FR2936220A1

FR2936220A1 - Power distribution system for airplane, has recuperative electrical energy storage units constituted by supercapacitors that are arranged at location of batteries, where supercapacitors are associated to ram air turbine

Info

Publication number: FR2936220A1
Application number: FR0856384A
Authority: FR
Inventors: Philippe Tatry; Christian Donadille
Original assignee: Airbus Operations SAS; Airbus SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2008-09-23
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2010-03-26
Anticipated expiration: 2028-09-23
Also published as: FR2936220B1

Abstract

The system has an alternating current generator (20), an auxiliary generation unit e.g. set of batteries and ram air turbine, and recuperative electrical energy storage units constituted by supercapacitors (31) that are arranged at a location of the batteries. The supercapacitors are associated to the ram air turbine, and the batteries start an auxiliary power unit when an aircraft is in flight. The supercapacitors are connected to a common point between an output of an alternating current-direct current transformer (26) and an input of a switch (27). An independent claim is also included for a method for distributing power in an aircraft.

Description

1 SYSTEME ET PROCEDE DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE D'UN AERONEF 1 SYSTEM AND METHOD FOR ELECTRICAL DISTRIBUTION OF AN AIRCRAFT

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système et un 5 procédé de distribution électrique d'un aéronef, par exemple d'un avion. Dans la suite, pour simplifier la description, on considère à titre d'exemple le cas de l'avion. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE En termes de stockage et de distribution de puissance, un avion doit faire face à différents problèmes techniques. Un des problèmes techniques parmi 15 les plus significatifs est celui posé par les équipements électriques qui sont soit de fort consommateurs de puissance électrique par exemple démarreur moteur, soit de fort générateurs de puissance électrique, par exemple turbine RAT ( Ram 20 Air Turbine ou turbine éolienne), unité APU ( Auxiliary Power Unit ou unité de puissance auxiliaire), qui ont une durée de fonctionnement faible et dont les dimensions ne tirent pas profit des ressources d'énergie électrique récupérable à bord de 25 l'avion. L'objet de l'invention est d'apporter une solution efficace et performante à un tel problème. 2 Dans le domaine des transports avec des véhicules électriques, comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description, il est connu d'utiliser des supercapacités (aussi appelées ultracapacités ) permettant d'emmagasiner une énergie importante et de la restituer en un temps très court. Les supercapacités, en effet, sont des capacités possédant d'importantes performances de stockage allant jusqu'à plusieurs kilofarads avec une tension de quelques volts par élément. Comme illustré sur la figure 1, elles comportent deux électrodes positive 10 et négative 11 et un électrolyte 12. Elles stockent l'énergie électrique de manière électrostatique via deux électrodes et un électrolyte. Sur cette figure sont illustrés les ions+ 13 et les ions- 14. Les supercapacités présentent de nombreux avantages, dont les plus significatifs sont : - une très grande capacité de stockage de puissance notamment du fait de la très faible valeur de la Résistance Série Equivalente (ESR ou Electrical Serial Resistance ) pouvant aller jusqu'à moins d'un milliohm : les supercapacités permettent aussi de stocker plusieurs dizaines de kilowatt par kilogramme de supercapacité, une possibilité de répondre à d'importants pics en demande de puissance, - un taux de charge/décharge beaucoup plus important que celui des batteries par exemple : ceci est essentiellement dû à l'absence de réaction chimique et donc à la grande réversibilité des mécanismes de stockage d'énergie électrique, 3 une très faible dégradation des performances même après plusieurs centaines de milliers de cycles, une énergie disponible très rapidement via un procédé réversible ; contrairement aux batteries qui s'endommagent si les vitesses de charge sont trop importantes, une large gamme de température de fonctionnement autorisée (de l'ordre de -40°C à +70°C 10 voire +85°C), une non sensibilité aux vibrations, une herméticité de l'enveloppe, des densités de stockage de la puissance par unité de masse des supercapacités qui augmentent 15 très rapidement avec les progrès actuels issus notamment des nanotechnologies, qui permettent d'augmenter considérablement les surfaces de stockage des charges électriques (i.e. plusieurs centaines de m2/g) et de diminuer les distances entre charges 20 électriques (i.e. densités de stockage multipliées par 3 en 8 ans ; entre 1998 et 2006, ...) . L'objet de l'invention est en oeuvre de telles supercapacités dans leur était étranger à savoir celui de 25 électrique à bord problème technique permettant de stocker et d'utiliser l'énergie électrique récupérable pour alimenter les équipements électriques rarement utilisés sur l'ensemble du profil 30 de mission de l'aéronef. donc de mettre un domaine qui la distribution d'un mis aéronef, pour résoudre le en évidence ci-dessus, en EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de distribution électrique d'un aéronef comprenant au moins une source électrique et au moins un moyen auxiliaire de génération électrique, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de stockage de l'énergie électrique récupérable comportant au moins un ensemble de supercapacités. Dans un premier mode de réalisation, le moyen de génération auxiliaire comprend des batteries qui permettent de démarrer l'APU lorsque l'avion est en vol. L'utilisation de supercapacités à la place de ces batteries permet d'éviter la baisse de tension liée à un très fort appel de courant lors du démarrage de l'APU, qui peut être préjudiciable aux autres charges. Dans un deuxième mode de réalisation, le moyen de génération auxiliaire est la turbine RAT. Les supercapacités associées à cette turbine permettent, lors d'une mise en oeuvre de cette turbine RAT, de maintenir une alimentation électrique pendant les 7 à 8 secondes pendant lesquelles l'avion n'a plus de génération électrique et d'absorber les pics de puissance lorsque la turbine RAT est en service. Avantageusement, le système comprend un bus continu haute tension, qui permet de supprimer le convertisseur statique utilisé dans l'art antérieur. L'invention concerne également un procédé de distribution électrique d'un aéronef dans un système comprenant au moins une source électrique et au moins un moyen auxiliaire de génération électrique, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de stockage 4 de l'énergie électrique récupérable à l'aide d'au moins un ensemble de supercapacités. Le système et le procédé de l'invention permettent de simplifier, voire de supprimer, le 5 dimensionnement de certains équipements électriques qui sont soit de fort consommateurs de puissance électrique (e.g. démarreur moteur, ...), soit de fort générateurs de puissance électrique (e.g. RAT, APU, ...) et qui ont une durée de fonctionnement faible, en tirant profit des ressources d'énergie électrique récupérable à bord de l'avion. Les avantages induits du système et du procédé de l'invention sont les suivants : - récupération de l'énergie électrique par les supercapacités pendant les phases de faibles demandes (i . e . durant la majorité du temps de la phase de mission), - stockage de cette énergie électrique par les supercapacités en vue de la renvoyer sur le réseau de distribution sous forme de forte puissance lors d'une demande ponctuelle (i.e. pendant une durée limitée), - simplification de certains dispositifs de génération de puissance électrique telles que turbine 25 RAT ou unité APU. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - la figure 1 est une représentation schématique d'une supercapacité, 6 - les figures 2 et 3 illustrent deux modes de réalisation du système de distribution électrique de l'invention, - la figure 4 illustre une réalisation de l'art connu correspondant au mode de réalisation de la figure 3. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système de distribution électrique d'un aéronef selon l'invention comprend au moins une source électrique et au moins un moyen auxiliaire de génération électrique, et des moyens de stockage de l'énergie électrique récupérable comportant au moins un ensemble de supercapacités. TECHNICAL FIELD The invention relates to a system and method for the electrical distribution of an aircraft, for example an aircraft. In the following, to simplify the description, we consider as an example the case of the aircraft. STATE OF THE PRIOR ART In terms of power storage and distribution, an aircraft has to face various technical problems. One of the most significant technical problems is that posed by electrical equipment which is either of high electrical power consumption for example motor starter, or of large electric power generators, for example RAT turbine (Ram 20 Air Turbine or wind turbine ), APU unit (Auxiliary Power Unit), which have a low operating time and whose dimensions do not take advantage of the resources of electrical energy recoverable aboard the aircraft. The object of the invention is to provide an effective and efficient solution to such a problem. In the field of transport with electric vehicles, as described in the referenced document [1] at the end of the description, it is known to use supercapacities (also called ultracapacities) for storing a large amount of energy and restoring it in a very short time. Supercapacities, in fact, are capacities with high storage performance of up to several kilofarads with a voltage of a few volts per element. As illustrated in FIG. 1, they comprise two positive and negative electrodes 10 and an electrolyte 12. They store the electrical energy electrostatically via two electrodes and an electrolyte. This figure illustrates the + 13 ions and the 14 ions. The supercapacities have many advantages, the most significant of which are: - a very large power storage capacity, in particular because of the very low value of the equivalent series resistance ( ESR or Electrical Serial Resistance) up to less than one milliohm: supercapacities can also store several tens of kilowatts per kilogram of supercapacity, a possibility to meet large peaks in power demand, - a rate of charge / discharge much larger than that of batteries for example: this is mainly due to the absence of chemical reaction and therefore to the great reversibility of the mechanisms for storing electrical energy, 3 a very slight degradation of performance even after several hundred thousands of cycles, energy available very quickly via a reversible process; unlike batteries that are damaged if the charging speeds are too high, a wide range of operating temperature allowed (of the order of -40 ° C to + 70 ° C or even + 85 ° C), a non-sensitivity vibration, hermeticity of the envelope, storage densities of the power per unit mass of supercapacities that increase very rapidly with the current progress, especially from nanotechnologies, which can significantly increase the storage areas of electrical charges (ie several hundred m2 / g) and to reduce the distances between electric charges (ie storage densities multiplied by 3 in 8 years, between 1998 and 2006, ...). The object of the invention is the implementation of such supercapacities in their foreign state, namely that of electrical on board technical problem making it possible to store and use the recoverable electrical energy to power the electrical equipment rarely used on the whole. of the aircraft mission profile. therefore to put a domain which the distribution of an aircraft, to solve the above highlighted, in DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention relates to an electrical distribution system of an aircraft comprising at least one electrical source and the least an auxiliary means of electrical generation, characterized in that it comprises means for storing the recoverable electrical energy comprising at least one set of supercapacities. In a first embodiment, the auxiliary generating means comprises batteries that make it possible to start the APU when the aircraft is in flight. The use of supercapacities in place of these batteries avoids the voltage drop due to a very strong current draw when starting the APU, which can be detrimental to other loads. In a second embodiment, the auxiliary generating means is the RAT turbine. The supercapacities associated with this turbine make it possible, during an implementation of this RAT turbine, to maintain a power supply during the 7 to 8 seconds during which the aircraft no longer has any electrical generation and to absorb the peaks of power when the RAT turbine is in operation. Advantageously, the system comprises a high-voltage DC bus, which makes it possible to eliminate the static converter used in the prior art. The invention also relates to a method of electrically distributing an aircraft in a system comprising at least one electrical source and at least one auxiliary means of electrical generation, characterized in that it comprises a step 4 for storing electrical energy recoverable using at least one set of supercapacities. The system and method of the invention make it possible to simplify, or even eliminate, the sizing of certain electrical equipment which is either of high electrical power consumption (eg motor starter, etc.) or of large electric power generators. (eg RAT, APU, ...) and which have a low operating time, taking advantage of the resources of electrical energy recoverable on board the aircraft. The advantages of the system and method of the invention are as follows: recovery of electrical energy by the supercapacities during the phases of low demands (i.e. during the majority of the time of the mission phase), storage of this electrical energy by the supercapacities with a view to returning it to the distribution network in the form of high power during a specific request (ie for a limited time), - simplification of certain electrical power generation devices such as turbine 25 RAT or APU. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic representation of a supercapacity; FIGS. 2 and 3 illustrate two embodiments of the electrical distribution system of the invention; FIG. 4 illustrates an embodiment of the art; FIG. 3 DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS The electric power distribution system of an aircraft according to the invention comprises at least one electrical source and at least one auxiliary means of electrical generation, and means for storing recoverable electrical energy comprising at least one set of supercapacities.

