EP4652105A1 - Procede de regulation de regime et dispositif de commande - Google Patents

Procede de regulation de regime et dispositif de commande

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Publication number
EP4652105A1
EP4652105A1 EP24702837.6A EP24702837A EP4652105A1 EP 4652105 A1 EP4652105 A1 EP 4652105A1 EP 24702837 A EP24702837 A EP 24702837A EP 4652105 A1 EP4652105 A1 EP 4652105A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrical
reserve
engine
speed
aircraft
Prior art date
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Pending
Application number
EP24702837.6A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Damien Jacques Arthur BONHOMME
Ana TRUC-HERMEL
Guillaume François Daniel BIDAN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Publication of EP4652105A1 publication Critical patent/EP4652105A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L15/00—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles
    • B60L15/20—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed
    • B60L15/2045—Methods, circuits, or devices for controlling the traction-motor speed of electrically-propelled vehicles for control of the vehicle or its driving motor to achieve a desired performance, e.g. speed, torque, programmed variation of speed for optimising the use of energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
    • B60L50/16—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines with provision for separate direct mechanical propulsion
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
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    • B64D27/33—Hybrid electric aircraft
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • B64D27/35—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage
    • B64D27/357—Arrangements for on-board electric energy production, distribution, recovery or storage using batteries
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/10—Air crafts

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of regulating aircraft engine assemblies, and more particularly engine assemblies comprising at least one electric machine and a combustion engine, in particular a gas turbine.
  • hybridization of aircraft engine assemblies requires the incorporation, in the aircraft, of on-board energy storage devices to provide the power to be introduced into the engine assembly through the electrical machine.
  • on-board energy storage devices may in particular take the form of rechargeable electric batteries, although other storage devices Energy storage, such as supercapacitors or flywheels, are also possible.
  • hybridization will normally further increase the electrical power draw from the engine assembly during operating phases not requiring electrical assistance, and in particular at slow speeds.
  • the present disclosure aims to propose a speed regulation method and a device for controlling an aircraft engine assembly, comprising at least one combustion engine and an electric machine mechanically coupled to the combustion engine and electrically connected to an onboard energy storage device of the aircraft, to enable electrical assistance to be provided to the motor assembly through the electric machine while taking into account the availability of the onboard energy storage device.
  • this method can comprise at least steps of comparing an electrical reserve required for engine assistance with an available electrical reserve and of controlling the speed of the engine assembly in operation. a difference between the electrical reserve required for motor assistance and the available electrical reserve.
  • the method may also include a step of estimating the electrical reserve required for engine assistance based on at least one current speed of the engine assembly.
  • at least one other operating parameter of the aircraft such as for example speed and/or altitude of the aircraft, can also be taken into account in the step of estimating the electrical reserve required for assistance. engine.
  • the speed of the engine assembly can be regulated so that the available electrical reserve can cover the electrical reserve that may be required for engine assistance at this speed.
  • the speed of the engine assembly may in particular remain an idle speed lower than a maximum nominal speed of the engine assembly, in particular equal to or less than 70% of said maximum nominal speed.
  • speed of the motor assembly we can understand a speed of rotation of a shaft of the motor assembly.
  • other definitions of the speed of the engine assembly are also possible: for example, the speed of the engine assembly can alternatively be defined in terms of thrust.
  • an increase in the speed of the engine assembly and/or a recharge of the on-board energy storage device can be ordered, during the speed change command, when the electrical reserve required for assistance motor is greater than the available electrical reserve.
  • the increase in the speed of the engine assembly may in particular be an increase towards a higher setpoint making it possible to reach a value of the electrical reserve required for engine assistance equal to or less than the available electrical reserve.
  • Recharging the on-board energy storage device makes it possible to increase the available electrical reserve, and can possibly be carried out without increasing the speed of the engine assembly, in particular when mechanical energy is drawn by the electrical machine from the combustion engine can be increased without increasing the engine speed.
  • the electrical reserve required for motor assistance may comprise a reserve of required electrical power and the available electrical reserve may comprise a reserve of available electrical power.
  • the method may comprise steps of estimating an electrical power that can be supplied by the on-board energy storage device based on a current state of charge of the on-board energy storage device, and calculation of the available electrical power reserve by subtracting electrical power consumed by electrical consumers of the aircraft from the electrical power that can be supplied by the on-board energy storage device.
  • the electrical reserve required for motor assistance may include a reserve of required electrical energy and the available electrical reserve includes a reserve of available electrical energy.
  • a reduction in the speed of the engine assembly can be ordered, during the speed change command, when the available electrical reserve is greater than the required electrical reserve.
  • the reduction in the speed of the engine assembly may in particular be a reduction towards a lower set point, where the electrical reserve required for motor assistance does not yet exceed the available electrical reserve, but which may remain at least equal to a lower operability limit. .
  • a fifth aspect concerns a control device adapted to implement the method according to any of the preceding aspects.
  • a sixth aspect concerns a computer program comprising instructions which lead the control device of the fifth aspect to implement the method of any of the preceding aspects.
  • a seventh aspect concerns an aircraft engine assembly comprising a control device according to the fourth aspect, the combustion engine, and the electric machine.
  • the combustion engine may be a gas turbine engine.
  • An eighth aspect concerns an aircraft comprising a motor assembly according to the seventh aspect, as well as an onboard energy storage device electrically connected to said electrical machine of the motor assembly and which may in particular be a rechargeable battery.
