Brevet FR3084318A1 — publié le 20200131

Procédé et dispositif de gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride d'un aéronef multirotor La présente invention se situe dans le domaine technique des installations motrices hybrides pour aéronefs, et en particulier pour les aéronefs comportant plusieurs rotors. L'invention concerne un procédé de gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride. L'invention concerne également un aéronef multirotor comportant une installation motrice hybride et un dispositif de gestion de l'énergie de son installation motrice hybride. On entend par « aéronef multirotor » un aéronef à voilure tournante muni d'au moins deux rotors. Un premier type d'aéronef multirotor peut par exemple comporter au moins un rotor principal et éventuellement un rotor anticouple, chaque rotor principal assurant la sustentation, voire la propulsion de l'aéronef et, le cas échéant, un rotor anticouple s'opposant au couple en lacet exercé par le rotor principal sur le fuselage de cet aéronef et pour permettre également de contrôler les mouvements en lacet de cet aéronef. Un tel aéronef multirotor peut aussi comporter un ou deux rotors d'avancement susceptibles d'assurer également la fonction anticouple. Un second type d'aéronef multirotor peut comporter au moins trois rotors assurant conjointement la portance et la propulsion de l'aéronef. Un tel aéronef multirotor classiquement utilisé aujourd'hui peut comporter trois, quatre, six, huit rotors par exemple. Un tel aéronef multirotor est également désigné par le terme « drone » lorsqu'il est sans pilote, ni occupant à son bord. Chaque rotor est de préférence entraîné par un moteur électrique, mais peut toutefois être entraîné par un moteur thermique. 2 Une installation motrice « hybride » pour aéronef désigne une installation motrice comprenant deux sources d'énergie distinctes, une source d'énergie électrique et une source d'énergie thermique. Une source d'énergie électrique comporte au moins un dispositif 5 de stockage de l'énergie électrique, tel qu'une batterie rechargeable ou bien non rechargeable, ou encore une pile à combustible. Une source d'énergie thermique comporte par exemple un ou plusieurs moteurs thermiques. Selon une première architecture, l'installation motrice hybride 10 peut comporter une source d'énergie électrique, une source d'énergie thermique, au moins une machine électrique et une chaîne de transmission mécanique de puissance munie notamment d'une boîte de transmission principale de puissance afin d'entraîner en rotation chaque rotor de l'aéronef multirotor. La 15 boîte de transmission principale de puissance est généralement entraînée conjointement par chaque moteur thermique de la source d'énergie thermique et au moins une machine électrique. Chaque rotor peut alors être entraîné en rotation par uniquement chaque moteur thermique, par uniquement au moins une machine 20 électrique ou bien conjointement par chaque moteur thermique et par au moins une machine électrique. Cette première architecture est notamment utilisée pour le premier type d'aéronef multirotor cité. Une machine électrique peut être réversible, remplissant 25 alors une fonction motrice et une fonction génératrice d'électricité. Cette machine électrique peut donc fonctionner soit selon un mode « moteur électrique » pour fournir une puissance mécanique à la boîte de transmission principale de puissance, soit selon un mode « générateur électrique » pour générer de l'énergie électrique à partir d'une puissance mécanique fournie par la boîte de transmission principale de puissance. 3 Une machine électrique peut également être un moteur électrique, remplissant uniquement une fonction motrice. Une machine électrique peut également être un générateur électrique remplissant uniquement la fonction générateur d'électricité. 