Brevet FR3143166A1 — publié le 20240614

Procédé de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol comprenant les étapes suivantes : charger (1) le plan de vol ; effectuer un calcul (2), mis à jour en temps réel, de prédiction de la consommation électrique de l'aéronef sur tous les points du plan de vol jusqu'à destination,.. Figure pour l’abrégé : [Fig.1] Procédé de modélisation et de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol L'invention porte sur un procédé de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol. Le rejet de dioxyde de carbone dans l’air est au cœur de toutes les problématiques, et l’aéronautique n’est pas en reste. Le carburant a longtemps été la seule source d’énergie, mais dans le contexte actuel, l’énergie électrique vient remettre en question le mode de fonctionnement des aéronefs. En attendant l’évolution de l’avion vers l’électrique, d’autres aéronefs sont déjà électriques, tels des drones. Ils évoluent rapidement et peuvent, notamment, s’immiscer dans des endroits dangereux, transporter des charges et à terme transporter des personnes. Les entreprises aéronautiques sont donc très ancrées dans l’industrie du drone en parallèle de l’évolution annoncée des avions vers l’électrique. Pour ces derniers, on a déjà eu le remplacement de l’hydraulique par l’électrique pour de nombreux systèmes avioniques. Pour certains avions, les moteurs sont déjà passés à l'électrique. Dans le domaine aérien, il existe des systèmes au sol ou embarqués dans des avions comme le système FMS pour acronyme de "Flight Management System" en langue anglaise, capables de calculer des prédictions de consommation de fuel sur un vol. Ces prédictions précises sont basées sur la performance de l’avion et sont calculées le long du plan de vol suivi par l'aéronef en utilisant le modèle de consommation de carburant des moteurs en fonction des vitesses et des caractéristiques de trainée de l’aéronef. Dans le domaine terrestre, il existe pour les voitures, des systèmes capables de calculer des prédictions de distance pouvant être parcourue avec le carburant restant dans le réservoir. Ces prédictions sont plus grossières dans la mesure où le plan de route est peu ou pas connu et où le système ne connaît pas les caractéristiques de la route suivie, notamment en termes de paliers, de montées ou de descentes. Pour un véhicule terrestre, le risque de ne plus avoir d’énergie pour continuer à avancer est un risque sans impact sécuritaire, qui se traduit par un arrêt potentiellement en rase campagne avec aucun moyen de recharger son véhicule en énergie. Un aéronef ne peut s'arrêter en vol et doit donc connaître avec précision sa réserve d’énergie et sa capacité à rejoindre un endroit où se poser en toute sécurité. Pour les véhicules terrestres électriques, des systèmes donnant des distances atteignables donnent des valeurs tout aussi approximatives que pour les véhicules à moteur thermique. Dans le domaine aérien, il existe un système le FMS capable de calculer des prédictions de consommation de carburant. L’alimentation électrique des aéronefs étant nouvelle, le problème est anticipé de façon empirique, tout d’abord en estimant la consommation horaire moyenne et la vitesse moyenne, ce qui déterminait un temps de vol et une distance de franchissement grossière et souvent conservative. En outre, cela crée le besoin de fonction de secours permettant d’interrompre le vol et poser l’aéronef en urgence. Il existe un document EP 3 104 122 A1 qui adresse un système de calcul de prédictions de consommation électrique mais sans aborder le problème de la modélisation de la batterie source d’énergie. Il n’existe pas de fonction de d'observation/d'alerte basé sur des prédictions électriques (faute de fiabilité de ces prédictions de consommation électrique). De même, il n’existe pas d’optimisation de la gestion de trajectoire basée sur des prédictions de consommation électrique. Les capacités actuelles de prédictions de consommation électriques pour un mobile ne sont pas précises en l’absence de modélisation détaillée de consommation électrique. Si elles sont acceptables pour un mobile terrestre, elles sont incompatibles avec les besoins d’un mobile aérien ou aéronef. L'estimation empirique fait donc qu’un drone n’est aujourd’hui exploité qu’avec une grosse marge de sécurité ce qui n'est vraiment pas optimal. Dans l'état de l'art, aucune solution n’existe pour envisager une planification et une gestion du vol optimisée en fonctionnement électrique. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un procédé de modélisation et de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol comprenant les étapes suivantes : charger le plan de vol ; effectuer un calcul, mis à jour en temps réel, de prédiction de la consommation électrique de l'aéronef sur tous les points du plan de vol jusqu'à destination, dans lequel : on calcule une trajectoire 2D ou 3D à N segments restant à voler à partir des N+1 points de passage du plan de vol restant à voler et de paramètres de fonctionnement et de l'environnement extérieur de l'aéronef ; on effectue itérativement, sur chaque segment i des N segments successifs de la trajectoire restant à voler : une estimation de la consommation d'énergie électrique consommée sur le segment courant i à partir d'une modélisation prédéterminée ; et on ajoute l'estimation de la consommation d'énergie électrique consommée sur le segment courant i à l'estimation de la consommation estimée sur l'ensemble des segments précédents. Selon un mode de mise en œuvre, la modélisation prédéterminée d'estimation de la consommation d'énergie électrique consommée sur un segment de trajectoire par l'aéronef dépend d'une puissance nécessaire estimée ("Compute Thrust Setting") d'alimentation du ou des moteurs électriques. Dans un mode de mise en œuvre, la modélisation prédéterminée d'estimation de la consommation d'énergie électrique consommée sur un segment de trajectoire par l'aéronef est le résultat d’une synthèse statistique de données de vols enregistrées, vols durant lesquels l’aéronef parcourt des segments spécifiques prédéfinis (palier, pentes constantes en montée ou descente, avec vitesse constante ou en accélération ou décélération) à différents régimes de puissance moteur, selon des conditions météorologiques préalablement définies (sans et avec vent de différentes intensités et directions, température variable haute ou basse). Selon un mode de mise en œuvre, les données de vol comprennent l'altitude de l'aéronef, et/ou la température statique de l’aéronef, et/ou la vitesse de l'aéronef, et/ou une puissance moteur alimentant des systèmes électriques autres que le moteur électrique. Dans un mode de mise en œuvre, la puissance nécessaire estimée d'alimentation du ou des moteurs électriques est le résultat d’une synthèse statistique de données de vols enregistrées, vols durant lesquels l’aéronef parcourt des segments spécifiques prédéfinis à différents régimes de puissance du moteur électrique, selon des conditions météorologiques prédéfinies. Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend une étape de calcul périodique mis à jour en temps réel, de l'énergie électrique restante en soustrayant à l'énergie électrique disponible la prédiction de consommation électrique jusqu'à destination. Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comprend une étape périodique de monitorage ou surveillance de l'énergie électrique restante, et une levée d'une alerte lorsque ladite énergie électrique restante est inférieure à un seuil limite de compatibilité avecl'objectif du plan de vol*. Selon un mode de mise en œuvre, le procédé comprend une étape d'optimisation de paramètres de fonctionnement ou d'environnement de l'aéronef, comprenant l'altitude et/ou la vitesse de l'aéronef et/ou le vent et/ou la température environnante, à partir de la prédiction de consommation électrique de l'aéronef jusqu'à destination, dépendant de paramètres météorologiques Dans un mode de réalisation, le procédé comprend, lorsque l'aéronef comprend également au moins un moteur thermique, une étape de calcul (10) mis à jour en temps réel, de carburant restant en soustrayant au carburant disponible la prédiction de consommation de carburant jusqu'à destination.. