FR3100944A1 - Systeme de propulsion d’un vehicule, tel qu’un aeronef - Google Patents
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Abstract
Un système de propulsion d’un véhicule comprend au moins un moteur électrique (120), chaque moteur électrique (120) comprenant un stator et un rotor, chaque stator comprenant une pluralité de bobinages indépendants (120A, 120B, 120C). Pour chaque moteur électrique (120), le système de propulsion comprend une pluralité de systèmes d’alimentation électrique, chaque système d’alimentation électrique alimentant en courant alternatif l’un des bobinages de la pluralité de bobinages du stator dudit moteur électrique (120). Chaque système d’alimentation électrique comprend un convertisseur de courant continu vers alternatif (122A, 122B, 122C) alimenté par au moins une pile à combustible (124A, 124B, 124C). Ainsi, la puissance délivrée par chaque moteur électrique est augmentée tout en limitant la tension d’alimentation dudit moteur électrique. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 3
Description
L’invention concerne un système de propulsion d’un véhicule, tel qu’un aéronef, qui utilise des piles à combustible comme source d’énergie.
Actuellement, la plupart des véhicules de transport de passagers ou de marchandises, qu’ils soient terrestres, aériens ou marins, utilisent des énergies fossiles non renouvelables, telles que le pétrole, le gaz, etc. A plus ou moins long terme, l’utilisation de ce type d’énergie devrait diminuer, d’une part par la force des choses du fait de la raréfaction de ce type d’énergie et d’autre part, pour diminuer des émissions polluantes inhérentes à ce type d’énergie.
Un avantage des énergies fossiles est qu’elles permettent d’obtenir des puissances très importantes, ce qui est nécessaire par exemple pour faire décoller un aéronef. Il est connu qu’un système de propulsion d’un aéronef transportant une centaine de passagers doit être capable de délivrer une puissance de l’ordre d’un mégawatt (MW).
Une solution permettant d’abandonner les énergies fossiles consiste à remplacer les classiques moteurs à combustion ou à explosion par des moteurs électriques. Les moteurs électriques peuvent alors être alimentés par une pile à combustible (« fuel cells stack » en terminologie anglo-saxonne) fonctionnant à l’hydrogène. Cependant, dans le cadre d’un aéronef, on considère généralement qu’il est très difficile d’atteindre la puissance nécessaire à l’exploitation dudit aéronef avec des moteurs électriques alimentés par une seule pile à combustible. En effet, la puissance d’un moteur électrique étant égale au produit de la tension et de l’intensité d’alimentation dudit moteur, une manière usuelle d’augmenter la puissance du moteur consiste à augmenter uniquement la tension d’alimentation de manière à garder une intensité d’alimentation raisonnable. Or, à bord d’un aéronef, il n’est pas souhaitable de trop augmenter la tension d’alimentation. En effet, plus on augmente la tension d’alimentation, plus on augmente le risque de rencontrer des phénomènes électriques difficiles à contrôler, comme par exemple la survenue d’arcs électriques. Par ailleurs, les fortes tensions électriques provoquent des phénomènes de décharge de Corona, ce qui entraîne notamment des usures prématurées de certains composants des lignes électriques.
Il est souhaitable de pallier ces inconvénients de l’état de la technique. Il est plus particulièrement souhaitable de proposer une solution permettant d’obtenir des moteurs électriques capables de délivrer la puissance nécessaire à l’exploitation d’un véhicule et notamment d’un aéronef.
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un système de propulsion d’un véhicule, le système de propulsion comprenant au moins un moteur électrique, chaque moteur électrique comprenant un stator et un rotor, chaque stator comprenant une pluralité de bobinages indépendants. Pour chaque moteur électrique, le système de propulsion comprend une pluralité de systèmes d’alimentation électrique, chaque système d’alimentation électrique alimentant en courant alternatif l’un des bobinages de la pluralité de bobinages du stator dudit moteur électrique, chaque système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur de courant continu vers alternatif alimenté par au moins une pile à combustible.
Alimenter chaque bobinage indépendant du stator d’un moteur électrique par un système d’alimentation électrique distinct permet d’augmenter la puissance délivrée par ledit moteur électrique sans augmenter la tension d’alimentation.
