Brevet FR3131812A1 — publié le 20230714

L’invention concerne un convertisseur DC/DC (209) pour un réseau électrique propulsif d’aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique dudit réseau électrique propulsif. Le convertisseur DC/DC (209) comprend un onduleur (401), un transformateur (403), un redresseur (405) et comprend en outre une source de courant (417), connectée au redresseur (405) et configurée pour contrôler la puissance transitant par l’intermédiaire dudit convertisseur DC/DC (209). Le transformateur (403) comporte un primaire (403a) et deux secondaires (403b, 403c), les deux secondaires (403b, 403c) ayant une borne commune (407) destinée à être connectée à un bus haute tension continue (207) du réseau électrique propulsif (201) et deux autres bornes (409, 411) connectées au redresseur (405). Le redresseur (405) comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors (415a, 415b, 415c, 415d) en série chacun et connectés, d’une part, aux deux autres bornes (409, 411) du transformateur (403) et, d’autre part, à la source de courant (417). Figure pour l'abrégé : Figure 4 CONVERTISSEUR DC/DC POUR UN RESEAU ELECTRIQUE PROPULSIF D’AERONEF Domaine technique de l'invention L’invention est relative au domaine des réseaux électriques propulsif d’aéronef et se rapporte, en particulier, à un convertisseur DC/DC pour un tel réseau. Arrière-plan technique Il est connu de l’état de la technique une architecture propulsive hybride d’un aéronef, communément appelée hybridation série, qui utilise conjointement une source thermoélectrique et une unité de stockage d’énergie électrique reliées à un même bus haute tension continue (ou HVDC bus en anglais pour « High Voltage Direct Current ») qui alimente des charges d’un aéronef. Dans ce qui suit, l’acronyme DC signifie courant continu (de l’anglais « Direct Current ») et l’acronyme AC signifie courant alternatif (de l’anglais « Alternative Current »). Comme représenté sur la , une architecture propulsive hybride 101 comporte généralement : - un moteur à combustion interne 103 piloté par une unité de contrôle 105, - un générateur électrique 107 accouplé au moteur à combustion interne de sorte qu’en fonctionnement le moteur à combustion interne 103 entraîne le générateur électrique 107, - un redresseur 109 relié au générateur électrique 107 et configuré pour convertir un courant alternatif (en l’espèce un courant triphasé) délivré par le générateur électrique 107 en un courant continu, - des convertisseurs DC/AC (convertissant du courant alternatif en courant continu) 113a et 113b, - un bus haute tension continue 111 reliant le redresseur 109 aux convertisseurs DC/AC 113a et 113b, - des moteurs électriques 115a et 115b reliés aux convertisseurs DC/AC 113a et 113b de sorte qu’en fonctionnement les convertisseurs DC/AC 113a et 113b alimentent les moteurs électriques 115a et 115b en courant alternatif, et - des hélices 117a et 117b accouplées aux moteurs électriques 115a et 115b de sorte qu’en fonctionnement les moteurs électriques 115a et 115b entraînent les hélices 117a et 117b. L’architecture 101 comporte également une unité de stockage d’énergie électrique 119 (également appelée « HVDC storage » signifiant stockage haute tension continue), comme par exemple, une batterie. Cette unité de stockage électrique permet de réaliser les différentes fonctions suivantes : absorber le surplus d’énergie électrique du bus HVDC, assurer un complément d’alimentation en énergie électrique lors de phases transitoires, ou encore servir de source d’énergie principale avec le moteur thermique ou en remplacement de ce moteur thermique, en cas de défaillance par exemple. En particulier, lorsqu’un renvoi d’énergie électrique sur le bus HVDC se produit, l’unité de stockage 119 absorbe ce surplus d’énergie électrique afin de protéger les composants du bus HVDC. Dans une telle architecture, à partir d’une source de carburant fossile, le moteur à combustion interne 103, le générateur électrique 107 et une chaine de propulsion électrique composée des convertisseurs DC/AC 113a et 113b, des moteurs électriques 115a et 115b et des hélices 117a et 117b permettent de faire voler un aéronef à multi-voilures tournantes. Un aéronef comportant une telle architecture propulsive hybride est multi-rotors, ce qui permet d’avoir des degrés de liberté supplémentaires, par rapport aux aéronefs conventionnels, en ce qui concerne la pilotabilité de l’aéronef, par exemple, le freinage, la stratégie d’évitement, le changement de direction, ou encore le basculement des rotors. D’autres exemples d’une architecture de ce type sont décrits dans le brevet EP-B1-3519294 et dans la demande de brevet WO-A1-2019186042 dans lesquels une pluralité de générateurs de puissance moyenne sont connectés en parallèle à un bus HVDC. En outre, dans les différentes architectures connues, les bus HVDC peuvent être également multiples ou encore connectés en réseau