FR3050882A1 - Reseau electrique d'un aeronef - Google Patents

Abstract

Réseau électrique (1) d'un aéronef comprenant : - un réseau continu haute tension HVDC (10), - une charge (4) - une batterie d'accumulation d'énergie électrique (5). Le réseau comprend un convertisseur (3) permettant de transférer l'énergie du réseau continu haute tension HVDC (10) vers la charge (4) et la batterie (5), ledit convertisseur comprenant au moins trois ports (A, B, C) dont un premier port (A) est banché au réseau continu haute tension HVDC (10), dont un deuxième port (B) est branché à la charge (4) et dont un troisième port (C) est branché à la batterie (5).

Description

RESEAU ELECTRIQUE D’UN AERONEF L’invention concerne les réseaux électriques des aéronefs et plus particulièrement la conversion de puissance électrique dans le réseau électrique d’un aéronef. A ce jour, de nombreux aéronefs utilisent des réseaux 28 V continu ou 28 Vdc. Ces réseaux sont connus sous le nom de LVDC pour leur abréviation anglo-saxonne : Low Voltage Direct Current. Ces réseaux sont incontournables car ils alimentent tous les équipements de contrôle de l’avion formant des charges.

Le réseau électrique de l’aéronef comprend également au moins un réseau principal d’alimentation qui est un réseau de bord haute tension continu. Une tension couramment employée est de 115 V continu (Vdc) mais on envisage également des tensions de 540 Vdc et de 230 Vdc. Ces réseaux sont connus sous le nom de HVDC pour leur abréviation de l’expression anglo-saxonne : High Voltage Direct Current. En fonctionnement normal le réseau électrique de l’aéronef comprend un ou plusieurs convertisseurs de puissance DC/DC. Un tel convertisseur de puissance transforme le HVDC en un réseau LVDC de sorte à alimenter une charge branchée sur le réseau LVDC. L’utilisation de stockage d’énergie sous forme de batteries alimentées par un réseau LVDC est classique pour les réseaux électriques d’avions. En fonctionnement normal la batterie est chargée par un réseau continu basse tension LVDC tout comme la charge branchée sur le réseau LVDC. En fonctionnement de secours, par exemple en cas de panne du réseau HVDC, le réseau LVDC puise directement de l’énergie dans la batterie pour alimenter la charge. La batterie peut aussi être utilisée pour alimenter le réseau HVDC en mode secours via le convertisseur DC/DC.

Un exemple de réseau électrique d’un aéronef classique est représenté sur la figure 1. Ce réseau comprend une alimentation principale alternative S, 100 alimentant un réseau HVCD, 101, au travers d’un convertisseur alternatif continu AC/DC 102, et au moins une première charge 102c alimentée électriquement au moyen du réseau HVDC, 101. Les premières charges peuvent comprendre des actionneurs électriques notamment pour les trains d’atterrissage ou les commandes de vol comme des actionneurs électromécaniques, électro-hydrauliques ou des actionneurs hydrauliques à secours électrique. Le réseau électrique comprend également un réseau basse tension LVDC, 103 permettant d’alimenter une deuxième charge 104 et une batterie de secours 105. Un convertisseur continu/continu abaisseur DC/DC 106 permet d’alimenter le réseau continu basse tension LVDC, 103 à partir du réseau continu haute tension HVDC, 101. Le convertisseur DC/DC 106 est un convertisseur à deux ports, dont un port est relié au réseau HVDC, 101 et dont l’autre port est relié au réseau LVDC 102 auquel sont branchées la batterie de secours 105 et la deuxième charge 104.