5 Selon une seconde architecture, l'installation motrice hybride peut comporter une source d'énergie électrique et plusieurs machines électriques, une machine électrique remplissant par exemple uniquement une fonction génératrice et constituant un générateur électrique et les autres machines électriques 10 remplissant uniquement une fonction motrice et constituant respectivement un moteur électrique entraînant en rotation un rotor de l'aéronef multirotor, ainsi qu'une source d'énergie thermique tel un moteur thermique, entraînant le générateur électrique. De la sorte, la source d'énergie thermique permet uniquement une 15 production d'énergie électrique par l'intermédiaire du générateur électrique, cette énergie électrique étant distribuée directement aux machines électriques entraînant en rotation les rotors ou bien étant stockée dans la source d'énergie électrique. Cette seconde architecture est privilégiée pour le second type d'aéronef multirotor 20 précédemment cité et est désignée « propulsion distribuée ». Un aéronef multirotor peut être utilisé dans le cadre d'une mission de transport aérien à vocation commerciale, parapublique, voire militaire et dans des zones environnementales sensibles, telles que des villes ou bien des parcs nationaux par exemple. Ces 25 transports aériens, notamment au sein d'une ville, sont généralement de courtes durées de l'ordre de quelques dizaines de minutes à une heure, et permettent le transport de passager(s) et/ou de marchandise(s). De plus, leurs localisations en zones sensibles imposent des contraintes environnementales aussi bien 30 en termes de bruits que d'émissions polluantes. 4 Ces nuisances sonores sont générées d'une part par la rotation des rotors et d'autre part par l'utilisation d'un ou plusieurs moteurs thermiques, notamment lors des phases de décollage et d'atterrissage pour lesquelles l'installation motrice de l'aéronef 5 multirotor doit fournir une puissance importante. De plus, chaque moteur thermique est alors une source de pollution atmosphérique lors de ces phases de décollage et d'atterrissage. Une solution à ces nuisances pourrait être l'utilisation d'une installation motrice totalement électrique pour un tel aéronef 10 multirotor. De plus, l'augmentation du nombre de rotors que comporte l'aéronef multirotor peut permettre de réduire le bruit généré par chaque rotor, chaque rotor pouvant avoir une vitesse de rotation réduite. Cependant, la masse d'une installation motrice électrique et 15 la faible densité énergétique d'une source d'énergie électrique sont des obstacles difficiles à surmonter aujourd'hui. En effet, la masse importante des moyens de stockage de l'énergie électrique limite la distance que peut parcourir un tel aéronef multirotor et la charge utile transportable. 20 En conséquence, afin d'assurer une autonomie suffisante pour les missions décrites ci-dessus, l'utilisation d'une installation motrice hybride ou uniquement thermique semble aujourd'hui préférable à une installation motrice totalement électrique, notamment grâce à la densité énergétique d'une source d'énergie 25 thermique qui est plus importante que celle d'une source d'énergie électrique. On entend par « densité énergétique » la quantité d'énergie disponible par unité de masse. L'utilisation d'un aéronef à voilure tournante avec une installation motrice thermique à base d'hydrocarbure est 30 aujourd'hui encore la référence pour le transport de plusieurs 5 passagers et/ou de charges utiles, quelle que soit la distance à parcourir. Des études sont cependant en cours et des prototypes d'aéronefs multirotor avec une installation motrice électrique ou hybride commencent à voir le jour. 5 Cependant, le coût opérationnel d'un moteur thermique étant plus important que celui d'un moteur électrique, la gestion, voire l'optimisation de la répartition de l'énergie consommée par les moteurs électriques et les moteurs thermiques d'une installation motrice hybride d'un aéronef est donc primordiale afin de l'utiliser 10 de façon optimale. On entend par « façon optimale », une façon permettant de répondre à trois critères essentiels d'une mission de transport aérien, le respect de l'environnement, à savoir réduire les émissions polluantes et sonores, les limitations de la masse de l'aéronef multirotor ainsi que les limitations de son coût 15 opérationnel. L'art antérieur concernant la gestion d'une telle installation motrice hybride concerne aussi bien le domaine automobile dans lequel l'installation motrice hybride est utilisée et produite en série que le domaine aéronautique dans lequel les études se multiplient. 