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par le dessin annexé sur lequel la illustre schématiquement un mode de mise en œuvre du procédé de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol, selon un aspect de l'invention. Sur l'ensemble des figures, les éléments ayant des références identiques sont similaires. La représente un mode de mise en œuvre du procédé de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol comprenant les étapes suivantes : charger 1 le plan de vol ; effectuer un calcul périodique 2, mis à jour en temps réel, de prédiction de la consommation électrique de l'aéronef jusqu'à destination, dans lequel : on calcule 3 une trajectoire 2D ou 3D à N segments restant à voler à partir des N+1 points de passage du plan de vol restant à voler et de paramètres de fonctionnement et de l'environnement extérieur de l'aéronef ; on effectue itérativement 4, 7, 8, sur chaque segment i des N segments successifs de la trajectoire restant à voler : une estimation 5 de la consommation d'énergie électrique consommée sur le segment courant i à partir d'une modélisation prédéterminée ; et on ajoute 6 l'estimation de la consommation d'énergie électrique consommée sur le segment courant i à l'estimation de la consommation estimée sur l'ensemble des segments précédents. Contrairement au carburant qui peut être considéré comme une énergie statique, lorsque la source d’énergie est de l'énergie électrique fournie par une batterie, elle devient dynamique. D’une part la décharge d’une batterie n’est pas linéaire, et d’autre part la batterie a sa propre performance qui dépend de paramètres de fonctionnement et d'environnement, comme la température ou la vétusté de ses composants. Aux connaissances requises précédemment, il faut ajouter la connaissance de la performance énergétique de la batterie. Le calcul de la consommation électrique sur un segment i de trajectoire est le résultat d’une synthèse statistique de données de vols enregistrées, vols durant lesquels l’aéronef parcourt des segments spécifiques prédéfinis à différents régimes de puissance du moteur électrique, selon des conditions météorologiques prédéfinies. Dans le cas d’une prédiction de consommation électrique, l'estimation est plus complexe que pour du carburant d'un moteur thermique. En effet, contrairement au carburant qui est une source d’énergie statique, la source d’énergie électrique, en l’occurrence une batterie, est une source dynamique. Le principe classique de consommation de carburant sur un segment de trajectoire utilise une puissance nécessaire estimée, pour un moteur thermique, à partir de paramètres comprenant le régime du moteur thermique, l'altitude, la vitesse ou mach, l'utilisation de puissance du moteur thermique pour des dispositifs annexes, tel le dégivrage et les différents circuits hydrauliques pour les servitudes systèmes et cabine, et d'une éventuelle panne d'un moteur en cas de présence d'au moins deux moteurs thermiques. A partir de cette puissance la quantité de carburant consommée sur le segment est calculée. Une simple soustraction permet de déterminer le carburant restant. L'énergie électrique disponible est une donnée fournie par le constructeur de la batterie, déduite à partir de mesures des paramètres électriques et physiques de la batterie (tension, impédance, intensité, température…). La quantité disponible d’énergie électrique, en d'autres termes la capacité de la batterie, dépend de la température ambiante qui peut dégrader sa capacité de maintien de l’énergie électrique, de sa vétusté qui peut dégrader sa capacité de stockage, et de la quantité d’énergie demandée (la décharge d’une batterie n’étant pas linéaire). La prise en compte de ce dernier paramètre souligne la nouveauté de la présente invention puisque l'énergie électrique utilisée ne vient pas simplement en soustraction de l'énergie disponible mais impacte indirectement la capacité de la batterie elle-même. Le passage à l'énergie électrique nécessite une phase transitoire voire un fonctionnement hybride comme les avions pour lesquels l’énorme énergie nécessaire pour décoller n’est pas gérable par des batteries alors que le maintien en vol une fois en l’air nécessite beaucoup moins d’énergie. Pour calculer des prédictions de consommation d’énergie sur un segment de trajectoire avec un moteur thermique, on établit une modélisation du moteur et de sa consommation de carburant en fonction de la puissance nécessaire pour parcourir ce segment. Pour un moteur électrique, on utilise la même démarche de modélisation de sa consommation d’énergie pour déterminer la puissance nécessaire pour parcourir un segment de trajectoire et sa consommation d’énergie associée. Mais pour calculer l'énergie restante, il faut passer par une modélisation de la batterie et de sa décharge en fonction de la demande d’énergie. Dans la présente invention, la modélisation de la décharge de la batterie est plus compliquée que le vidage d’un réservoir, car, par exemple, l’âge de