Or, ce montage présente un certain nombre d’inconvénients. La deuxième charge 104 et la batterie 105 étant montées en parallèle sur un même réseau basse tension LVDC 103, la tension d’alimentation de la deuxième charge 104 est forcément la même que la tension aux bornes de la batterie 105. Si la batterie 105 est déchargée, il peut arriver qu’elle impose une tension plus faible que 28 V aux bornes de la deuxième charge 104 entraînant une hausse du courant circulant dans les câbles reliant électriquement la batterie 105 et la deuxième charge 104 et dans la deuxième charge 104 ce qui impose de sur-dimensionner ces câbles et les constituants de la deuxième charge pour leur permettre de supporter ces forts courants. La masse, le coût et le volume des câbles ainsi que le coût de la deuxième charge peuvent alors devenir considérables ce qui est un problème majeur dans le domaine aéronautique. Autrement dit, il est important de réguler le réseau alimentant la deuxième charge sur 28 Vdc. Afin d’éviter que le niveau de charge de la batterie 105 ne devienne insuffisant pour alimenter la deuxième charge avec une tension de 28 Vdc et réguler le réseau basse tension sur une tension de 28 Vdc, il est possible de prévoir des interrupteurs mécaniques 107, 108, 109, pour diriger l’énergie véhiculée entre le convertisseur DC/DC, le réseau basse tension LVDC et la batterie 105 en fonction de l’état de charge de la batterie, il est également nécessaire de prévoir des commandes associées (non représentées). Cela permet d’éviter les coupures d’alimentation de la charge qui peuvent avoir des conséquences dramatiques dans le domaine aéronautique notamment lorsque la charge comprend un calculateur de vol. Toutefois, la commande de ce type d’architecture est complexe, et ce, d’autant plus que les interrupteurs mécaniques présentent un temps une inertie et donc un temps de réponse importants. Cela pose des problèmes de fiabilité et de coût du réseau électrique.

Un but de l’invention est de limiter ou de supprimer au moins un des inconvénients précités. A cet effet l’invention a pour objet un réseau électrique d’un aéronef comprenant : - un réseau continu haute tension HVDC, - une charge, - une batterie d’accumulation d’énergie électrique.

Le réseau électrique comprend un convertisseur permettant de transférer l’énergie du réseau continu haute tension HVDC vers la charge et la batterie, ledit convertisseur comprenant au moins trois ports dont un premier port est banché au réseau continu haute tension HVDC, dont un deuxième port est branché à la charge et dont un troisième port est branché à la batterie.

Avantageusement, le réseau électrique comprend au moins une des caractéristiques ci-dessous prises seules ou en combinaison : - le convertisseur comprend une isolation galvanique isolant galvaniquement les trois ports les uns des autres, - le troisième port est bidirectionnel en courant, - chacun des trois ports est bidirectionnel en courant, - chacun des trois ports présente une topologie abaisseur-élévateur, - le convertisseur est actif, - les trois ports sont identiques, - le réseau comprend une pluralité de convertisseurs montés en parallèle permettant de transférer l’énergie du réseau continu haute tension HVDC vers la charge et la batterie, chaque convertisseur comprenant au moins trois ports dont un premier port est banché au réseau continu haute tension HVDC, dont un deuxième port est branché à la charge et dont un troisième port est branché à la batterie.

Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit, description qui expose l'invention au travers d'un mode de réalisation particulier pris comme exemple non limitatif et qui s'appuie sur les figures annexées, figures qui représentent: - la figure 1 déjà décrite un réseau électrique d’un aéronef selon l’art antérieur, - la figure 2 représente schématiquement un exemple de réseau électrique d’un aéronef selon l’invention, - la figure 3 représente schématiquement un exemple de convertisseur DC/DC utilisé dans le réseau électrique selon l’invention. D’une figure à l’autre les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références.

Sur la figure 1, on a représenté un exemple de réseau électrique 1 d’un aéronef selon l’invention.

Ce réseau électrique 1 comprend une source d’alimentation en courant alternatif SO, 12, un convertisseur alternatif/continu AC/DC, 11, un réseau continu haute tension HVDC, 10. Le convertisseur AC/DC, 11, permet de transférer l’énergie délivrée par la source SO, 12 vers un réseau continu haute tension HVDC, 10. Cette tension est par exemple de 540 Vdc, 115 Vdc ou 230 Vdc. Ce réseau continu haute tension peut, mais non nécessairement, alimenter au moins une charge dite haute tension, CH, 13. La charge haute tension peut à titre d’exemple non limitatif, comprendre un ou plusieurs actionneurs électriques et/ou un système de démarrage du groupe auxiliaire de puissance connu sous le nom d’APU pour son abréviation anglo-saxonne : Auxiliary Power Unit.