  • Figure 1 is a schematic representation of the electrical and control networks of an aircraft.
  • Figure 2 is a flowchart of a process for regulating the speed of an engine assembly of the aircraft of Figure 1.
  • Figure 3 is a flowchart of a speed increase subroutine in the method of Figure 2.
  • Figure 4 is a flowchart of a speed reduction subroutine in the method of Figure 2.
  • Figure 5 is a graph illustrating an example of evolution of speed, state of charge and electrical powers over time during execution of the method of Figure 2.
  • an aircraft 1 may comprise one or more engine assemblies 2, which may in particular each include at least one combustion engine 21, in particular in the form of a gas turbine engine, comprising at least one compressor 211, a turbine 212, a combustion chamber 213 arranged in an air stream between the compressor 211 and the turbine 212, and a rotating shaft 214 mechanically connecting the compressor 211 and the turbine 212.
  • a gas turbine engine may be a fan turbojet, comprising at least one other rotating shaft
  • fan turbojets or even gas turbine engines being also applicable to other types of gas turbine engines, such as turboprops or turboshafts, or even to other types of combustion engines, such as piston engines.
  • each motor assembly 2 can also comprise an electric machine 22 coupled to a rotary shaft of the combustion engine, such as for example to the rotary shaft 214.
  • This electric machine 22 can in particular be a motor-generator which can alternately draw electrical power from the motor assembly 2 or provide electrical assistance to the motor assembly 2.
  • This electric machine 22 can be electrically connected to an electrical network 3 of the aircraft 1, for example through a converter 31, which can in particular be an AC/DC converter as illustrated.
  • the aircraft 1 may also include one or more on-board energy storage devices 32, each also connected to the electrical network 3, for example through a converter 33, which may in particular be a DC/DC converter as illustrated.
  • These devices on-board energy storage devices 32 can in particular take the form of rechargeable batteries, configured to store energy electrochemically. However, other types of on-board energy storage devices are possible, alternatively to or in combination with rechargeable batteries, such as for example flywheels or supercapacitors.
  • the aircraft 1 can also include one or more electrical consumers 34 also connected to the electrical network 3.
  • each engine assembly 2 can also include a control device 23 connected to the combustion engine 21 as well as to the electric machine 22 in order to ensure regulation of the speed of the engine assembly 2.
  • This control device 23 can in particular take the form of an electronic control unit.
  • the control device 23 can be connected to the combustion engine 21 to control, for example, its fuel supply and/or the position of elements with variable geometry of the combustion engine 21, such as blades, vanes, discharge valves and/or nozzle.
  • the control device 23 can be connected to the electrical machine 22 to control the electrical power taken from or injected into the motor assembly 2 through the electrical machine 22.
  • the aircraft can comprise at least one other control device 35, which can be connected to the control device 23, to the converters 31, 33, to the on-board energy storage devices 32, and/or to the electrical consumers 34, in order to regulate the transfers of energy through the electrical network 3.
  • This other control device 35 can also take the form of an electronic control unit.
  • the control devices 23, 35 are presented here as two separate devices, it would also be possible to combine them into a single device, and in particular into a single electronic control unit.
  • the control device 23 can be adapted to implement a process for regulating the speed of the engine assembly 2, in particular for slowed speeds, both in flight and on the ground.
  • a cycle of this regulation process can include a step S10 of obtaining operating parameters of the engine assembly 2, or even of the aircraft 1. These operating parameters may in particular include the current speed N c of the motor assembly 2, but also other parameters such as temperature, pressure, speed, altitude, etc.
  • This step S10 can then be followed by a step S20 of estimating an electrical reserve required for possible electrical assistance of the motor assembly 2, through the electric machine, at these operating parameters, and in particular at the current speed. N c of the motor assembly 2.
  • This electrical assistance can for example respond to a sudden request for additional thrust, to the connection of an additional load to the motor assembly or to a breakdown such as a short circuit.
  • the electrical reserve required to be able to provide this electrical assistance in particular at the current speed N c of the motor assembly 2
  • This required electrical reserve may in particular include a reserve of electrical power required P ar for electrical assistance, but also, alternatively or in addition to this, a reserve of electrical energy required E ar to provide electrical assistance power, following a predetermined profile, during the entire duration of transient electrical assistance.
  • the regulation method can also include a step S30 of obtaining a current state of charge SOC of the energy storage device 32, followed by a step S40 of estimating an electrical power SOP that can be supplied by the onboard energy storage device 32 to this state of charge SOC.
  • This estimation can also be carried out from a correspondence table stored in a memory accessible by the control device 23, possibly through the control device 35.
  • the regulation method can also include a step S50 of obtaining an electrical consumption of the electrical consumers 34, which may include an electrical power P c occasionally consumed by the electrical consumers 34, but also, alternatively or in addition to this, an electrical energy E c consumed by the electrical consumers 34 for the entire duration of the transient electrical assistance, or even an additional reserve ER, and steps S40 and S50 can be followed by a step S60 for calculating an available electrical reserve.
  • This available electrical reserve may include an available electrical power reserve P d , which can for example be calculated by subtracting the electrical power P c consumed by the electrical consumers 34 from the electrical power SOP which can be supplied by the on-board storage device d. energy 32 at the current state of charge SOC.
  • the available electrical reserve may also include an available electrical energy reserve E d , which can for example be calculated by subtracting the electrical energy E c consumed by consumers electrical 34 for the entire duration of the transient electrical assistance, or even also of the additional reserve ER, of the current state of charge SOC.