Selon un mode de réalisation, chaque convertisseur de courant continu vers alternatif est associé à une unité de contrôle moteur, chaque unité de contrôle moteur étant adaptée pour contrôler au moins un dit convertisseur de courant continu vers alternatif de sorte que chaque système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur de courant continu vers alternatif ainsi contrôlé délivre une puissance électrique prédéterminée au bobinage indépendant alimenté par ledit système d’alimentation électrique.
Selon un mode de réalisation, lorsque le système de propulsion comprend une pluralité de moteurs électriques, le système de propulsion comprend une unité de contrôle système, l’unité de contrôle système reçoit des commandes de la part d’une unité de commande du véhicule, lesdites commandes étant représentatives de puissances mécaniques demandées audit système de propulsion, et l’unité de contrôle système transmettant des commandes à chaque unité de contrôle moteur de sorte que chaque système d’alimentation électrique délivre une puissance électrique au moteur électrique avec lequel il est associé permettant d’obtenir chaque puissance mécanique demandée.
Selon un mode de réalisation, lorsque le système de propulsion comprend une pluralité de moteurs électriques, le système de propulsion comprend un système de couplage permettant de coupler les puissances mécaniques délivrées par lesdits moteurs électriques.
Selon un mode de réalisation, le système de couplage est un train épicycloïdal (« epicyclic gearing » en terminologie anglo-saxonne).
Selon un deuxième aspect, l’invention concerne un véhicule de type aéronef comprenant au moins un système de propulsion tel qu’évoqué ci-dessus, dans l’un quelconque de ses modes de réalisation.
Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d’autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d’un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :
EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION
La description détaillée ci-après s’attache à décrire un mode de réalisation de la présente invention dans un contexte d’un aéronef. Les principes de la présente invention s’appliquent cependant dans un contexte plus large. Les principes de la présente invention sont en effet notamment applicables à d’autres véhicules, tels que des camions, des autobus, des automobiles et des bateaux.
LaFig. 1illustre schématiquement, en perspective, un véhicule dans lequel au moins un système de propulsion 1 selon l’invention est mis en œuvre.
Dans un mode de réalisation particulier, tel qu’illustré sur la Fig. 1, le véhicule est un aéronef A. De manière illustrative, l’aéronef A comporte deux systèmes de propulsion 1 montés sur les ailes de l’aéronef A.
Le véhicule, notamment l’aéronef A, peut comporter un nombre différent de systèmes de propulsion 1.
LaFig. 2illustre schématiquement un premier exemple du système de propulsion 1.
Le système de propulsion 1 comprend une hélice 10 reliée à un système, ditsystèm e moteur, 12 par un arbre de transmission 11.
Le système moteur 12 comprend un moteur électrique 120. Le moteur électrique 120 est un moteur à courant alternatif comprenant un stator et un rotor. Le stator comprend une pluralité de bobinages (« windings » en terminologie anglo-saxonne) indépendants. Dans la Fig. 2, à titre d’exemple, trois bobinages 120A, 120B et 120C sont représentés.
Le système moteur 12 comprend une pluralité de systèmes d’alimentation électrique. Dans la Fig. 2, le système moteur 12 comprend trois systèmes d’alimentation électrique. Chaque système d’alimentation électrique comprend un convertisseur de courant continu vers alternatif, ditconvertisseur DC / AC, alimenté par au moins une pile à combustible (« Fuel Cell Stack » en terminologie anglo-saxonne). Ainsi, un système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur DC/AC 122A relié électriquement à au moins une pile à combustible 124A par l’intermédiaire d’une ligne électrique 123A alimente en courant alternatif le bobinage 120A par l’intermédiaire d’une ligne électrique 121A. De plus, un système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur DC/AC 122B relié électriquement à au moins une pile à combustible 124B par l’intermédiaire d’une ligne électrique 123B alimente en courant alternatif le bobinage 120B par l’intermédiaire d’une ligne électrique 121B. Enfin, un système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur DC/AC 122C relié électriquement à au moins une pile à combustible 124C par l’intermédiaire d’une ligne électrique 123C alimente en courant alternatif le bobinage 120C par l’intermédiaire d’une ligne électrique 121C. On note que les systèmes d’alimentation électrique compris dans le système de propulsion 1 sont identiques.
LaFig. 3illustre schématiquement un agencement d’une pluralité de piles à combustibles 124A utilisées dans le système d’alimentation électrique. La pluralité de piles à combustible 124A comprend, de manière illustrative, trois piles à combustible 1241, 1242 et 1243 montées en série sur une ligne électrique entre un point P1 et un point P2. La pluralité de piles à combustible 124A délivre un courant continu. Les points P1 et P2 constituent les bornes de la pluralité de piles à combustible. Chaque pile à combustible est par exemple une pile à hydrogène.