Selon l’invention, le réseau 1 comprend un convertisseur continu/continu DC/DC 3 permettant de transférer l’énergie du réseau continu haute tension HVDC vers une charge 4, dite basse tension, et vers une batterie 5. La charge basse tension 4 peut par exemple comprendre un ou plusieurs calculateurs avioniques, une ou plusieurs autres charges situées dans le cockpit ou en cabine comme des éclairages du cockpit et de la cabine, un ou plusieurs appareils multimédia situés en cabine.

En variante, le réseau peut comprendre plusieurs convertisseurs DC/ DC permettant de transférer l’énergie du réseau continu haute tension HVDC ou de réseaux continus haute tension respectifs vers des charges basse tension et vers des batteries respectives. Le réseau 1 comprend alors plusieurs charges et plusieurs batteries.

Le convertisseur DC/DC 3 comprend au moins trois ports ou voies A, B, C dont un premier port A est relié au réseau continu haute tension HVDC 10, dont un deuxième port B est relié à la charge 4 et dont un troisième port C est relié à la batterie 5. La charge 4 est branchée au convertisseur DC/DC 3 via un réseau d’alimentation basse tension LVDC, 6. Le convertisseur 3 est pilotable. Avantageusement, le réseau électrique comprend un contrôleur 7 pour piloter le convertisseur DC/DC 3.

Le fait de prévoir un convertisseur DC/DC 3 comprenant au moins trois ports auxquels sont branchés respectivement le réseau haute tension, la batterie et la charge permet de réguler le réseau LVDC et la tension d’alimentation de la charge basse tension 4 sur 28 Vdc uniquement en pilotant le convertisseur. La masse des câbles d’alimentation et les contraintes sur la charge sont donc moindres. En choisissant une topologie adaptée de ce type de convertisseur, il est possible, par simple pilotage du convertisseur, de secourir la charge 4 au moyen de la batterie 5 via le convertisseur en cas de panne du réseau haute tension HVDC. Il est également possible d’éviter des coupures d’alimentation de la charge basse tension 4 lors du passage du mode de fonctionnement normal au mode de fonctionnement de secours et lors de la décharge de la batterie par simple pilotage d’un convertisseur de topologie adaptée. Cela signifie un coût et une complexité moindres du réseau d’alimentation. Par ailleurs, il n’est pas nécessaire de prévoir des interrupteurs mécaniques. En résumé, on peut choisir un convertisseur DC/DC comprenant trois ports reliés respectivement au réseau HVDC, à une charge 4 et à une batterie, présentant une topologie permettant de réguler le bus ou réseau basse tension continu sur 28 Vdc, de charger la batterie et d’éviter des ruptures d’énergie d’alimentation du réseau basse tension continu LVDC de façon simultanée et/ou séquentielle par simple pilotage du convertisseur. La fonction d’évitement des ruptures d’énergie d’alimentation du réseau LVDC est couramment appelée NBPT acronyme de l’expression anglo-saxonne « no break power transfer ».

Avantageusement, le convertisseur est bidirectionnel en courant. Autrement dit, chacun des trois ports est bidirectionnel en courant. Cela permet notamment, par un simple pilotage du convertisseur, d’alimenter la charge et/ou la batterie au moyen du réseau continu haute tension HVDC en mode de fonctionnement normal et d’alimenter la charge et/ou le réseau continu haute tension au moyen de la batterie dans des fonctionnements de secours. La réversibilité permet la génération d’une haute tension HVDC à partir du réseau LVDC ou à partir de la batterie ce qui permet de secourir la charge haute tension CH 13 en cas de panne du réseau LVDC. Il est notamment possible de réaliser un démarrage du groupe auxiliaire de puissance si la charge comprend un APU. En l’absence de réseau HVDC, ce système APU peut être alimenté par un réseau LVDC et en présence du réseau LVDC, il peut être alimenté par le réseau HVDC. Cela est réalisé par simple pilotage du convertisseur de façon à faire circuler l’énergie dans un sens ou dans l’autre dans chacun des ports.