  • E d available electrical energy reserve
  • Step S20 of estimating an electrical reserve required for electrical assistance and step S60 of calculating an electrical reserve actually available for this electrical assistance can be followed by a step S70 of comparing the required electrical reserve to the available electrical reserve P d . If the available electrical reserve is less than the required electrical reserve, that is to say, in the case illustrated, if the available electrical power reserve P d is lower than the required electrical power reserve P ar , and/or the available electrical energy reserve E d is less than the required electrical energy reserve E ar , a positive rebalancing subroutine S80 can be carried out.
  • the available electrical reserve is equal to or less than the required electrical reserve, that is to say, in the case illustrated, if the available electrical power reserve P d and the available electrical energy reserve E d are equal to or greater than, respectively, the required electrical power reserve P ar and the reserve of required electrical energy E ar , we can proceed to a negative rebalancing subroutine S90.
  • the positive rebalancing subroutine S80 can first include a step S81 of estimating a higher speed setpoint N sup so that the electrical power reserve P ar required for assistance motor becomes equal to or less than the available electrical power P d .
  • the same correspondence table as in the estimation step S20 can be used, although in the opposite direction.
  • the speed of the engine assembly 2 can be controlled in a speed increase step S82 so as to reach the upper setpoint N sup .
  • the positive rebalancing subroutine S80 may also include a recharge step S83 of the on-board energy storage device 32 with a surplus of electrical power generated by the electric machine 22, so as to increase the state of charge SOC of the on-board energy storage device 32 and, through this, the electrical power SOP which can be provided by the on-board energy storage device 32 and the electrical power P d available for motor assistance.
  • the negative rebalancing subroutine S90 may first comprise a substep S91 for estimating a lower speed setpoint N in f such as the electrical reserve required for assistance motor remains equal to or less than the available electrical reserve.
  • a substep S91 for estimating a lower speed setpoint N in f such as the electrical reserve required for assistance motor remains equal to or less than the available electrical reserve.
  • the same correspondence table as in estimation step S20 can also be used in the opposite direction, as in step S81.
  • a lower stop of operability N min can be estimated in a step S92 from the operating parameters of the engine assembly 2 and possibly of the aircraft 1.
  • a comparison step S93 the lower speed setpoint N in f estimated in step S91 can be compared to the lower operability stop N min .
  • step S91 If the lower speed setpoint N in f estimated in step S91 is lower than the lower operability stop N min , its value can be replaced, in a step S94, by that of the lower stop of operability N min . Then, in step S95, the lower speed setpoint N in f can be compared to the current speed N c of the engine assembly 2.
  • the speed of the motor assembly 2 can be controlled, in a speed reduction step S96, so as to decrease to the lower setpoint N in f, which, thanks to steps S93 and S94, will no longer be lower than the lower stop d operability Nmin- If the lower speed setpoint N in f is not lower than the current speed N c , the latter can be maintained.
  • Figure 5 illustrates an example of evolution of the current engine speed N c , of the electrical power reserve P ar required for engine assistance, of the state of charge SOC of the on-board energy storage device 32, of the electrical power SOP which can be supplied by the on-board energy storage device 32 and the electrical power P d available for motor assistance.
  • the electrical power P d available for motor assistance is initially lower than the electrical power reserve P ar required for motor assistance. Consequently, an increase in the current engine speed N c towards a lower setpoint N sup is commanded, so as to reduce the required electrical power reserve P ar and to make it fall below the available electrical power P d .
  • the recharging of the on-board energy storage device 32 is controlled until time t 2 , so as to thus increase its state of charge SOC, the electrical power SOP that can be supplied by it, and the electrical power P d available for motor assistance after deduction of the electrical power P c consumed by the electrical consumers 34.

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Abstract

La présente divulgation concerne un procédé de régulation de régime d'un ensemble moteur (2) d'aéronef (1). L'ensemble moteur (2) comprend au moins un moteur à combustion (21) et une machine électrique (22) couplée mécaniquement au moteur à combustion (21) et connectée électriquement à un dispositif embarqué de stockage d'énergie (32) de l'aéronef (1). Le procédé comprend des étapes de comparaison d'une réserve électrique requise pour assistance moteur avec une réserve électrique disponible, et de commande de régime de l'ensemble moteur (2) en fonction d'une différence entre la réserve de puissance électrique requise pour assistance moteur et la puissance électrique disponible. Cette divulgation concerne également un dispositif de commande (23) adapté à la mise en œuvre de ce procédé, ainsi que lesdits ensemble moteur (2) et aéronef (1) incorporant le dispositif de commande (23).

Description

Description
Titre de l'invention : Procédé de régulation de régime et dispositif de commande
Domaine Technique
[0001 ] La présente invention concerne le domaine technique de la régulation des ensembles moteurs d’aéronef, et plus particulièrement des ensembles moteurs comprenant au moins une machine électrique et un moteur à combustion, notamment à turbine à gaz.
Technique antérieure
[0002] Afin d’augmenter l’efficacité énergétique globale des moyens de transport, et diminuer leur consommation de carburant et leurs émissions d’effet de serre, on envisage une électrification croissante des ensembles moteurs. Dans le domaine de l’aviation, on constate tout d’abord une tendance à augmenter les prélèvements de puissance à travers de machines électriques incorporées dans les ensembles moteurs, notamment pour remplacer les prélèvements d’air pressurisé destinés à des dispositifs auxiliaires. En outre, de nombreux ensembles moteurs hybrides dans lesquels ces machines électriques ne servent pas uniquement à prélever de la puissance, mais aussi à l’introduire dans l’ensemble moteur afin de fournir une assistance au-delà du simple démarrage. Bien que ces ensembles moteurs hybrides aient le plus souvent été proposés pour les véhicules automobiles et incorporent des moteurs à pistons, l’hybridation des ensembles moteurs d’aéronef et plus particulièrement des ensembles moteurs incorporant un ou plusieurs moteurs à turbine à gaz a aussi été envisagée.