Dans un mode de réalisation particulier, un condensateur 1240 est monté en parallèle de la pluralité de piles à combustible 124A. Ce condensateur 1240 a pour objectif de lisser la tension de sortie générée par la pluralité de piles à combustible 124A.
Les bornes P1, P2 de la pluralité de piles à combustible 124A sont reliées à la ligne électrique 123A. Dans un mode de réalisation particulier, la tension aux bornes P1, P2 de la pluralité de piles à combustible est de 540 Volts et la pluralité de piles à combustible 124A comprend au moins deux piles à combustible.
Dans un mode de réalisation particulier, le système de propulsion 1 comprend une unité de contrôle moteur (« Motor Control Unit (MCU) » en terminologie anglo-saxonne) 125. L’unité de contrôle moteur 125 communique avec chaque convertisseur DC/AC 122A, 122B et 122C en utilisant par exemple un bus de communication. L’unité de contrôle moteur 125 est adaptée pour contrôler les convertisseurs DC/AC 122A, 122B et 122C de sorte que chaque système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur DC/AC ainsi contrôlé délivre une puissance électrique prédéterminée au bobinage alimenté par ledit système d’alimentation électrique. Chaque convertisseur DC/AC est ainsi contrôlé par l’unité de contrôle moteur 125 de sorte à ajuster la puissance électrique délivrée par le système d’alimentation électrique correspondant audit convertisseur DC/AC à une valeur de puissance électrique cible (ou de consigne). La somme des puissances électriques cibles affectées aux bobinages du moteur électrique 120 permet d’obtenir une valeur de poussée désirée, par système de propulsion 1, pour l’aéronef A.
Dans un mode de réalisation particulier, le système de propulsion 1 comprend une pluralité d’unités de contrôle moteur 125, chaque unité de contrôle moteur 125 étant associée à un des convertisseurs DC/AC du système de propulsion 1.
Alimenter indépendamment chaque bobinage du moteur 120 permet d’augmenter la puissance du moteur sans pour autant augmenter la tension d’alimentation fournie par les systèmes d’alimentation électrique. Ainsi, en supposant que chaque système d’alimentation électrique délivre une puissance électrique de 200 kWatts et que le stator du moteur électrique 120 comporte trois bobinages, une puissance maximum de 600 kWatts peut être atteinte. Ainsi, un moteur électrique comportant cinq bobinages pourrait aisément atteindre la puissance d’un MégaWatt nécessaire à l’exploitation d’un aéronef de taille moyenne.
Cependant, il est connu que plus un moteur électrique comporte de bobinages, plus il est complexe à réaliser. Il peut donc être souhaitable d’utiliser des moteurs électriques comportant peu de bobinages et d’équiper l’aéronef d’un plus grand nombre de moteurs électriques. Cela peut être atteint en augmentant le nombre de systèmes de propulsion 1. En variante avantageuse, un couplage de plusieurs moteurs électriques est réalisé, tel que détaillé ci-dessous en relation avec la Fig. 4.
LaFig. 4illustre schématiquement un deuxième exemple du système de propulsion 1.
Dans l’exemple de la Fig. 4, le système de propulsion 1 comprend une pluralité de systèmes moteurs 12A, 12B … 12N identiques au système moteur 12 de la Fig. 3. Alors que, dans la Fig. 3, le système moteur 12 est relié directement à l’hélice 10 par un arbre de transmission 11, chaque système moteur 12A, 12B … 12N de la Fig. 4 est relié à un système de couplage 13 par l’intermédiaire d’un arbre de transmission, respectivement 11A, 11B … 11N. Le système de couplage 13 est, quant à lui, relié à l’hélice 10 par l’arbre de transmission 11. Le système de couplage 13 permet de coupler les puissances mécaniques délivrées par les moteurs électriques. Le système de couplage 13 est par exemple un train épicycloïdal. En supposant de nouveau que chaque système d’alimentation électrique délivre une puissance électrique de 200 kWatts, chaque moteur électrique peut alors délivrer une puissance de 600 kWatts. Dans l’exemple de la Fig. 4, en considérant un nombre N de systèmes moteurs12A, 12B …12N compris entre deux et six, le système de propulsion 1 est ainsi capable d’atteindre une puissance de 1200 à 3600 kWatts (1,2 à 3,6 MWatts). Le mode de réalisation du système de propulsion 1 décrit en relation avec la Fig. 4 permet donc d’obtenir des puissances mécaniques élevées, sans pour autant utiliser des moteurs électriques comportant un grand nombre de bobinages. Ici, en couplant deux à six moteurs électriques comportant trois bobinages, la puissance obtenue est équivalente à un moteur électrique comportant six à dix-huit bobinages.