Le choix d’un des modes de fonctionnement précédemment décrit ne nécessite pas de prévoir des interrupteurs mécaniques ni un autre convertisseur ce qui limite les risques de coupure de l’alimentation de la charge et améliore la fiabilité du réseau à moindre coût.

En résumé, la bidirectionnalité en courant permet plus précisément : - de transférer l’énergie dans les deux sens entre le réseau HVDC et la batterie, ce qui permet soit d’alimenter la batterie au moyen du réseau HVDC en fonctionnement normal, soit d’alimenter le réseau HVDC et les charges branchées au réseau HVDC au moyen de la batterie en cas de panne du réseau HVDC ; - de transférer l’énergie dans le deux sens entre le réseau HVDC et la charge, ce qui permet soit d’alimenter la charge 4, dite basse tension, au moyen du réseau HVDC en fonctionnement normal, soit d’alimenter le réseau HVDC au moyen de la charge 4 en cas de panne du réseau HVDC, - de transférer l’énergie dans le deux sens entre la charge 4, dite basse tension, et la batterie 5, ce qui permet soit d’alimenter la charge 4 au moyen de la batterie 5 en fonctionnement de secours, soit d’alimenter la batterie 4 au moyen de la charge 5 si nécessaire.

Ces transferts d’énergie peuvent être réalisés de manière quasi-constante dans tous les sens listés ci-dessus.

Les sens de transferts de l’énergie sont choisis par un pilotage judicieux du convertisseur DC/DC, 3 en fonction des besoins en énergie au moyen du contrôleur 7.

En variante, au moins le troisième port C est bidirectionnel en courant. Cela permet d’alimenter la charge 4 au moyen de la batterie 5 en cas de panne du réseau HVDC.

Avantageusement, le convertisseur comprend une isolation galvanique permettant d’isoler galvaniquement les trois ports A, B, C les uns des autres. L’isolation galvanique entre les ports alimentant la batterie 5 et la charge 4 permet, par un simple pilotage du convertisseur DC/DC, de réguler la tension du réseau ou bus basse tension continue LVCD 6 alimentant la charge 4 sur 28 Vdc quelque soit l’état de charge de la batterie 5 sans tenir compte de l’état de charge de la batterie 5. En effet, cette isolation permet de régler le rapport entre les tensions imposées au niveau des différents ports. L’isolation galvanique permet également de réguler le réseau basse tension continu LVDC sur 28 Vdc quelque soit le niveau de tension du réseau haute tension continu HVDC qui peut varier énormément dans le domaine aéronautique.

Autrement dit, la tension aux bornes de la charge 4 ne dépend pas de l’état de charge de la batterie 5. Il en résulte un gain de masse et de volume du réseau 1 car il n’est pas nécessaire de sur-dimensionner les câbles du réseau LVDC 5 si le réseau est régulé sur 28 Vdc. Par ailleurs, les contraintes sur les charges sont réduites car il est possible de réguler facilement leur tension d’alimentation sur 28 Vdc.

Avantageusement, le réseau 1 comprend un capteur, non représenté, permettant de mesurer la tension du réseau LVDC 6, c’est à dire la tension d’alimentation de la charge 4. Avantageusement, le contrôleur 7 est configuré pour piloter le convertisseur DC/DC de sorte à réguler la tension du réseau d’alimentation LVDC sur 28 Vdc à partir des mesures issues du capteur.

Avantageusement, le réseau 1 comprend un détecteur, non représenté, permettant de détecter une coupure du réseau HVDC. Ce détecteur comprend par exemple un capteur de courant et/ou un capteur de tension pour mesurer le courant, respectivement la tension, d’alimentation du réseau HVDC. Avantageusement, le contrôleur est configuré pour piloter le convertisseur de sorte à alimenter la charge et/ou le convertisseur DC/DC au moyen de la batterie, via le convertisseur DC/DC, en cas de coupure du réseau HVDC.