[0003] L’hybridation des ensembles moteurs d’aéronef impose l’incorporation, dans l’aéronef, de dispositifs embarqués de stockage d’énergie pour fournir la puissance à introduire dans l’ensemble moteur à travers la machine électrique. Ces dispositifs embarqués de stockage d’énergie peuvent notamment prendre la forme de batteries électriques rechargeables, quoique d’autres dispositifs de stockage d’énergie, comme par exemple les supercondensateurs ou les volants d’inertie, soient également envisageables. Afin de recharger ces dispositifs embarqués de stockage d’énergie, l’hybridation va normalement augmenter encore les prélèvements de puissance électrique sur l’ensemble moteur pendant des phases de fonctionnement n’exigeant pas d’assistance électrique, et notamment à des régimes ralentis.
[0004] Pendant les phases de régime ralenti au sol et en vol, il est normalement souhaitable de minimiser la poussée et donc le régime de l’ensemble moteur. Toutefois, ce régime est normalement contraint par des butées d’opérabilité de l’ensemble moteur et par des exigences de capacité de réponse à des fluctuations transitoires du prélèvement, tant dans le sens d’une diminution brusque (lâcher de charge) que dans celui d’une augmentation brusque, due par exemple à un court-circuit. La capacité des moteurs à combustion, et en particulier des moteurs à turbine à gaz, à encaisser ces fluctuations brusques augmente avec le régime moteur. Toutefois, leur consommation de carburant augmente alors aussi. En outre, une augmentation de régime moteur peut impliquer aussi une augmentation de poussée exercée sur l’aéronef, ce qui pourrait être indésirable dans certaines circonstances, par exemple dans des phases de descente.
[0005] Dans la publication de demande de brevet européen EP 3 845 750 A1 , un ensemble moteur a été proposé incorporant un moteur à turbine à gaz avec deux arbres rotatifs, ainsi qu’une machine électrique couplée à chacun des arbres rotatifs, et un procédé de distribution du prélèvement de puissance entre ces arbres rotatifs en fonction du régime moteur.
[0006] Dans la publication de demande de brevet français FR 3 097 012 A1 , il a été proposé d’utiliser l’hybridation de l’ensemble moteur pour améliorer sa réponse aux fluctuations de charge, en particulier aux régimes ralentis.
[0007] Dans la publication de demande internationale de brevet WO 2021/018524 A1 , il est proposé d’utiliser un dispositif embarqué de stockage d’énergie pour contribuer à réduire les fluctuations transitoires du prélèvement de puissance sur un ensemble moteur d’aéronef. [0008] Toutefois, la capacité d’un dispositif embarqué de stockage d’énergie à réduire les fluctuations transitoires du prélèvement de puissance sur un l’ensemble moteur d’aéronef va normalement dépendre de son état de charge.
Exposé de l’invention
[0009] La présente divulgation vise à proposer un procédé de régulation de régime et un dispositif de commande d’un ensemble moteur d’aéronef, comprenant au moins un moteur à combustion et une machine électrique couplée mécaniquement au moteur à combustion et connectée électriquement à un dispositif embarqué de stockage d’énergie de l’aéronef, pour permettre d’assurer une assistance électrique de l’ensemble moteur à travers la machine électrique tout en prenant compte de la disponibilité du dispositif embarqué de stockage d’énergie.
[0010] Pour cela, selon un premier aspect de cette divulgation, ce procédé peut comprendre au moins des étapes de comparaison d’une réserve électrique requise pour assistance moteur avec une réserve électrique disponible et de commande de régime de l’ensemble moteur en fonction d’une différence entre la réserve électrique requise pour assistance moteur et la réserve électrique disponible. Le procédé peut comporter en outre une étape d’estimation de la réserve électrique requise pour assistance moteur sur base d’au moins un régime courant de l’ensemble moteur. Par ailleurs, au moins un autre paramètre de fonctionnement de l’aéronef, comme par exemple vitesse et/ou altitude de l’aéronef, peut aussi être pris en compte dans l’étape d’estimation de la réserve électrique requise pour l’assistance moteur.
[0011] Ainsi, le régime de l’ensemble moteur peut être régulé de manière à ce que la réserve électrique disponible puisse couvrir la réserve électrique pouvant être requise pour l’assistance moteur à ce régime. Le régime de l’ensemble moteur peut en particulier rester un régime ralenti inférieur à un régime nominal maximal de l’ensemble moteur, en particulier égal ou inférieur à 70% dudit régime nominal maximal. On peut entendre par régime de l’ensemble moteur une vitesse de rotation d’un arbre de l’ensemble moteur. Toutefois, d’autres définitions du régime de l’ensemble moteur sont également envisageables : par exemple, le régime de l’ensemble moteur peut alternativement être défini en termes de poussée.
