FR3136131A1 - Procédé et système de contrôle et de régulation de motorisations d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride pour aéronef - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé de contrôle et de régulation d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef, dans lequel on met en œuvre, y compris en fonctionnement nominal : une détermination à chaque instant, pour différents objectifs et/ou différentes contraintes de fonctionnement nominal du groupe de propulsion et/ou de sustentation, de valeurs de consigne propres à chaque objectif et/ou contrainte pour un paramètre de contrôle du moteur électrique, une agrégation des valeurs de consigne,une commande du moteur électrique en appliquant la valeur de consigne agrégée comme valeur de consigne pour le paramètre de contrôle de la motorisation électrique. Figure pour l’abrégé : Figure 2
Description
La présente invention concerne les groupes de propulsion et/ou de sustentation hybrides pour aéronefs.
Plus particulièrement, elle propose un procédé et un système de contrôle et de régulation de motorisations de ces groupes.
L’invention s’applique typiquement à des groupes de propulsion et/ou de sustentation d’aéronefs à voilure fixe ou tournante tels qu’un hélicoptère ou un aéronef à décollage et atterrissage verticaux (« VTOL » ou « Vertical Take Off Landing » selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée).
A l’heure de l’électrification et/ou de l’hybridation des aéronefs, les architectures de groupe de propulsion et/ou de sustentation plus particulièrement à l’étude comprennent au moins une motorisation thermique (tel qu’un turbomoteur) et au moins une motorisation électrique. Ces motorisations sont montées en parallèle pour entrainer un dispositif de propulsion de cet aéronef, qui est par exemple une hélice, un rotor ou une soufflante. Un exemple d’application est un groupe propulsif hybride d’hélicoptère, entraînant les rotors principaux et d’anti-couple de celui-ci.
Dans de tels groupes hybrides, la fonction de la motorisation électrique est de redonder la chaine de génération et de fourniture de puissance propulsive pour permettre l’atterrissage de l’aéronef dans des conditions de sécurité satisfaisantes en cas de panne totale ou partielle de ladite chaine de puissance.
Cette redondance permet ainsi de pallier la panne du moteur principal thermique et de réaliser un dégagement et/ou un atterrissage d’urgence grâce à la puissance délivrée par le moteur électrique.
C’est la raison principale pour laquelle elle a été conçue.
Un but général de l’invention est d’optimiser encore le fonctionnement de tels groupes de propulsion et/ou de sustentation hybrides parallèle.
Notamment, l’invention propose de réguler efficacement et de façon simple l’entrainement du dispositif de propulsion, dans le cas nominal (c’est-à-dire en l’absence de panne), tout en optimisant des objectifs et en satisfaisant les contraintes de fonctionnement du groupe de propulsion et/ou de sustentation.
A cet effet, selon un aspect, l’invention propose un procédé de contrôle d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef comprenant une première motorisation comportant au moins un moteur thermique et une seconde motorisation comportant au moins un moteur électrique, lesdites motorisations étant adaptées pour entrainer en parallèle un dispositif de propulsion et/ou de sustentation, dans lequel on met en œuvre, y compris en fonctionnement nominal :
- une détermination à chaque instant, pour différents objectifs et/ou différentes contraintes de fonctionnement nominal du groupe de propulsion et/ou de sustentation, de valeurs de consigne propres à chaque objectif et/ou contrainte pour un paramètre de contrôle du moteur électrique,
- une agrégation des valeurs de consigne ainsi déterminées dans une chaine d’opérateurs, les opérateurs de ladite chaine et les valeurs de consigne propres à chaque objectif et/ou contrainte envoyées en entrée de ces opérateurs étant combinées en fonction de priorités des différents objectifs et/ou contraintes les uns par rapport aux autres,
- une commande du moteur électrique en appliquant la valeur de consigne agrégée en sortie de cette chaine comme valeur de consigne pour le paramètre de contrôle du moteur électrique.
Il est ainsi tiré parti des degrés de liberté supplémentaires permis par l’architecture hybride pour optimiser le fonctionnement du groupe propulsif complet, même en l’absence de panne, tout en permettant la prise en compte de multiples contraintes et objectifs dans l’élaboration des lois de contrôle.