Les supercapacités peuvent être installées dans le système de génération et de distribution de l'énergie électrique à bord d'un avion. Elles peuvent être installées soit en lieu et place d'équipements de génération de puissance, soit en complément de ces équipements. Pour obtenir les niveaux de tensions et de puissances requis, ces supercapacités peuvent être associées respectivement en montages série et/ou parallèle. Supercapacities can be installed in the system of generation and distribution of electrical energy on board an aircraft. They can be installed either in place of or in addition to power generation equipment. To obtain the required voltage and power levels, these supercapacities can be associated respectively in series and / or parallel assemblies.

Les supercapacités peuvent être installées sur le réseau électrique via une architecture soit centralisée soit décentralisée en fonction des contraintes de masse, de volume disponible, de propagation de panne, de ségrégation des systèmes pour respecter les exigences de sécurité. Elles peuvent être 7 utilisées de manière mutualisée, c'est-à-dire commune à plusieurs utilisateurs (ou charges). Dans un premier mode de réalisation, illustré sur la figure 2, le moyen de génération auxiliaire est formé par un ensemble de batteries utilisées pour démarrer l'APU. Dans un tel cas, le très fort appel de courant lié au démarrage de l'APU provoque souvent une baisse de tension qui peut être préjudiciable au bon fonctionnement d'autres charges. Supercapacities can be installed on the power grid via either centralized or decentralized architecture depending on the constraints of mass, available volume, fault propagation, segregation of systems to meet security requirements. They can be used in a shared manner, that is to say common to several users (or loads). In a first embodiment, illustrated in Figure 2, the auxiliary generating means is formed by a set of batteries used to start the APU. In such a case, the very strong current draw related to the start of the APU often causes a drop in voltage which may be detrimental to the proper functioning of other loads.