[0012] Suivant un deuxième aspect, une augmentation du régime de l’ensemble moteur et/ou une recharge du dispositif embarqué de stockage d’énergie peuvent être commandées, lors de la commande de changement de régime, quand la réserve électrique requise pour assistance moteur est supérieure à la réserve électrique disponible. L’augmentation du régime de l’ensemble moteur peut notamment être une augmentation vers une consigne supérieure permettant d’atteindre une valeur de la réserve électrique requise pour assistance moteur égale ou inférieure à la réserve électrique disponible. La recharge du dispositif embarqué de stockage d’énergie permet d’augmenter la réserve électrique disponible, et peut éventuellement s’effectuer sans augmenter le régime de l’ensemble moteur, en particulier quand un prélèvement d’énergie mécanique par la machine électrique sur le moteur à combustion peut être augmenté sans augmenter le régime moteur.
[0013] Suivant un troisième aspect, la réserve électrique requise pour assistance moteur peut comprendre une réserve de puissance électrique requise et la réserve électrique disponible peut comprendre une réserve de puissance électrique disponible. Dans ce cas, le procédé peut comprendre des étapes d’estimation d’une puissance électrique pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d’énergie sur base d’un état de charge courant du dispositif embarqué de stockage d’énergie, et de calcul de la réserve de puissance électrique disponible par soustraction d’une puissance électrique consommée par des consommateurs électriques de l’aéronef à la puissance électrique pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d’énergie. Toutefois, alternativement ou en complément à ces puissances, la réserve électrique requise pour assistance moteur peut comprendre une réserve d’énergie électrique requise et la réserve électrique disponible comprend une réserve d’énergie électrique disponible. Ainsi, il peut être obtenu que les besoins d’assistance électrique instantanée et pendant toute une durée d’une assistance transitoire puissent être couverts. [0014] Suivant un quatrième aspect, une réduction du régime de l’ensemble moteur peut être commandée, lors de la commande de changement de régime, quand la réserve électrique disponible est supérieure à la réserve de électrique requise. La réduction du régime de l’ensemble moteur peut notamment être une réduction vers une consigne inférieure, où la réserve électrique requise pour assistance moteur ne dépasse pas encore la réserve électrique disponible, mais qui peut rester au moins égale à une butée inférieure d’opérabilité.
[0015] Un cinquième aspect concerne un dispositif de commande adapté à mettre en oeuvre le procédé suivant l’un quelconque des aspects précédents.
[0016] Un sixième aspect concerne un programme informatique comprenant des instructions qui conduisent le dispositif de commande du cinquième aspect à mettre en oeuvre le procédé de l’un quelconque des aspects précédents.
[0017] Un septième aspect concerne un ensemble moteur d’aéronef comprenant un dispositif de commande suivant le quatrième aspect, le moteur à combustion, et la machine électrique. Le moteur à combustion peut être un moteur à turbine à gaz.
[0018] Un huitième aspect concerne un aéronef comportant un ensemble moteur suivant le septième aspect, ainsi qu’un dispositif embarqué de stockage d’énergie connecté électriquement à ladite machine électrique de l’ensemble moteur et pouvant notamment être une batterie rechargeable.
Brève description des dessins
[0019] [Fig. 1] La figure 1 est une représentation schématique de réseaux électrique et de commande d’un aéronef.
[0020] [Fig. 2] La figure 2 est un logigramme d’un procédé de régulation de régime d’un ensemble moteur de l’aéronef de la figure 1 .
[0021] [Fig. 3] La figure 3 est un logigramme d’une sous-routine d’augmentation de régime dans le procédé de la figure 2.
[0022] [Fig. 4] La figure 4 est un logigramme d’une sous-routine de réduction de régime dans le procédé de la figure 2. [0023] [Fig. 5] La figure 5 est un graphique illustrant un exemple d’évolution de régime, état de charge et puissances électriques dans le temps lors de l’exécution du procédé de la figure 2.
Description des modes de réalisation
[0024] Comme illustré sur la figure 1 , un aéronef 1 peut comprendre un ou plusieurs ensembles moteurs 2, qui peuvent notamment inclure chacun au moins un moteur à combustion 21 , en particulier sous forme de moteur à turbine à gaz, comprenant au moins un compresseur 211 , une turbine 212, une chambre de combustion 213 disposée dans une veine d’air entre le compresseur 211 et la turbine 212, et un arbre rotatif 214 reliant mécaniquement le compresseur 211 et la turbine 212. En particulier, comme illustré, un tel moteur à turbine à gaz peut être un turboréacteur à soufflante, comprenant au moins un autre arbre rotatif
215 concentrique à l’arbre rotatif 214 et reliant mécaniquement une autre turbine
216 en aval de la turbine 212 à un autre compresseur 217 en amont du compresseur 211 , ainsi que, éventuellement à travers un réducteur 218, à une soufflante 219, qui peut être carénée ou non-. Toutefois, la présente divulgation n’est pas limitée aux turboréacteurs à soufflante ou même aux moteurs à turbine à gaz, étant également applicable à d’autres types de moteur à turbine à gaz, comme les turbopropulseurs ou les turbomoteurs, voire même à d’autres types de moteurs à combustion, comme les moteurs à pistons.