Dans un mode de réalisation particulier, le système de propulsion 1 comprend une unité de contrôle système 400. L’unité de contrôle système 400 communique avec chaque unité de contrôle moteur 125 du système de propulsion 1, par exemple en utilisant un bus de communication. L’unité de contrôle système 400 reçoit des commandes de la part d’une unité de commande de l’aéronef A, lesdites commandes étant représentatives de puissances mécaniques demandées au système de propulsion 1. L’unité de commande est par exemple un levier de contrôle de la poussée délivrée par les systèmes de propulsion 1 de l’aéronef A. L’unité de contrôle système 400 convertit les commandes reçues de l’unité de commande en valeurs de puissance électrique et transmet ces valeurs de puissance électrique à chaque unité de contrôle moteur 125, de sorte que chaque système d’alimentation électrique délivre une puissance électrique correspondant à la valeur de puissance électrique résultant de la conversion.
LaFig. 5illustre un exemple d’architecture matérielle de l’unité de contrôle système 400.
Selon l’exemple d’architecture matérielle représenté à la Fig. 5, l’unité de contrôle système 400 comprend alors, reliés par un bus de communication 4000 : un processeur ou CPU (« Central Processing Unit » en terminologie anglo-saxonne) 4001 ; une mémoire vive RAM (« Random Access Memory » en terminologie anglo-saxonne) 4002 ; une mémoire morte ROM (« Read Only Memory » en terminologie anglo-saxonne) 4003 ; une unité de stockage, telle qu’un disque dur HDD (« Hard Disk Drive » en terminologie anglo-saxonne), ou un lecteur de support de stockage, tel qu’un lecteur de cartes SD (« Secure Digital » en terminologie anglo-saxonne) 4004 ; et une interface de communication 4005 permettant à l’unité de contrôle système 400 de communiquer avec chaque unité de contrôle moteur 125. L’interface de communication 4005 permet aussi à l’unité de contrôle système 400 de recevoir des commandes de l’unité de commande.
Le processeur 4001 est capable d’exécuter des instructions chargées dans la RAM 4002 à partir de la ROM 4003, d’une mémoire externe (non représentée), d’un support de stockage (tel qu’une carte SD), ou d’un réseau de communication. Lorsque l’unité de contrôle système 400 est mise sous tension, le processeur 4001 est capable de lire de la RAM 4002 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d’ordinateur causant la mise en œuvre, par le processeur 4001, d’un procédé permettant à l’unité de contrôle système 400 de communiquer avec l’unité de commande d’une part et avec chaque unité de contrôle moteur 125 d’autre part, ainsi que de convertir des commandes représentatives de puissances mécaniques en valeurs de puissance électrique. Des abaques prédéfinis ou des tables de conversion prédéfinies LUT (« Look-Up Tables » en terminologie anglo-saxonne), stockés en mémoire non volatile, peuvent être utilisés pour ce faire.
Tout ou partie du procédé mis en œuvre par l’unité de commande système 400 peut être implémenté sous forme logicielle par exécution d’un ensemble d’instructions par une machine programmable, par exemple un DSP (« Digital Signal Processor » en terminologie anglo-saxonne) ou un microcontrôleur, ou être implémenté sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, par exemple un FPGA (« Field-Programmable Gate Array » en terminologie anglo-saxonne) ou un ASIC (« Application-Specific Integrated Circuit » en terminologie anglo-saxonne).
LaFig. 6illustre un exemple d’architecture matérielle d’une unité de contrôle moteur 125.
