pbatref à partir de la tension de l'accumulateur électrochimique Vbat, de la tension de l'accumulateur électrostatique V', de la puissance Pia' consommée par toutes les 10 charges et de la consigne de puissance totale d'accumulateur Pcref. Cette consigne de puissance d'accumulateur électrochimique P - barrer permet, par soustraction, de définir une consigne de puissance d'accumulateur électrostatique P - scref- La boucle interne de puissance RP délivre en sortie des rapports cycliques, dbat pour le hacheur B-H associé à l'accumulateur électrochimique B, dSC pour le hacheur SC-H associé à l'accumulateur 15 électrostatique SC, d2 pour le convertisseur 100 d'interface entre les deux bus DC (figures 2 et 3) et dr pour le redresseur commandé 70 (figures REVENDICATIONS1. Système d'alimentation électrique (10, 20, 30, 40) d'un équipement d'un aéronef, comprenant : une turbine à gaz (2) et un générateur électrique (3) accouplé à la turbine à gaz pour délivrer une tension alternative sur un bus d'alimentation en tension alternative (4); un réseau d'alimentation en tension continue (60, 80, 90); un redresseur (50, 70) relié, d'une part, au bus d'alimentation en tension alternative 10 et, d'autre part, au réseau d'alimentation en tension continue ; des moyens de stockage d'énergie connectés au réseau d'alimentation en tension continue ; caractérisé en ce que les moyens de stockage d'énergie comprennent un accumulateur électrochimique (B) et un accumulateur électrostatique (SC). 15 2. Système d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel le réseau d'alimentation en tension continue comprend un premier bus côté redresseur (B1) et un deuxième bus côté équipement (B2). 20 3. Système d'alimentation électrique selon la revendication 2, dans lequel l'accumulateur électrochimique (B) et l'accumulateur électrostatique (SC) sont connectés au deuxième bus (B2). 4. Système d'alimentation électrique selon la revendication 2, dans lequel 25 l'accumulateur électrochimique (B) est connecté au premier bus (B1) et l'accumulateur électrostatique (SC) est connecté au deuxième bus. 5. Système d'alimentation électrique selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel le réseau d'alimentation en tension continue comprend un convertisseur DC/DC 30 (100) entre le premier bus et le deuxième bus. 565968 FR -TM 10 6. Système d'alimentation électrique selon la revendication 1, dans lequel le réseau d'alimentation en tension continue comprend un bus (BDC) auquel l'accumulateur électrochimique et l'accumulateur électrostatique sont connectés. 7. Système d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel chacun des accumulateurs électrochimique et électrostatique est connecté au réseau d'alimentation en tension continue par l'intermédiaire d'un hacheur (B-H, SC-H). 8. Système d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'accumulateur électrostatique est un supercondensateur. 9. Système d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 8, comprenant en outre un circuit de régulation de l'énergie dans le réseau d'alimentation en tension continue. 10. Système d'alimentation électrique selon la revendication 9, dans lequel le circuit de régulation comprend une boucle externe de régulation de l'énergie et une boucle interne de régulation de la puissance. 11. Aéronef comprenant un système d'alimentation électrique selon l'une des revendications 1 à 10.