[0025] Comme également illustré sur la figure 1 , chaque ensemble moteur 2 peut également comprendre une machine électrique 22 couplée à un arbre rotatif du moteur à combustion, comme par exemple à l’arbre rotatif 214. Cette machine électrique 22 peut notamment être un moteur-générateur pouvant alternativement prélever une puissance électrique sur l’ensemble moteur 2 ou apporter une assistance électrique à l’ensemble moteur 2. Cette machine électrique 22 peut être électriquement connectée à un réseau électrique 3 de l’aéronef 1 , par exemple à travers un convertisseur 31 , qui peut notamment être un convertisseur AC/DC comme illustré. L’aéronef 1 peut aussi comprendre un ou plusieurs dispositifs embarqués de stockage d’énergie 32, chacun connecté aussi au réseau électrique 3, par exemple à travers un convertisseur 33, qui peut notamment être un convertisseur DC/DC comme illustré. Ces dispositifs embarqués de stockage d’énergie 32 peuvent notamment prendre la forme de batteries rechargeables, configurées pour stocker l’énergie de manière électrochimique. Toutefois, d’autres types de dispositifs embarqués de stockage d’énergie sont envisageables, alternativement à ou en combinaison avec les batteries rechargeables, comme par exemple les volants d’inertie ou les supercondensateurs. En outre, l’aéronef 1 peut aussi comprendre un ou plusieurs consommateurs électriques 34 connectés aussi au réseau électrique 3.
[0026] Comme également illustré sur la figure 1 , chaque ensemble moteur 2 peut également comprendre un dispositif de commande 23 connecté au moteur à combustion 21 ainsi qu’à la machine électrique 22 afin d’assurer la régulation du régime de l’ensemble moteur 2. Ce dispositif de commande 23 peut notamment prendre la forme d’une unité électronique de commande. Le dispositif de commande 23 peut être connecté au moteur à combustion 21 pour commander par exemple son alimentation en carburant et/ou la position d’éléments à géométrie variable du moteur à combustion 21 , tels que pales, aubes, clapets de décharge et/ou tuyère. En outre, le dispositif de commande 23 peut être connecté à la machine électrique 22 pour commander la puissance électrique prélevée de ou injectée dans l’ensemble moteur 2 à travers la machine électrique 22. Par ailleurs, l’aéronef peut comprendre au moins un autre dispositif de commande 35, qui peut être connecté au dispositif de commande 23, aux convertisseurs 31 , 33, aux dispositifs embarqués de stockage d’énergie 32, et/ou aux consommateurs électriques 34, afin de réguler les transferts d’énergie à travers le réseau électrique 3. Cet autre dispositif de commande 35 peut aussi prendre la forme d’une unité électronique de commande. Par ailleurs, bien que les dispositifs de commande 23, 35 soient présentés ici comme deux dispositifs distincts, il serait également envisageable de les combiner en un seul dispositif, et notamment en une seule unité électronique de commande.
[0027] Le dispositif de commande 23 peut être adapté pour mettre en oeuvre un procédé de régulation de régime de l’ensemble moteur 2, en particulier pour les régimes ralentis, tant en vol qu’au sol.
[0028] Ainsi, comme illustré sur la Fig. 2, un cycle de ce procédé de régulation, qui peut être répété régulièrement, peut comporter une étape S10 d’obtention de paramètres de fonctionnement de l’ensemble moteur 2, voire de l’aéronef 1 . Ces paramètres de fonctionnement peuvent notamment comprendre le régime courant Nc de l’ensemble moteur 2, mais aussi d’autres paramètres tels que température, pression, vitesse, altitude, etc. Cette étape S10 peut alors être suivie d’une étape S20 d’estimation d’une réserve électrique requise pour une éventuelle assistance électrique de l’ensemble moteur 2, à travers la machine électrique, à ces paramètres de fonctionnement, et notamment au régime courant Nc de l’ensemble moteur 2. Cette assistance électrique peut par exemple répondre à une brusque demande de poussée supplémentaire, à la connexion d’une charge supplémentaire à l’ensemble moteur ou à une panne telle qu’un court-circuit. Dans l’étape d’estimation S20, la réserve électrique requise pour être en mesure d’assurer cette assistance électrique, en particulier au régime courant Nc de l’ensemble moteur 2, peut par exemple être estimée à partir d’un tableau de correspondances stocké dans une mémoire accessible par le dispositif de commande 23 et contenant des correspondances prédéfinies entre des différentes valeurs de la réserve électrique requise et d’au moins le régime courant Nc de l’ensemble moteur 2. Cette réserve électrique requise peut notamment comporter une réserve de puissance électrique requise Par pour l’assistance électrique, mais aussi, alternativement ou en complément à celle-ci, une réserve d’énergie électrique requise Ear pour fournir une puissance d’assistance électrique, suivant un profil prédéterminé, pendant toute la durée d’une assistance électrique transitoire.
[0029] Comme illustré sur la Fig. 2, le procédé de régulation peut également comprendre une étape S30 d’obtention d’un état de charge courant SOC du dispositif de stockage d’énergie 32, suivie d’une étape S40 d’estimation d’une puissance électrique SOP pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 à cet état de charge SOC. Cette estimation peut également être effectuée à partir d’un tableau de correspondances stocké dans une mémoire accessible par le dispositif de commande 23, éventuellement à travers le dispositif de commande 35. Le procédé de régulation peut aussi comprendre une étape S50 d’obtention d’une consommation électrique des consommateurs électriques 34, qui peut comprendre une puissance électrique Pc consommée ponctuellement par les consommateurs électriques 34, mais aussi, alternativement ou en complément à celle-ci, une énergie électrique Ec consommée par les consommateurs électriques 34 pendant toute la durée de l’assistance électrique transitoire, voire même une réserve supplémentaire ER, et les étapes S40 et S50 peuvent être suivies par une étape S60 de calcul d’une réserve électrique disponible. Cette réserve électrique disponible peut comprendre une réserve de puissance électrique disponible Pd, qui peut par exemple être calculée par soustraction de la puissance électrique Pc consommée par les consommateurs électriques 34 à la puissance électrique SOP pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 à l’état de charge courant SOC. Alternativement ou en complément à la réserve de puissance électrique disponible Pd, la réserve électrique disponible peut aussi comprendre une réserve d’énergie électrique disponible Ed, qui peut par exemple être calculée par soustraction de l’énergie électrique Ec consommée par les consommateurs électriques 34 pendant toute la durée de l’assistance électrique transitoire, voire même aussi de la réserve supplémentaire ER, de l’état de charge courant SOC. Bien que plusieurs des étapes S10 à S60 soient illustrées comme étant effectuées en parallèle, il est également envisageable d’en effectuer au moins une partie de manière séquentielle.