Selon l’exemple d’architecture matérielle représenté à la Fig. 6, l’unité de contrôle moteur 125 comprend alors, reliés par un bus de communication 1250 : un processeur ou CPU (« Central Processing Unit » en terminologie anglo-saxonne) 1251 ; une mémoire vive RAM (« Random Access Memory » en terminologie anglo-saxonne) 1252 ; une mémoire morte ROM (« Read Only Memory » en terminologie anglo-saxonne) 1253 ; une unité de stockage, telle qu’un disque dur HDD, ou un lecteur de support de stockage, tel qu’un lecteur de cartes SD 1254 ; et une interface de communication 1255 permettant à l’unité de contrôle moteur 125 de communiquer avec un ou plusieurs convertisseurs DC/AC. L’interface de communication 1255 permet aussi à l’unité de contrôle moteur 125 de recevoir des commandes de l’unité de contrôle système 400, lesdites commandes comprenant des valeurs de puissance électrique cibles (ou de consigne).
Le processeur 1251 est capable d’exécuter des instructions chargées dans la RAM 1252 à partir de la ROM 1253, d’une mémoire externe (non représentée), d’un support de stockage (tel qu’une carte SD), ou d’un réseau de communication. Lorsque l’unité de contrôle moteur 125 est mise sous tension, le processeur 1251 est capable de lire de la RAM 1252 des instructions et de les exécuter. Ces instructions forment un programme d’ordinateur causant la mise en œuvre, par le processeur 1251, d’un procédé permettant à l’unité de contrôle moteur 125 de communiquer avec un ou plusieurs convertisseurs DC/AC d’une part et avec l’unité de contrôle système 400 d’autre part.
Tout ou partie du procédé mis en œuvre par l’unité de commande moteur 125 peut être implémenté sous forme logicielle par exécution d’un ensemble d’instructions par une machine programmable, par exemple un DSP ou un microcontrôleur, ou être implémenté sous forme matérielle par une machine ou un composant dédié, par exemple un FPGA ou un ASIC.
Dans un mode de réalisation, l’unité de contrôle système 400 et chaque unité de contrôle moteur 125 sont combinées dans un seul module, similaire aux unités décrites en relation avec les Figs. 5 et 6, fournissant les mêmes fonctionnalités que l’ensemble formé par l’unité de contrôle système 400 et chaque unité de contrôle moteur 125.
Claims (6)
- Système de propulsion (1) d’un véhicule (A), le système de propulsion (1) comprenant au moins un moteur électrique (120), chaque moteur électrique (120) comprenant un stator et un rotor, chaque stator comprenant une pluralité de bobinages indépendants (120A, 120B, 120C), caractérisé en ce que, pour chaque moteur électrique (120), le système de propulsion (1) comprend une pluralité de systèmes d’alimentation électrique, chaque système d’alimentation électrique alimentant en courant alternatif l’un des bobinages de la pluralité de bobinages du stator dudit moteur électrique (120), chaque système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur de courant continu vers alternatif (122A, 122B, 122C) alimenté par au moins une pile à combustible (124A, 124B, 124C).
- Système de propulsion (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque convertisseur de courant continu vers alternatif (122A, 122B, 122C) est associé à une unité de contrôle moteur (125), chaque unité de contrôle moteur (125) étant adaptée pour contrôler au moins un dit convertisseur de courant continu vers alternatif (122A, 122B, 122C) de sorte que chaque système d’alimentation électrique comprenant un convertisseur de courant continu vers alternatif (122A, 122B, 122C) ainsi contrôlé délivre une puissance électrique prédéterminée au bobinage indépendant alimenté par ledit système d’alimentation électrique.
- Système de propulsion (1) selon la revendication 2, caractérisé en ce que lorsque le système de propulsion (1) comprend une pluralité de moteurs électriques (120), le système de propulsion comprend une unité de contrôle système (400), l’unité de contrôle système (400) reçoit des commandes de la part d’une unité de commande du véhicule (A), lesdites commandes étant représentatives de puissances mécaniques demandées audit système de propulsion (1), et l’unité de contrôle système (400) transmet des commandes à chaque unité de contrôle moteur (125) de sorte que chaque système d’alimentation électrique délivre une puissance électrique au moteur électrique (120) avec lequel il est associé permettant d’obtenir chaque puissance mécanique demandée.
- Système de propulsion (1) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que, lorsque le système de propulsion (1) comprend une pluralité de moteurs électriques (120), le système de propulsion (1) comprend un système de couplage (13) permettant de coupler les puissances mécaniques délivrées par lesdits moteurs électriques.
- Système de propulsion (1) selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système de couplage (13) est un train épicycloïdal.
- Véhicule de type aéronef (A) comprenant au moins un système de propulsion (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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