On notera en outre que le contrôle proposé a l’avantage d’être très facilement adaptable. Il suffit de jouer sur les opérateurs et les combinaisons, ainsi que l’ordre de prise en compte dans la chaine d’opérateurs en fonction des contraintes et objectifs et de la hiérarchie que l’on veut leur donner.
Ledit procédé est avantageusement complété par les différentes caractéristiques suivantes prises seules ou en combinaison :
- la valeur de consigne agrégée ainsi déterminée est transmise comme valeur de consigne en entrée d’un traitement de contrôle qui assure l’opérabilité et la sécurité du moteur électrique, quelle que soit la valeur de consigne qu’il reçoit ;
- un paramètre de contrôle est choisi parmi les paramètres suivants : le couple délivré par le moteur électrique, la puissance délivrée par celle-ci, son courant d’alimentation ou une combinaison de ces paramètres ;
- les opérateurs de fonction d’agrégation sont choisis parmi les opérateurs suivants : min ou max, moyenne, moyenne pondérée ou une combinaison de ces opérateurs ;
- une valeur de consigne propre à un objectif et/ou contrainte est déterminée par un régulateur statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire ou par un régulateur à action intégrale, ledit régulateur étant lui-même déterminé par un traitement anti-emballement;
- la chaine d’opérateurs est adaptée pour agréger des valeurs de consigne propres à différentes contraintes et/ou objectifs, de la liste suivante :
- Sécurité du vol par la motorisation électrique alimentée par la batterie afin de garantir un atterrissage en sécurité malgré une perte de puissance du moteur thermique ;
- Bilan carbone du vol par décharge contrôlée de la batterie au cours du vol afin de moins consommer de carburant ;
- Limitation de l’endommagement du moteur thermique ;
- Sécurité de la batterie afin de garantir le respect de ses contraintes de chargement/déchargement en termes de puissance, d’énergie, de courant ou de tension électrique
- Limitation de l’endommagement batterie, ne faisant contribuer celle-ci que lorsque cela est nécessaire et limitant son chargement/déchargement à des niveaux adéquats en puissance ou en courant ;
- Sécurité du vol afin de maintenir instantanément la vitesse de rotation du dispositif de propulsion et/ou de sustentation malgré une perte (ou un excès) de puissance du moteur thermique ;
- Sécurité du moteur électrique afin de respecter ses contraintes de fonctionnement ;
- Sécurité du moteur thermique afin de respecter ses contraintes de fonctionnement ;
- Transparence pour le pilotage, afin de ne pas de ne pas générer d’à-coup ou de comportement inadapté perceptible par le pilote lorsque le contrôle fait varier la puissance des deux motorisations (thermique et électrique) :
- Protection de la chaine mécanique de transmission de puissance ;
- Sécurité de la chaine électrique ;
d’autres contraintes /ou objectifs étant également possibles (minimisation du bruit par exemple) ;
- un moteur thermique est commandé selon un paramètre de contrôle dudit moteur thermique, corrigé pour compenser l’effet du moteur électrique et assurer une transparence de pilotage ;
- la chaine d’opérateurs est adaptée pour ne pas solliciter la batterie et le moteur électrique en l’absence d’autres contraintes et objectifs ;
- la chaine d’opérateurs reçoit également en entrée une valeur de consigne pour la régulation de la vitesse de rotation du dispositif de propulsion par la motorisation électrique, la motorisation électrique contribuant, en mode nominal, à l’entrainement du dispositif de propulsion et/ou de sustentation ; dans cas, on met par exemple en œuvre un filtre fréquentiel passe haut sur la mesure de vitesse du dispositif de propulsion et/ou de sustentation prise en compte pour la détermination de la valeur de consigne agrégée ou sur le paramètre de contrôle de la commande du moteur électrique ;
L’invention concerne également un système de contrôle et de régulation d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef comprenant une première motorisation comportant au moins un moteur thermique et une deuxième motorisation comportant au moins un moteur électrique, ledit système comportant un système de régulation du moteur thermique et un système de régulation du moteur électrique, dans lequel le système de régulation du moteur électrique et/ou le système de régulation du moteur thermique est(sont) adaptés pour la mise en œuvre du procédé tel que défini précédemment.