[0030] L’étape S20 d’estimation d’une réserve électrique requise pour assistance électrique et l’étape S60 de calcul de calcul d’une réserve électrique effectivement disponible pour cette assistance électrique peuvent être suivies d’une étape S70 de comparaison de la réserve de électrique requise à la réserve électrique disponible Pd. Si la réserve électrique disponible est inférieure à la réserve électrique requise, c’est-à-dire, dans le cas illustré, si la réserve de puissance électrique disponible Pd est inférieure à la réserve de puissance électrique requise Par, et/ou la réserve d’énergie électrique disponible Ed est inférieure à la réserve d’énergie électrique requise Ear, on peut procéder à une sous-routine S80 de rééquilibrage positif. Par contre, si réserve électrique disponible est égale ou inférieure à la réserve électrique requise, c’est-à-dire, dans le cas illustré, si la réserve de puissance électrique disponible Pd et la réserve d’énergie électrique disponible Ed sont égales ou supérieures à, respectivement, la réserve de puissance électrique requise Par et la réserve d’énergie électrique requise Ear, on peut procéder à une sous-routine S90 de rééquilibrage négatif.
[0031 ] Comme illustré sur la figure 3, la sous-routine S80 de rééquilibrage positif peut comprendre d’abord une étape S81 d’estimation d’une consigne supérieure de régime Nsup pour que la réserve de puissance électrique Par requise pour assistance moteur devienne égale ou inférieure à la puissance électrique disponible Pd. Pour cela, le même tableau de correspondances que dans l’étape d’estimation S20 peut être utilisé, quoiqu’on sens inverse. Ensuite, le régime de l’ensemble moteur 2 peut être commandé dans une étape S82 d’augmentation de régime de manière à atteindre la consigne supérieure Nsup. Alternativement ou en complément à l’étape S81 d’estimation de la consigne supérieure de régime Nsup et/ou à l’étape S82 d’augmentation de régime, la sous-routine S80 de rééquilibrage positif peut comprendre aussi une étape S83 de recharge du dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 avec un surplus de puissance électrique généré par la machine électrique 22, de manière à augmenter l’état de charge SOC du dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 et, par ce biais, la puissance électrique SOP pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 et la puissance électrique Pd disponible pour l’assistance moteur.
[0032] Comme illustré sur la figure 4, la sous-routine S90 de rééquilibrage négatif peut comprendre d’abord une sous-étape S91 d’estimation d’une consigne inférieure de régime Ninf telle que la réserve de électrique requise pour assistance moteur reste égale ou inférieure à la réserve électrique disponible. Pour cela, le même tableau de correspondances que dans l’étape d’estimation S20 peut aussi être utilisé en sens inverse, comme dans l’étape S81 . En parallèle, une butée inférieure d’opérabilité Nmin peut être estimée dans une étape S92 à partir des paramètres de fonctionnement de l’ensemble moteur 2 et éventuellement de l’aéronef 1 . Ensuite, dans une étape S93 de comparaison, la consigne inférieure de régime Ninf estimée dans l’étape S91 peut être comparée à la butée inférieure d’opérabilité Nmin. Si la consigne inférieure de régime Ninf estimée dans l’étape S91 est inférieure à la butée inférieure d’opérabilité Nmin, sa valeur peut être remplacée, dans une étape S94, par celle de la butée inférieure d’opérabilité Nmin. Ensuite, dans l’étape S95, la consigne inférieure de régime Ninf peut être comparée au régime courant Nc de l’ensemble moteur 2. Si la consigne inférieure de régime Ninf est inférieure au régime courant Nc le régime de l’ensemble moteur 2 peut être commandé, dans une étape S96 de réduction de régime, de manière à diminuer jusqu’à la consigne inférieure Ninf, laquelle, grâce aux étapes S93 et S94, ne sera plus inférieure à la butée inférieure d’opérabilité Nmin- Si la consigne inférieure de régime Ninf n’est pas inférieure au régime courant Nc, ce dernier pourra être maintenu.