la batterie peut être considéré comme un facteur de pénalité qui dégrade la consommation d’énergie. La température est plus un facteur de performance affectant le maintien du niveau de l’énergie restante au cours du temps. Enfin la demande d’énergie est le paramètre entrant mais dont le montant n'est pas simplement soustrait de la charge de la batterie mais agit indirectement sur la charge restante par le fait que la décharge électrique de la batterie n’est pas une fonction linéaire. La capacité à prédire (avec une précision chiffrée dépendant du modèle validé) la faisabilité du parcours envisagé à l’aide de la méthode proposée de prédiction de consommation électrique permet de mettre en œuvre les surveillances et niveaux d’alerte croissants suivants : alerte en temps réel, sur le moyen/long terme de la perte de faisabilité du parcours, liée à une autonomie insuffisante pour rejoindre la destination selon plan de vol (dont niveau de vol et vitesse) ; alerte sur le moyen/long terme en cas d’autonomie insuffisante pour rejoindre la destination selon une ligne directe en adoptant les vitesse/altitude en minimisant la consommation électrique ; alerte sur le court/moyen terme en cas d’autonomie insuffisante pour rejoindre chaque terrain successif de dégagement en ligne droite depuis la position courante ; alerte sur le court terme lorsque la charge de la batterie atteint un seuil minimum ; alerte sur le risque de ne pas pouvoir faire des patterns tactiques répétitifs (pour Recherche et Sauvetage – SAR- ou inspection par caméras) après calcul d’un temps maximum d'endurance ou "max endurance Time" en langue anglaise ; et alerte corollaire (dite "Bingo Battery") nécessitant d’interrompre la mission pour atterrir au plus vite. De même, la capacité à prédire la faisabilité du parcours envisagé permet de mettre en œuvre les différentes fonctions d’optimisation de consommation électriques suivantes : Points de non-retour entre chaque départ et destination puis entre chaque terrain de dégagement et terrain de dégagement suivant en fonction de la trajectoire, du vent et de la consommation batterie modélisée ; Optimisation de la meilleure altitude de vol compte tenu de la consommation électrique prédite et du vent prédit sur la route ; Choix de la trajectoire optimisant l’autonomie/la consommation de la batterie (dépendant notamment des vents, de la température et de la vitesse) ; Dans le cas de drone équipé de capteurs solaires pour recharger la batterie, optimisation de la route maximisant l'éclairement solaire ; La consommation dépendant de la vitesse, dépend du passage automatique en mode ECON (Vitesse de moindre consommation), dès la détection d'une réserve de la batterie basse (en-dessous d'un seuil) à destination avec la trajectoire et la vitesse courante ; En alternative, si la réserve électrique à destination prédite est en-dessous d’un seuil, on met en œuvre une recherche de la meilleure altitude optimisant le vent quitte à abandonner la mission si elle est prévue à une altitude fixe. La présente invention consiste à permettre de calculer des prédictions de consommation électrique aussi précises et fiables que celles actuellement fournies dans le cadre d’aéronefs à moteur thermique pour la consommation du carburant en tenant compte de la trajectoire à suivre. Elle permet de déduire à partir de paramètres d'environnement ou de vol (vent, température, pression) et de performances ou de fonctionnement de l'aéronef (trainée, poussée, puissance moteur, et énergie disponible en carburant ou électrique, l’âge de la batterie qui dégrade la performance de la batterie), la consommation d’énergie électrique le long de la trajectoire, et permet donc de fournir des prédictions précises en termes de consommation d’énergie électrique, ce qui apporte un bénéfice considérable et est un impératif pour connaître à tout instant la tenue de la mission (capacité à réaliser la mission et atteindre la destination en suivant la trajectoire planifiée). La présente invention permet, en temps réel, de monitorer ou surveiller et d’alerter sur une surconsommation due à un vent contraire par exemple et mettant en jeu le déplacement prévu. Elle permet également d’avertir le télé-pilote lorsque la charge de la batterie devient très faible. Ainsi, les opérateurs ne sont plus obligés de faire des estimations grossières sur la consommation électrique les obligeant à prendre des marges de