annulaire. Dans tous les cas, une telle architecture peut être utilisée pour un aéronef de type VTOL (de l’anglais « Vertical take-off and Landing ») ou pour un aéronef de type CTOL (de l’anglais « Conventional Take-Off and Landing »). Dans une architecture de ce type, où les charges connectées au bus HVDC sont des moteurs électriques actionnant les hélices de l’aéronef qui fonctionnent généralement à puissance constante, il est essentiel de garder un contrôle optimal du bus HVDC pour éviter des instabilités ou encore la perte complète du bus par effondrement de la tension. Ainsi, comme décrit plus haut, il est connu d’utiliser une unité de stockage d’énergie électrique pour permettre ce contrôle. En outre, cette unité de stockage d’énergie électrique peut être ou non associée à un convertisseur DC/DC dont le rôle est notamment d’adapter le niveau de tension et le niveau de courant débité par l’unité de stockage. Dans une première approche, l’unité de stockage d’énergie électrique est connectée au reste du réseau électrique propulsif sans utilisation d’un convertisseur DC/DC. On parle de connexion directe. La connexion directe, d’une ou de plusieurs batteries (i.e. des unités de stockage d’énergie électrique) permet de minimiser la masse du réseau électrique complet. En effet, l’ajout d’un convertisseur DC/DC a un coût en termes de masse mais aussi en termes de volume, de rendement, de dissipation thermique et de complexité de contrôle. En revanche, du fait de la nature électrochimique d’une batterie, cette configuration impose des restrictions pour protéger la batterie. En effet, la tension du réseau est imposée par la ou les batteries qui « voient » donc toutes la même tension. De plus, le niveau de tension du réseau impacte l’état de charge de la ou des batteries. Celui-ci variant, les grandeurs électriques des batteries varient en conséquence. Enfin, dans une configuration avec une connexion directe, l’état de charge des batteries connectées au même réseau électrique est identique. Ce qui implique que, lors de la connexion d’une batterie supplémentaire sur le réseau électrique propulsif, les tensions doivent s’équilibrer et un fort courant circule entre les batteries au cours d’un régime dit transitoire susceptible de perturber ou de dégrader le fonctionnement des éléments du réseau. L’impact de ce régime transitoire peut être limité via l’utilisation de systèmes dédiés mais ceux-ci sont potentiellement lourds et volumineux. Une seconde approche est celle qui consiste à utiliser un convertisseur DC/DC à l’interface entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif. L’ajout d’un tel convertisseur DC/DC présente des avantages multiples. Premièrement, la tension de l’unité de stockage d’énergie électrique est découplée de celle du reste du réseau électrique propulsif, ce qui permet de maintenir un niveau de tension différent entre l'unité de stockage d'énergie et celle du bus HVDC. Deuxièmement, le convertisseur DC/DC peut être élévateur et/ou abaisseur de tension, c’est-à-dire qu’il peut permettre d’augmenter ou de diminuer la tension à sa sortie par rapport à celle que l’unité de stockage d’énergie électrique lui fournit en entrée. Troisièmement, lorsque le convertisseur DC/DC est du type réversible en courant, il est en outre possible de piloter le niveau énergétique, également appelé état de charge (correspondant à l'acronyme anglais SOC pour " State of Charge ") de l’unité de stockage d'énergie. Il est ainsi possible d’utiliser plusieurs unités de stockage en parallèle, chacune disposant de son convertisseur DC/DC, indépendantes les unes des autres, et qui chacune sont protégées des variations de courants. Il est aussi possible de connecter facilement une nouvelle unité de stockage d'énergie sans risquer de provoquer un régime transitoire potentiellement néfaste. Un tel convertisseur DC/DC à l’interface entre l’unité de stockage d’énergie électrique et le reste du réseau électrique propulsif permet aussi d’ajouter, le cas échéant, une propriété d’isolation galvanique (c’est-à-dire l’absence de liaison conductrice entre deux parties du réseau électrique). Le convertisseur DC/DC a alors une structure dite en ponts complets, par exemple une structure en ponts complets commandés connu sous l'appellation DAB, qui est l'acronyme de " Dual Active Bridge ". Toutefois, comme dit plus haut, la prise en compte de toutes ces propriétés a un coût en termes de masse, de volume, de rendement et de complexité du contrôle. En particulier, les convertisseurs DC/DC connus sont dimensionnés pour faire transiter la puissance totale de l’unité de stockage d’énergie électrique, ce qui implique nécessairement une masse importante des composants passifs et des calibres en courant/tensions (i.e. des capacités à faire transiter des courants/tensions) élevés suivant le cas d’utilisation. De plus, les rendements de tels systèmes dépassent rarement 90%. La présente invention