20 On connait notamment le brevet FR 3005296 qui décrit un procédé d'optimisation de la consommation énergétique d'un véhicule hybride en fonction notamment des lois de gestion de l'énergie de ce véhicule et du parcours prévu. On connait aussi le document US 9932118 qui concerne un 25 aéronef et décrit son fonctionnement selon deux modes, un mode dit « silence » sans utilisation d'un moteur thermique et un mode dit « normal » autorisant l'utilisation d'un ou plusieurs moteurs à combustion, sans optimiser la consommation d'énergie. 6 En outre, les documents EP 3034834, FR 2997382, FR 3033755, WO 2012/061819, EP 0782941 et WO 2015/123737 traitent de façon plus générale de la gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride d'un véhicule. 5 Notamment, le document WO 2015/123737 concerne un système de gestion de l'énergie d'un véhicule en privilégiant la transformation de l'énergie cinétique en énergie électrique sur un parcours spécifique. Le document WO 2012/061819 décrit une gestion de l'énergie 10 d'un véhicule automobile hybride en fonction de sa vitesse d'avancement. Enfin, le document FR 3033755 décrit une optimisation de la gestion de l'énergie entre les différents moyens de stockage et de production de l'énergie électrique d'un véhicule automobile. 15 La présente invention a alors pour objet un procédé de gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride d'un aéronef multirotor lors d'un vol de l'aéronef permettant de s'affranchir des limitations mentionnées ci-dessus en optimisant les consommations des énergies thermiques et électriques de cette installation motrice 20 hybride. La présente invention a aussi pour objet un aéronef muni d'un dispositif de gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride d'un aéronef multirotor lors d'un vol de l'aéronef mettant en oeuvre ce procédé. Ce procédé et ce dispositif de gestion de l'énergie d'une 25 installation motrice hybride permettent ainsi l'optimisation de la consommation de l'énergie de l'aéronef multirotor en respectant les trois critères essentiels précédemment cités d'une mission de transport aérien de passager(s) et/ou de marchandise(s), à savoir 7 le respect de l'environnement et les limitations de la masse et du coût opérationnel de l'aéronef multirotor. Selon l'invention, un procédé gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride d'un aéronef multirotor lors d'un vol, 5 l'aéronef multirotor comportant : - une installation motrice hybride munie d'une source d'énergie thermique, d'une source d'énergie électrique et d'au moins une machine électrique, la source d'énergie thermique pouvant fournir une puissance thermique continue WTh, cette au moins 10 une machine électrique pouvant fournir une puissance électrique continue Wgieccont et une puissance électrique maximale pouvant être limitée aux phases de décollage et d'atterrissage w ElecMax, et -au moins deux rotors entraînés en rotation par l'installation 15 motrice hybride. Le vol de l'aéronef multirotor comporte une phase de décollage d'une durée TTakeoff, une phase de croisière d'une durée TCrurse et une phase d'atterrissage d'une durée T LandIng- On entend par « phase de croisière » la phase de vol constituée par le vol de 20 croisière. Cet aéronef multirotor est caractérisé par une puissance de croisière WCruise nécessaire à la réalisation d'une phase de croisière. Cette puissance de croisière w Cruise est notamment fonction des caractéristiques aérodynamiques de l'aéronef 25 multirotor. Ce procédé est remarquable en ce que la phase de décollage et la phase d'atterrissage sont réalisées uniquement en consommant une énergie électrique fournie par la source d'énergie électrique et que le procédé comporte les étapes suivantes : 8 - un premier calcul d'une énergie électrique de décollage Erakeoff consommée lors de la phase de décollage et égale à : ETake0 f f - WElecMax-TTake0 f f - un deuxième calcul d'une énergie électrique d'atterrissage 5 ELanding consommée lors de