sécurité très grandes sur le temps de déplacement pour compenser la non prise en compte de la météo courante (vents, température) et la dégradation de la batterie avec le temps. La présente invention peut dans un premier temps concerner le cas spécifique des drones, mais s'applique aussi à des aéronefs électriques. Elle peut trouver des applications dans bien d’autres domaines, comme : Pour les aéronefs à moteur électrique : Suivi de manifestations sportives (Tour de France, Paris-Dakar, etc…) depuis un drone ; Trajectoires des futurs taxi urbains ou aéronefs de transport civil électriques ; Suivi de navires ou de submersibles ; Surveillance d’infrastructures (chemins de fer, autoroutes, ligne électriques, frontières). Pour les voitures électriques ou les bateaux électriques. Procédé de modélisation et de prédiction de la consommation électrique d'un aéronef comprenant au moins un moteur électrique, le long d'un plan de vol comprenant les étapes suivantes : charger (1) le plan de vol ; effectuer un calcul (2), mis à jour en temps réel, de prédiction de la consommation électrique de l'aéronef sur tous les points du plan de vol jusqu'à destination, dans lequel : on calcule (3) une trajectoire 2D ou 3D à N segments restant à voler à partir des N+1 points de passage du plan de vol restant à voler et de paramètres de fonctionnement et de l'environnement extérieur de l'aéronef ; on effectue itérativement (4, 7, 8), sur chaque segment i des N segments successifs de la trajectoire restant à voler : une estimation (5) de la consommation d'énergie électrique consommée sur le segment courant i à partir d'une modélisation prédéterminée ; et on ajoute (6) l'estimation de la consommation d'énergie électrique consommée sur le segment courant i à l'estimation de la consommation estimée sur l'ensemble des segments précédents. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la modélisation prédéterminée d'estimation (5) de la consommation d'énergie électrique consommée sur un segment de trajectoire par l'aéronef dépend d'une puissance nécessaire estimée d'alimentation du ou des moteurs électriques. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la modélisation prédéterminée d'estimation (5) de la consommation d'énergie électrique consommée sur un segment de trajectoire par l'aéronef est le résultat d’une synthèse statistique de données de vols enregistrées, vols durant lesquels l’aéronef parcourt des segments spécifiques prédéfinis à différents régimes de puissance du moteur électrique, selon des conditions météorologiques prédéfinies. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les données de vol comprennent l'altitude de l'aéronef, et/ou la température statique de l'aéronef, et/ou la vitesse de l'aéronef, et/ou une puissance moteur alimentant des systèmes électriques autres que le moteur électrique. Procédé selon la revendication 4, dans lequel la puissance nécessaire estimée d'alimentation du ou des moteurs électriques est le résultat d’une synthèse statistique de données de vols enregistrées, vols durant lesquels l’aéronef parcourt des segments spécifiques prédéfinis à différents régimes de puissance du moteur électrique, selon des conditions météorologiques prédéfinies. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape de calcul périodique (9) mis à jour en temps réel, de l'énergie électrique restante en soustrayant à l'énergie électrique disponible la prédiction de consommation électrique jusqu'à destination. Procédé selon la revendication 6, comprenant une étape périodique de monitorage ou surveillance de l'énergie électrique restante, et une levée d'une alerte lorsque ladite énergie électrique restante est inférieure à un seuil limite de compatibilité avec l'objectif du plan de vol. Procédé selon la revendication 6 ou 7, comprenant une étape d'optimisation de paramètres de fonctionnement ou d'environnement de l'aéronef, comprenant l'altitude et/ou la vitesse de l'aéronef et/ou le vent et/ou la température environnante, à partir de la prédiction de consommation électrique de l'aéronef jusqu'à destination, dépendant de paramètres météorologiques. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant, lorsque l'aéronef comprend également au moins un moteur thermique, une étape de calcul (10) mis à jour en temps réel, de carburant restant en soustrayant au carburant disponible une prédiction de consommation de carburant jusqu'à destination.