propose une solution à ces inconvénients. À cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne un convertisseur DC/DC pour un réseau électrique propulsif d’aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique dudit réseau électrique propulsif, ledit convertisseur DC/DC comprenant un onduleur configuré pour fournir une première tension alternative à partir d’une tension continue d’entrée issue de l’unité de stockage d’énergie électrique, un transformateur configuré pour fournir au moins une seconde tension alternative à partir de la première tension alternative et un redresseur configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir de l’au moins une seconde tension alternative, ledit convertisseur DC/DC étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source de courant, connectée au redresseur et configurée pour contrôler la puissance transitant par l’intermédiaire dudit convertisseur DC/DC, en ce que le transformateur comporte un primaire et deux secondaires, les deux secondaires ayant une borne commune destinée à être connectée à un bus haute tension continue du réseau électrique propulsif et deux autres bornes connectées au redresseur, et en ce que le redresseur comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors en série chacun et connectés, d’une part, aux deux autres bornes du transformateur et, d’autre part, à la source de courant. Le convertisseur DC/DC selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - la source de courant comprend une inductance et une unité de stockage d’énergie électrique. - l’onduleur comprend une pluralité de transistors, de préférence quatre transistors de type MOSFET ou de type IGBT. - les transistors présentent une fréquence de découpage supérieure à quelques dizaines de kHz, avantageusement de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz. - le transformateur est configuré pour abaisser l’au moins une seconde tension alternative par rapport à la première tension alternative. - le transformateur est de type planaire ou de type bobiné. - le transformateur est configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire et les deux secondaires dudit transformateur. - le redresseur comprend quatre transistors avec deux transistors connectés en série à chaque secondaire du transformateur, lesdits transistors étant de type MOSFET. - les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes. - les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes. - des diodes, connectées en parallèle aux transistors, sont configurées pour protéger lesdits transistors de surtensions. - au moins un filtre, de préférence de type filtre RC, est connecté entre le transformateur et le redresseur. - un filtre, de préférence de type filtre RC, est connecté aux bornes de chaque bras du redresseur, en parallèle aux transistors. L’invention concerne également, selon un second aspect, un réseau électrique propulsif d’aéronef comprenant au moins une source thermoélectrique et une unité de stockage d’énergie électrique configurées pour fournir de l’énergie électrique à un bus haute tension continue destiné à alimenter des charges, ledit réseau électrique propulsif d’aéronef comprenant en outre un convertisseur DC/DC selon le premier aspect. Le réseau électrique propulsif selon l’invention peut comprendre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - l’unité de stockage d’énergie électrique est une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie. - le réseau électrique propulsif comprend en outre un contacteur configuré pour connecter directement, lorsqu’il est activé, un potentiel haut du bus haute tension continue avec un potentiel haut de l’unité de stockage d’énergie électrique. L’invention concerne enfin, selon un troisième aspect, un aéronef comprenant un réseau électrique propulsif selon le second aspect. Brève description des figures La présente invention sera mieux comprise et d’autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit d’un exemple donné à titre illustratif et non limitatif de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels : la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’une architecture propulsive hybride d’un aéronef selon l’art antérieur ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est une représentation schématique d’un mode de réalisation d’un convertisseur DC/DC d’un réseau électrique propulsif d’aéronef selon l’invention ; la est un exemple d’une séquence de commande de transistors d’un onduleur d’un convertisseur DC/DC selon l’invention et d’une tension alternative générée par l’onduleur en réponse à cette séquence de commande ; et la est un exemple de tensions obtenues aux bornes des deux bras d’un redresseur d’un convertisseur DC/DC selon l’invention à partir de la tension générée par l’onduleur dans l’exemple représenté à la . Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différents modes de réalisation ont les mêmes références dans les figures. Convertisseur DC/DC (209) pour un réseau électrique propulsif (201) d’aéronef destiné à être connecté en série avec une unité de stockage d’énergie électrique (205) dudit réseau électrique propulsif (201), ledit convertisseur DC/DC (209) comprenant un onduleur (401) configuré pour fournir une première tension alternative à partir d’une tension continue d’entrée issue de l’unité de stockage d’énergie électrique (205), un transformateur (403) configuré pour fournir au moins une seconde tension alternative à partir de la première tension alternative et un redresseur (405) configuré pour fournir une tension continue de sortie à partir de l’au moins une seconde tension alternative, ledit convertisseur DC/DC (209) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre une source de courant (417), connectée au redresseur (405) et configurée pour contrôler la puissance transitant par l’intermédiaire dudit convertisseur DC/DC (209), en ce que le transformateur (403) comporte un primaire (403a) et deux secondaires (403b, 403c), les deux secondaires (403b, 403c) ayant une borne commune (407) destinée à être connectée à un bus haute tension continue (207) du réseau électrique propulsif (201) et deux autres bornes (409, 411) connectées au redresseur (405), et en ce que le redresseur (405) comporte deux bras, comprenant au moins deux transistors (415a, 415b, 415c, 415d) en série chacun et connectés, d’une part, aux deux autres bornes (409, 411) du transformateur (403) et, d’autre part, à la source de courant (417). Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 1, dans lequel la source de courant (417) comprend une inductance (213) et une unité de stockage d’énergie électrique. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel l’onduleur (401) comprend une pluralité de transistors (413a, 413b, 413c, 413d), de préférence quatre transistors de type MOSFET ou de type IGBT. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 3, dans lequel les transistors (413a, 413b, 413c, 413d) présentent une fréquence de découpage supérieure à quelques dizaines de kHz, avantageusement de l'ordre ou supérieure à une centaine de kHz. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le transformateur (403) est configuré pour abaisser l’au moins une seconde tension alternative par rapport à la première tension alternative. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel le transformateur (403) est de type planaire ou de type bobiné. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel le transformateur (403) est configuré pour réaliser une isolation galvanique entre le primaire (403a) et les deux secondaires (403b, 403c) dudit transformateur (403). Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le redresseur (405) comprend quatre transistors (415a, 415b, 415c, 415d) avec deux transistors connectés en série à chaque secondaire du transformateur, lesdits transistors étant de type MOSFET. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 8, dans lequel les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont communes. Convertisseur DC/DC (209) selon la revendication 8, dans lequel les grilles des deux transistors connectés en série à chaque secondaire sont distinctes. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 8 à 10, dans lequel des diodes (419), connectées en parallèle aux transistors, sont configurées pour protéger lesdits transistors de surtensions. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel au moins un filtre (421), de préférence de type filtre RC, est connecté entre le transformateur et le redresseur. Convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel un filtre (421), de préférence de type filtre RC, est connecté aux bornes de chaque bras du redresseur (405), en parallèle aux transistors (415a, 415b, 415c, 415d). Réseau électrique propulsif (201) d’aéronef comprenant au moins une source thermoélectrique (203) et une unité de stockage d’énergie électrique (205) configurées pour fournir de l’énergie électrique à un bus haute tension continue (207) destiné à alimenter des charges, ledit réseau électrique propulsif (201) d’aéronef comprenant en outre un convertisseur DC/DC (209) selon l’une des revendications précédentes. Réseau électrique propulsif (201) d’aéronef selon la revendication 14, dans lequel l’unité de stockage d’énergie électrique (205) est une source de courant électrolytique, comme par exemple une supercapacité, ou une source de courant électrochimique, comme par exemple une batterie. Réseau électrique propulsif (201) d’aéronef selon l’une des revendications 14 ou 15, comprenant en outre un contacteur configuré pour connecter directement, lorsqu’il est activé, un potentiel haut du bus haute tension continue (207) avec un potentiel haut de l’unité de stockage d’énergie électrique (205). Aéronef comprenant un réseau électrique propulsif (201) selon l’une quelconque des revendications 14 à 16.