Le convertisseur DC/DC 3 est par exemple un convertisseur tri-port mais il peut en variante comprendre plus de trois ports.

Il existe plusieurs types de convertisseurs à isolation galvanique et bidirectionnels en courant. Avantageusement, chaque port du convertisseur DC/DC présente une topologie abaisseur-élévateur (ou buck-boost en terminologie anglo-saxonne) ce qui permet à chaque port de rehausser ou d’abaisser la tension qui lui est fournie en entrée afin d’alimenter un des autres ports. Dans des variantes moins avantageuses, au moins un port est seulement abaisseur ou seulement élévateur.

Avantageusement, le convertisseur 3 est un convertisseur actif ou à ponts actifs. Dans le cas d’un convertisseur actif tri-port, on parle d’un TAB en référence à l’expression anglo-saxonne Triple Active Bridge. Par convertisseur actif, on entend un convertisseur dont les interrupteurs formant les ponts sont des interrupteurs commandables par opposition à des éléments passifs tels que des diodes. Ce type de convertisseur permet, en commandant les interrupteurs commandables, d’optimiser les performances du convertisseur et notamment de maximiser son rendement en fonction des différents points de fonctionnement.

Avantageusement, au moins les trois ports A, B, C et de préférence tous les ports du convertisseur, sont identiques ce qui permet de limiter les tests à réaliser sur le convertisseur pour gérer le pilotage du convertisseur.

Le convertisseur peut comprendre plus de trois ports. Il comprend alors plus de deux enroulements secondaires. Chaque port supplémentaire peut être relié à une charge basse tension via un réseau LVDC, à un réseau HVDC ou à une batterie.

Sur la figure 3, on a représenté un exemple de triple active bridge TAB. Ce convertisseur 3 comprend 3 voies ou ports A, B, C, identiques. Les ports sont reliés au moyen d’un transformateur 20 à trois enroulements 21, 22, 23.

Chaque enroulement 21, 22, 23 est relié à un port. Le premier enroulement 21 est relié au premier port A au moyen d’une inductance L. Le premier enroulement est l’enroulement primaire du transformateur. Le deuxième enroulement 22 et le troisième enroulement 23 sont deux enroulements secondaires du transformateur et sont branchés respectivement à la charge 4 et à la batterie 5. Les rapports de transformation entre l’enroulement primaire 21 et chacun des enroulements secondaires 22, 23 sont prédéterminés. Chacun des ports ou voies 21, 22, 23 comprend un pont en H 31, 32, 33 pour contrôler la polarité aux bornes de l’enroulement correspondant 21, 22, 23. Le premier pont en H est relié au réseau HVDC via un premier condensateur Ci monté en parallèle avec le pont en H 31 et le convertisseur AC/DC. Le deuxième pont en H 32 est relié à la charge 4 via d’un deuxième condensateur C2 monté en parallèle avec le pont en H 32 et la batterie 4. Le troisième pont en H 33 est relié à la batterie 5 via un troisième condensateur C3 monté en parallèle avec le pont en H 33 et la batterie 5. Les condensateurs forment des filtres capacitifs. Les tensions première, deuxième et troisième tensions V1, V2 et V3 sont respectivement la tension du réseau HVDC, aux bornes de la charge 4 et aux bornes de la batterie 5.

Chaque pont en H 31, 32, 33 comprend quatre interrupteurs commandables Tj bidirectionnels en courant (i= 1 à 4 pour le premier pont 31, i = 5 à 8 pour le deuxième pont 32, et i = 9 à 12 pour le troisième pont 33). Chaque interrupteur commandable Tj comprend un transistor à effet de champ à grille isolée M plus couramment nommé MOSFET (acronyme anglais de «Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor») et une diode D. En variante les MOSFET peuvent être remplacés par des transistors bipolaires à grille isolée ou IGBT, de l'anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor. Pour plus de clarté, les références aux interrupteurs sont disposées à côté des interrupteurs respectifs (formés par les la diode et le transistor M) sans y être reliées.