L'utilisation d'un ensemble de supercapacités 31 à la place de cet ensemble de batteries permet d'éviter une telle baisse de tension. Ainsi, sur la figure 2 sont illustrés : - un générateur alternatif 20, un dispositif de mise en route 21 comprenant un contrôleur 22 et un premier commutateur 23, - un bus alternatif 24 relié d'une part à des utilisateurs 1 à n via des interrupteurs 25, et d'autre part : à un transformateur alternatif-continu 26, - un second commutateur 27, - un bus de démarrage APU 28, - un troisième commutateur 29, - un démarreur APU 30, - un ensemble de supercapacités 31 relié au point commun entre la sortie du transformateur 26 et l'entrée du second commutateur 27. Ce mode de réalisation permet de simplifier les équipements de charge tels que le transformateur 30 8 alternatif-continu (AC/DC) 26 qui ne sert alors qu'à charger les supercapacités 31 avec des courants faibles. Ce mode de réalisation conduit à des gains en masse (diminution des dimensions du transformateur alternatif-continu 26, ...), réduction du coût et augmentation de la fiabilité de ce transformateur alternatif-continu 26. Un autre avantage lié au faible courant de charge réside dans l'utilisation possible des autres sources électriques de l'avion en simultané et sans contrainte sur les utilisateurs. En effet, le transitoire lié au démarrage de l'APU est absorbé par ces supercapacités : la disponibilité des utilisateurs est ainsi augmentée. Dans un second mode de réalisation avantageux, illustré sur la figure 3, le moyen de génération auxiliaire est la turbine RAT ( Ram Air Turbine ) et l'ensemble de supercapacités 44 est associé à celle-ci. Sur cette figure 3 sont illustrés : - un générateur RAT 40, - un contrôleur 41, un convertisseur alternatif-continu en haute tension 42, - un contrôleur de charge 43 auquel est relié un ensemble de supercapacités 44, - un bus continu haute tension (HVDC) 45, relié d'une part à des utilisateurs HVDC 1 à n via des interrupteurs 46, et d'autre part à : - un premier commutateur 47, - un convertisseur continu-continu 48, 30 9 un bus continu basse tension 49, relié d'une part à des utilisateurs 1 à n via des interrupteurs 51, et d'autre part à : une batterie de secours 50. The use of a set of supercapacities 31 instead of this set of batteries avoids such a drop in voltage. Thus, in FIG. 2 are illustrated: - an alternating generator 20, a start-up device 21 comprising a controller 22 and a first switch 23, - an alternative bus 24 connected on the one hand to users 1 to n via switches 25, and secondly: to an AC-DC transformer 26, - a second switch 27, - an APU start-up bus 28, - a third switch 29, - an APU starter 30, - a set of supercapacitors 31 connected at the common point between the output of the transformer 26 and the input of the second switch 27. This embodiment simplifies the charging equipment such as the transformer 30 8 AC-DC (AC / DC) 26 which then only serves as to charge the supercapacities 31 with low currents. This embodiment leads to gains in mass (decrease of the dimensions of the AC-DC transformer 26, ...), reduction of the cost and increase of the reliability of this AC-DC transformer 26. Another advantage related to the low current of load lies in the possible use of other electrical sources of the aircraft simultaneously and without constraint on users. Indeed, the transient related to the start of the APU is absorbed by these supercapacities: the availability of the users is thus increased. In a second advantageous embodiment, illustrated in FIG. 3, the auxiliary generating means is the RAT (Ram Air Turbine) turbine and the set of supercapacities 44 is associated with it. In this FIG. 3 are illustrated: a RAT generator 40, a controller 41, a high-voltage AC-DC converter 42, a charge controller 43 to which a set of supercapacities 44 are connected, a high-voltage DC bus ( HVDC) 45, connected on the one hand to HVDC users 1 to n via switches 46, and on the other hand to: - a first switch 47, - a DC-DC converter 48, 30 9 a low-voltage DC bus 49 , connected on the one hand to users 1 to n via switches 51, and on the other hand to: a backup battery 50.

Dans le casd de panne où l'avion n'a plus d'alimentation électrique nominale, la turbine RAT est sortie de l'avion pour être utilisée comme générateur de secours. Etant donné le temps de sortie de celle-ci, il s'écoule environ 7 à 8 secondes pendant lesquelles l'avion n'a plus de génération électrique. Les supercapacités permettent de maintenir l'alimentation électrique pendant ces 7 à 8 secondes, et, de plus, d'absorber les pics de puissance lorsque la turbine RAT est en service. In the case of failure where the aircraft no longer has a nominal power supply, the RAT turbine is removed from the aircraft for use as a backup generator. Given the exit time of the latter, it takes about 7 to 8 seconds during which the aircraft no longer has electrical generation. Supercapacitors allow the power supply to be maintained for 7 to 8 seconds and, in addition, to absorb power peaks when the RAT turbine is in operation.