la phase d'atterrissage et égale à: ELanding = WElecMax-TLanding - un troisième calcul d'une énergie électrique de croisière EElecCruise disponible pour la phase de croisière et égale à : EElecCruise = EElecTotal WElecMax-(Trake0 f f TLanding), 10 avec EEfecrotai l'énergie électrique totale disponible dans la source d'énergie électrique avant le démarrage du vol de l'aéronef, - un quatrième calcul d'une puissance électrique de croisière W ElecCruise disponible pour la phase de croisière et égale à : 15 WElecCruise = MIN (WCruise ; WElecCont ECIecTotal-WEtecMax-(Trakeof ±Tlanding)) TCruise - une comparaison de la puissance électrique de croisière W ElecCruise et de la puissance de croisière WCruise, et - une détermination d'une puissance thermique de croisière WThCruise nécessaire pour la phase de croisière de sorte que : 20 o SiW ElecCruise = WCruise WThCruise = et O Si WEiecCruise REVENDICATIONS1. Procédé de gestion de l'énergie d'une installation motrice hybride (10) d'un aéronef (1) multirotor lors d'un vol, ledit aéronef (1) multirotor comportant : - une installation motrice hybride (10) munie d'une source d'énergie thermique (13), d'une source d'énergie électrique (14) et d'au moins une machine électrique (12), ladite source d'énergie thermique (13) pouvant fournir une puissance thermique continue Wrh, ladite au moins une machine électrique (12) pouvant fournir une puissance électrique continue w - ElecCont et une puissance électrique maximale w ElecMax, et -au moins deux rotors (2) entraînés en rotation par ladite installation motrice hybride (10), ledit vol comportant une phase de décollage d'une durée Trakeoff, une phase de croisière d'une durée T _ crime et une phase d'atterrissage d'une durée Ti,''d,-'9, ledit aéronef (1) multirotor étant caractérisé par une puissance de croisière w - Cruise nécessaire à la réalisation d'une phase de croisière, caractérisé en ce que ladite phase de décollage et ladite phase d'atterrissage sont réalisées uniquement en consommant une énergie électrique fournie par ladite source d'énergie électrique (14) et ledit procédé comporte les étapes suivantes : - un premier calcul (100) d'une énergie électrique de décollage ETake(iff consommée lors de la phase de décollage et égale à : ETake0 ff = WEiecMax-TTakeOff, - un deuxième calcul (200) d'une énergie électrique d'atterrissage ELandIng consommée lors de la phase d'atterrissage et égale à : 29 ELanding = WElecMax-TLanding- - un troisième calcul (300) d'une énergie électrique de croisière Eneecroise disponible pour ladite phase de croisière et égale à : EElecCruise = EElecTotal WElecMar(rTake0 f f TLanding), 5 avec Enerrotor ladite énergie électrique totale disponible dans ladite source d'énergie électrique (14) avant le démarrage dudit vol dudit aéronef (1), -un quatrième calcul (400) d'une puissance électrique de croisière WElecCruise disponible pour ladite phase de croisière et 10 égale à : = MIN EElecTotaL-WElecMar(TTakeOf -FTLanding) WElecCruise (WCruise WElecCont ; )' TCruise -une comparaison (500) de ladite puissance électrique de croisière w w WElecCruise et de ladite puissance de croisière - croise, et - une détermination (600) d'une puissance thermique de croisière 15 WThCruise nécessaire pour ladite phase de croisière de sorte que : O si WElecCruise = WCruise ; WThCruise = 0, o si WElecCruise 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit procédé comporte un cinquième calcul 20 (700) d'un taux d'électrification R Elec dudit vol dudit aéronef (1) tel que : RElec = Trake0 f f+TLanding+MIN( 21 WElecCont .EElecrotal-WElecMax1/4ake0 ff+TLandin.g) Cruise WElecMax fr TCruise.WElecMax ) TrakeOf f Landing+X.TCruise et avec À, la proportion entre ladite puissance de croisière nécessaire à la croisière et une puissance de décollage nécessaire au décollage, à savoir ladite puissance électrique maximale w ElecMax, dudit aéronef (1) telle que À.= WCruise W ClecMax. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit vol comporte une phase de réserve 5 opérationnelle d'une durée TReser, Reser, de sorte que ladite puissance électrique de croisière W ElecCru,se est égale à : ( EElecTotal-WE1eMax-(Trake0 ff+TLancing)WElecCruise=MIN WCruise WEtecCont ) T Cruise+T Reser 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit vol comporte une phase de réserve 10 opérationnelle d'une durée TReser, de sorte que ladite puissance électrique de croisière w ElecCruise est égale à EElecTotal- WElecMax.(TTakeOff+TLanding), et = MIN WCruise WElecCont WElecCruise TCruise+T Reser ledit taux d'électrification REre, dudit vol dudit aéronef (1) tel que : ( wElecCont .EElecTotal-W ElecMax.(TTakeOf f +TLandin.9) .,., TTaReOf f +T Landing +MIN A.; u, -; Cruise yr EleeMax . (TCruise+TReser) wEiecMax REICC = . Trake0 f f +T Landing+ITCruise 15 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'une réserve opérationnelle d'énergie F -ElecReser est déduite de ladite énergie électrique totale F -ElecTotal disponible. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que, ladite source d'énergie électrique (14) 20 comportant n dispositif(s) de stockage (18), n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, ladite énergie électrique totale E ElecTotal disponible dans ladite source d'énergie électrique (14) est telle que : 31 EElecTotal = Er=1(EBat)i, avec i un nombre entier positif variant de 1 à n et (Ebat), la capacité énergétique d'un dispositif de stockage (18) de rang i. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, 5 caractérisé en ce que ladite source d'énergie électrique (14) comportant n dispositif(s) de stockage (18), n étant un nombre entier supérieur ou égal à 1, ladite énergie électrique totale EElecTotal disponible dans ladite source d'énergie électrique (14) est telle que : 10 EElecTotal = kl.Er=asat)i, avec i un nombre entier positif variant de 1 à n, (Ebat)i la capacité énergétique d'un dispositif de stockage (18) de rang i et ki étant un coefficient d'utilisation normale de la batterie strictement inférieur à 1. 15 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'en cas d'urgence et/ou de danger, ledit coefficient d'utilisation normale ki est remplacé par un coefficient d'urgence k2 strictement supérieur à kl et strictement inférieur à 1. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 20 caractérisé en ce que ladite source d'énergie thermique (13) comportant au moins un moteur thermique (15), ladite installation motrice hybride (10) comporte une boîte de transmission principale de puissance (31) entraînant en rotation lesdits rotors (2), ledit au moins un moteur thermique (15) et ladite au moins une machine 25 électrique (12) entraînant en rotation ladite boîte de transmission principale de puissance (31). 10. Procédé selon la revendication 9, 32 caractérisé en ce que ladite installation motrice hybride (10) comporte un générateur électrique (15) entraîné en rotation par ladite boîte de transmission principale de puissance (31) ou bien directement par au moins un moteur thermique (13). 5 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite source d'énergie thermique (13) comportant au moins un moteur thermique (15), ladite installation motrice hybride (10) comporte un générateur électrique (16) et autant de moteurs électriques (17) que de rotors (2), un rotor (2) 10 étant entraîné en rotation par un seul moteur électrique (12), ledit générateur électrique (16) étant entraîné en rotation par ledit au moins un moteur thermique (15). 12.Aéronef (1) multirotor comportant : - une installation motrice hybride (10) munie une source 15 d'énergie thermique (13), une source d'énergie électrique (14) et au moins une machine électrique (12), ladite source d'énergie thermique (13) pouvant fournir une puissance électrique continue WTh, ladite au moins une machine électrique (12) pouvant fournir une puissance électrique continue w - ElecCont 20 et une puissance électrique maximale w Elechlax, et -au moins deux rotors (2) entraînés en rotation par ladite installation motrice hybride (10), caractérisé en ce que ledit aéronef (1) comporte un dispositif (20) de gestion de l'énergie de ladite installation motrice hybride (10) 25 muni d'un calculateur (21) et d'au moins une mémoire (22) afin de mettre en oeuvre le procédé selon les revendications 1 à 11.