Le convertisseur DC/DC est commandé au moyen du contrôleur 7. Autrement dit, les interrupteurs commandables sont commandés au moyen du contrôleur. Le sens du transfert d’énergie et les rapports de tension entre les différents ports sont définis en entre chacun des ports est choisi en pilotant les interrupteurs commandables et notamment par le choix des déphasages entre les interrupteurs des différents ponts et/ou par le choix des rapports cycliques des différents interrupteurs.

Le contrôleur 7 peut être réalisé au moyen d’éléments matériels et/ou logiciels. Il peut comprendre un ou plusieurs circuits électroniques. Il peut être réalisé sur une machine de calcul reprogrammable (un processeur ou un micro contrôleur par exemple) exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions, et/ ou un calculateur exécutant un programme comprenant une séquence d'instructions et/ ou sur une machine de calcul dédiée (par exemple un ensemble de portes logiques comme un FPGA ou un ASIC, ou tout autre module matériel).

Le contrôleur 7 comprend au moins un support de stockage lisible par ordinateur (RAM, ROM, EEPROM, mémoire flash ou une autre technologie de mémoire, CD-ROM, DVD ou un autre support à disque optique, cassette magnétique, bande magnétique, disque de stockage magnétique ou un autre dispositif de stockage, ou un autre support de stockage non transitoire lisible par ordinateur) codé avec un programme d'ordinateur (c'est-à-dire plusieurs instructions exécutables) qui, lorsqu'il est exécuté sur un processeur ou plusieurs processeurs, pilote les interrupteurs du convertisseur.

Avantageusement, le réseau comprend plusieurs convertisseurs montés en parallèle. Autrement dit, chacun des convertisseurs montés en parallèle comprend au moins trois ports ou voies A, B, C dont un premier port A est relié au réseau continu haute tension HVDC 10, dont un deuxième port B est relié à la charge 4 et dont un troisième port C est relié à la batterie 5. Les premiers ports de chaque convertisseur sont montés en parallèle, les deuxièmes ports de chaque convertisseur sont montés en parallèle et les troisièmes ports de chaque convertisseur sont montés en parallèle. Cela permet d’augmenter la puissance de sortie des convertisseurs et/ou de remplacer un des convertisseurs par un autre en cas de défaillance d’un des convertisseurs. Avantageusement, chacun des convertisseurs montés en parallèle au moins une des caractéristiques (bidirectionnalité en courant, convertisseur actif...) décrites ci-dessus pour le convertisseur DC/DC, 3.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Réseau électrique (1) d’un aéronef comprenant : - un réseau continu haute tension HVDC (10), - une charge (4) - une batterie d’accumulation d’énergie électrique (5), - caractérisé en ce qu’il comprend un convertisseur (3) permettant de transférer l’énergie du réseau continu haute tension HVDC (10) vers la charge (4) et la batterie (5), ledit convertisseur comprenant au moins trois ports (A , B, C) dont un premier port (A) est banché au réseau continu haute tension HVDC (10), dont un deuxième port (B) est branché à la charge (4) et dont un troisième port (C) est branché à la batterie (5).
2. 2. Réseau électrique (1) d’un aéronef selon la revendication précédente, dans lequel le convertisseur comprend une isolation galvanique isolant galvaniquement les trois ports (A, B, C) les uns des autres.
3. 3. Réseau électrique (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le troisième port (C) est bidirectionnel en courant.
4. 4. Réseau électrique selon la revendication précédente, dans lequel chacun des trois ports (A, B, C) est bidirectionnel en courant.
5. 5. Réseau électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chacun des trois ports (A, B, C) présente une topologie abaisseur-élévateur.
6. 6. Réseau électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur est actif.
7. 7. Réseau électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les trois ports sont identiques.
8. 8. Réseau électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de convertisseurs montés en parallèle permettant de transférer l’énergie du réseau continu haute tension HVDC vers la charge et la batterie, chaque convertisseur comprenant au moins trois ports dont un premier port est banché au réseau continu haute tension HVDC, dont un deuxième port est branché à la charge et dont un troisième port est branché à la batterie.