La figure 4 illustre un exemple de réalisation de l'art connu. Sur cette figure sont illustrés : - un générateur RAT 61, un ensemble de mise en oeuvre 62 comprenant un contrôleur 63 et un premier commutateur 64, - un bus alternatif 65 relié d'une part à des utilisateurs AC 1 à n via des interrupteurs 76, et d'autre part à : un convertisseur alternatif-continu 66 via un interrupteur 67 suivi d'un interrupteur 77, - un commutateur de secours 68 via un interrupteur 78, relié à, d'une part, des utilisateurs secours 69, et, d'autre part, à un convertisseur continu-alternatif 70 suivi d'un interrupteur 71, 10 - un bus continu basse tension 72 relié d'une part à des utilisateurs 1 à n à travers des interrupteurs 73, et d'autre part à : - une batterie de secours 74 reliée à une charge 75. Le générateur RAT est fortement dimensionné par les appels de courants liés aux charges qui sont sur le réseau électrique ou inversement. Les profils de puissance liés à l'utilisation de ces charges doivent être contrôlés et gérés afin de ne pas caler le générateur RAT. L'utilisation de supercapacités dans le mode de réalisation de la figure 3 permet de réduire fortement les contraintes sur ce générateur RAT ainsi que sur son mécanisme de déploiement (gains de masse, réduction de coût, ...) . De plus, ce mode de réalisation permet d'assurer une continuité de service pour les utilisateurs lors du transitoire lié au passage entre l'alimentation électrique via les générateurs principaux et l'alimentation électrique via le générateur de secours RAT. Ce mode de réalisation comprend un bus continu haute tension 45 qui permet de supprimer le convertisseur statique (convertisseur continu-alternatif) 70 illustré sur la figure 4 et d'alléger la batterie de secours 74 (gains de masse, réduction de coût, ...) . FIG. 4 illustrates an exemplary embodiment of the known art. In this figure are illustrated: - a RAT generator 61, an implementation set 62 comprising a controller 63 and a first switch 64, - an AC bus 65 connected on the one hand to AC users 1 to n via switches 76 and on the other hand to: an AC-DC converter 66 via a switch 67 followed by a switch 77, an emergency switch 68 via a switch 78, connected to, on the one hand, emergency users 69, and on the other hand, to a DC-AC converter 70 followed by a switch 71, 10 - a low-voltage DC bus 72 connected on the one hand to users 1 to n through switches 73, and on the other hand to: - a backup battery 74 connected to a load 75. The RAT generator is strongly sized by current calls related to the loads that are on the electrical network or vice versa. Power profiles related to the use of these loads must be controlled and managed so as not to stall the RAT generator. The use of supercapacitors in the embodiment of FIG. 3 makes it possible to greatly reduce the constraints on this RAT generator as well as on its deployment mechanism (mass savings, cost reduction, etc.). In addition, this embodiment ensures continuity of service for users during the transient related to the passage between the power supply via the main generators and the power supply via the RAT emergency generator. This embodiment comprises a high-voltage DC bus 45 which makes it possible to eliminate the static converter (DC-AC converter) 70 illustrated in FIG. 4 and to lighten the backup battery 74 (mass savings, cost reduction, etc.). .).

Référence [1] FR 2 780 6845 Reference [1] FR 2 780 6845

Claims

REVENDICATIONS1. Electrical distribution system for an aircraft comprising at least one electrical source (20; 40) and at least one auxiliary means for electrical generation, characterized in that it comprises means for storing the recoverable electric energy comprising at least one set of supercapacities (31; 44).

2. System according to claim 1, wherein the auxiliary means is a set of batteries and wherein the storage means (31) are arranged in place of this set of batteries.

3. System according to claim 1, wherein the auxiliary means of electrical generation is a RAT turbine, and wherein the storage means (44) are associated with the RAT turbine.

The system of claim 3 which comprises a high voltage DC bus (45).

The system of any one of the preceding claims, wherein the aircraft is an aircraft.

6. A method of electrically distributing an aircraft in a system comprising at least one electrical source and at least one auxiliary electric generating means, characterized in that it comprises a step of storing the recoverable electrical energy at using at least one set of supercapacities.

7. Aircraft implementing a system according to any one of claims 1 to 5.