Elle concerne en outre un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef comprenant une première motorisation comportant au moins un moteur thermique et une deuxième motorisation comportant au moins un moteur électrique, dans lequel ledit groupe comporte un tel système de contrôle.
L’invention concerne par ailleurs un aéronef à voilure tournante, comportant un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride tel que défini précédemment.
D’autres caractéristiques, buts et avantages de l’invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
– la illustre de façon générale un groupe de propulsion et/ou de sustentation à architecture hybride parallèle ;
– la illustre un exemple d’agrégation et de chaine d’opérateurs conforme à un mode de mise en œuvre possible pour l’invention ;
– la illustre un exemple d’agrégation et de chaine d’opérateurs conforme à un autre mode de mise en œuvre possible ;
– la illustre un autre exemple encore d’agrégation et de chaine d’opérateurs.
On se place dans ce qui suit dans le cas d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation à architecture hybride parallèle pour hélicoptère, avec une première motorisation comportant au moins un moteur thermique 1 (turbomoteur) et une deuxième motorisation comportant au moins un moteur électrique 2 alimenté par une batterie d’accumulateurs 2a ( ).
Des mises en œuvre pour des groupes propulsifs contenant plusieurs moteurs thermiques et/ou plusieurs chaines électriques sont bien entendu également envisageables.
Les arbres de sortie, respectivement 21, 22, des deux moteurs 1, 2 sont montés en parallèle sur des engrenages d’une boite de transmission principale BTP. La sortie de ladite boîte BTP entraine elle-même l’arbre 3 d’un élément propulseur 4 tel qu’une hélice, un rotor ou une soufflante de turbofan.
Le moteur thermique 1 et le moteur électrique 2 sont chacun gérés par un système de régulation (respectivement 11, 12) qui leur transmet une consigne pour un paramètre de contrôle donné, par exemple une consigne de puissance PM1* pour le moteur thermique 1 et de couple TM2* pour le moteur électrique 2. Ces systèmes de régulation 11, 12 reçoivent eux-mêmes en entrée une consigne de vitesse du propulseur NR*, ainsi que des paramètres du moteur thermique 1 ou du moteur électrique 22 qu’il régule. La consigne de vitesse NR* est transmise à ces régulateurs 11, 12 par un système de contrôle 5 de l’aéronef.
Les systèmes de régulation 11 et 12 et le système de contrôle 5 définissent ensemble le système de contrôle d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation.
Le système de régulation 11 du moteur thermique 1 met en œuvre un traitement de régulation standard destiné à assurer un bon fonctionnement définissant ensemble le moteur thermique 1 et sa sécurité (contrôle de différents paramètres de fonctionnement tels que la vitesse N1, la température T45 des gaz au niveau des turbines, la plage de couple de sortie de l’arbre du moteur, la maitrise du pompage, de l’extinction, de l’accélération du dispositif de propulsion …). Ce traitement, classiquement connu en lui-même, est éventuellement modifié, à la marge, pour tenir compte de la contribution du moteur électrique 2.
Le système de régulation 12 peut utiliser le système de régulation natif d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation à moteur électrique. Un tel système natif met en œuvre un traitement de contrôle qui assure classiquement la protection du moteur 2 et son bon fonctionnement en termes notamment de plages de courant ou de couples de sorties ou encore en termes de température de fonctionnement (Courant Max/Min, Couple Min/Max, Température Max …).
Le système de régulation 12 détermine en outre, notamment en régime nominal, une consigne de fonctionnement envoyée en entrée du logiciel de régulation natif du moteur électrique 2 pour un paramètre de contrôle tel que le couple délivré par le moteur électrique 2 ou encore la puissance délivrée par celui-ci ou son courant d’alimentation.
Dans ce qui suit, il est considéré, pour illustrer un mode de mise en œuvre, que le moteur électrique 2 est commandé en couple selon la consigne Tq*.