[0033] La figure 5 illustre un exemple d’évolution du régime moteur courant Nc, de la réserve de puissance électrique Par requise pour assistance moteur, de l’état de charge SOC du dispositif embarqué de stockage d’énergie 32, de la puissance électrique SOP pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 et de la puissance électrique Pd disponible pour l’assistance moteur. Dans cet exemple, à l’instant initial t0, la puissance électrique Pd disponible pour l’assistance moteur est initialement inférieure à la réserve de puissance électrique Par requise pour assistance moteur. En conséquence, une augmentation du régime moteur courant Nc vers une consigne inférieure Nsup est commandée, de manière à réduire la réserve de puissance électrique requise Par et à la faire passer en dessous de la puissance électrique disponible Pd. Quand le régime moteur courant Nc atteint la consigne supérieure Nsup à l’instant ti, la recharge du dispositif embarqué de stockage d’énergie 32 est commandée jusqu’à l’instant t2, de manière à augmenter ainsi son état de charge SOC, la puissance électrique SOP pouvant être fournie par celui-ci, et la puissance électrique Pd disponible pour l’assistance moteur après déduction de la puissance électrique Pc consommée par les consommateurs électriques 34. Ainsi, à l’instant t3, lors d’un cycle subséquent du procédé de régulation, la puissance électrique disponible Pd pour l’assistance moteur étant devenue largement supérieure à la réserve de puissance électrique requise Par, une réduction du régime moteur courant Nc vers une consigne inférieure Ninf qui peut être égale ou inférieure à une butée inférieure d’opérabilité Nmin, pourra être commandée, mais sans que la réserve de puissance électrique requise Par n’excède la puissance électrique disponible Pd à l’instant t4 subséquent. [0034] Quoique la présente invention ait été décrite en se référant à des exemples de réalisation spécifiques, il est évident que des différentes modifications et changements peuvent être effectués sur ces exemples sans sortir de la portée générale de l'invention telle que définie par les revendications. En outre, des caractéristiques individuelles des différents modes de réalisation évoqués peuvent être combinées dans des modes de réalisation additionnels. Par conséquent, la description et les dessins doivent être considérés dans un sens illustratif plutôt que restrictif.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Procédé de régulation d'un ensemble moteur (2) d'aéronef (1), dans lequel l'ensemble moteur (2) comprend au moins un moteur à combustion (21) et une machine électrique (22) couplée mécaniquement au moteur à combustion (21) et connectée électriquement à un dispositif embarqué de stockage d'énergie (32) de l'aéronef (1), le procédé comprenant au moins les étapes suivantes :
- comparaison (S70) d'une réserve électrique requise pour assistance moteur avec une réserve électrique disponible, et
- commande de régime de l'ensemble moteur (2) en fonction d'une différence entre la réserve électrique requise pour assistance moteur et la réserve électrique disponible ; le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape d'estimation (S20) de la réserve électrique requise pour assistance moteur sur base d'au moins un régime courant (Nc) de l'ensemble moteur (2).
[Revendication 2] Procédé suivant la revendication 1, dans lequel au moins un autre paramètre de fonctionnement de l'aéronef (1) est aussi pris en compte dans l'étape d'estimation (S20) de la réserve électrique requise pour assistance moteur.
[Revendication 3] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à
2, dans lequel une augmentation (S82) de régime de l'ensemble moteur (2) et/ou une recharge (S83) du dispositif embarqué de stockage d'énergie (32) sont commandées, quand la réserve électrique requise pour assistance moteur est supérieure à la réserve électrique disponible.
[Revendication 4] Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à
3, dans lequel la réserve électrique requise pour assistance moteur comprend une réserve de puissance électrique requise (Par) et la réserve électrique disponible comprend une réserve de puissance électrique disponible (Pd).
[Revendication 5] Procédé suivant la revendication 4, comprenant en outre les étapes suivantes : - estimation (S40) d'une puissance électrique (SOP) pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d'énergie (32) sur base d'un état de charge courant (SOC) du dispositif embarqué de stockage d'énergie (32),
- calcul (S50) de la réserve de puissance électrique disponible (Pd) par soustraction d'une puissance électrique consommée (Pc) par des consommateurs électriques (34) de l'aéronef (1) à la puissance électrique (SOP) pouvant être fournie par le dispositif embarqué de stockage d'énergie (32).
[Revendication 6] Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la réserve électrique requise pour assistance moteur comprend une réserve d'énergie électrique requise (Ear) et la réserve électrique disponible comprend une réserve d'énergie électrique disponible (Ed).
[Revendication 7] Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une réduction (S96) du régime de l'ensemble moteur (2) est commandée, quand la réserve électrique disponible est supérieure à la réserve électrique requise.
[Revendication 8] Procédé suivant la revendication 7, dans lequel la réduction (S96) du régime de l'ensemble moteur (2) est une réduction vers une consigne inférieure (Ninf), où la réserve électrique requise pour assistance moteur ne dépasse pas encore la réserve électrique disponible.
[Revendication 9] Procédé suivant la revendication 8, dans lequel ladite consigne inférieure (Ninf) du régime de l'ensemble moteur (2) reste au moins égale à une butée inférieure d'opérabilité (Nmin).
[Revendication 10] Dispositif de commande (23) adapté à mettre en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.
[Revendication 11] Programme informatique comprenant des instructions qui conduisent le dispositif de commande de la revendication 10 à exécuter les étapes du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9.
[Revendication 12] Ensemble moteur (2) d'aéronef (1) comprenant un dispositif de commande (23) suivant la revendication 10, le moteur à combustion (21), et la machine électrique (22).
[Revendication 13] Ensemble moteur (2) d'aéronef suivant la revendication 12, dans lequel le moteur à combustion (21) est un moteur à turbine à gaz.
[Revendication 14] Aéronef (1) comportant un ensemble moteur (2) suivant l'une quelconque des revendications 12 et 13, ainsi que le dispositif embarqué de stockage d'énergie (32).
[Revendication 15] Aéronef (1) suivant la revendication 14, dans lequel le dispositif embarqué de stockage d'énergie (32) est une batterie rechargeable.
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