Par convention, dans la suite du document,
- Tq*>0 signifie que le moteur électrique fournit de la puissance mécanique à la boite de transmission BTP (et décharge donc la batterie) : fonctionnement en mode Moteur ;
- Tq*<0 signifie que le moteur électrique prélève de la puissance mécanique sur la boite de transmission BTP (et charge donc la batterie) : fonctionnement en mode Générateur.
A chacun des objectifs n°i à atteindre (ou contraintes à respecter) (où i est un indice muet, nombre entier), on associe une consigne de couple Tqi.
Les consignes de couple Tqi ainsi déterminées en parallèle sont combinées selon des opérateurs de fonctions d’agrégation. De tels opérateurs sont, typiquement, des opérateurs min ou max, moyenne, moyenne pondérée, somme ou des combinaisons de ces opérateurs. Les entrées et sorties de ces opérateurs sont combinées en fonction de la priorité (c’est-à-dire de l’importance) de chaque objectif (ou contrainte) n°i.
Le résultat de cette agrégation des consignes de couple Tqi (noté Tq*) est envoyé en entrée du logiciel de régulation natif du moteur électrique 2.
Calcul des consignes Tq*i propres aux différents objectifs et/ou aux différentes contraintes
Différents objectifs et contraintes sont décrits ci-après, avec des exemples de détermination de valeurs de consigne correspondants.
- Sécurité du vol – Consigne TqEnBatMin(t)
La consigne de couple TqEnBatMin(t) calculée par cette sous-routine est destinée à assurer en permanence une réserve d’énergie suffisante dans la batterie pour garantir un atterrissage en sécurité en cas de perte de puissance du moteur thermique 1 (régulation d’énergie minimale de la batterie).
On suppose que le régulateur 12 du moteur électrique 2 dispose, à chaque instant, de la part de la batterie 2a qui alimente ce moteur électrique 2, d’une estimation de l’énergie (notée EnBat(t)) de ladite batterie.
Le système de contrôle 5 transmet également à chaque instant au régulateur 12, une estimation de l’énergie minimale à garantir EnBatMin(t).
A partir des informations EnBat(t) et EnBatMin(t), un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire) mis en œuvre par le régulateur 12 calcule une commande de couple TqEnBatMin(t).
Une régulation simple mise en œuvre peut être telle que :
- TqEnBatMin(t) = K*(EnBatMin(t) – EnBat(t)),
où K est un paramètre de régulation préalablement défini tel que K<0
D’autres régulations sont bien entendu possibles. En particulier, la régulation peut être faite de façon équivalente sur le niveau de charge de la batterie 2a (« SOC » ou « State Of Charge » selon la terminologie anglosaxonne généralement utilisée), ou sur le niveau de tension électrique en sortie de la batterie 2a, au lieu d’une régulation sur l’énergie.
- Bilan carbone du vol - TqEnBatMax(t)
La consigne calculée par cette sous-routine est destinée à contrôler la décharge de la batterie 2a au cours du vol de manière à moins consommer de carburant.
L’objectif est de réduire le bilan carbone en consommant de l’énergie électrique plutôt que du kérosène.
A cet effet on met en œuvre une régulation de l’énergie maximale qui doit être garantie par la batterie.
Le système de contrôle 5 transmet au régulateur 12, à chaque instant pendant le vol, une estimation EnBatMax(t) de l’énergie maximale à garantir. Cette estimation est fonction de la décharge désirée au cours du vol pour la batterie 2a. Elle est par exemple contrôlée par des actions du pilote ou par l’avionique de l’aéronef. Connaissant la mission à réaliser, le pilote ou l’avionique hélicoptère contrôle le profil d’utilisation de l’énergie électrique en agissant sur cette énergie maximale EnBatMax(t) transmise ensuite au régulateur 12 par le calculateur externe.
En fonction de cette estimation et de l’estimation de l’énergie disponible de la batterie 2a, le régulateur 12 met en œuvre un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire) et calcule une commande TqEnBatMax(t).
Un exemple de calcul de consigne est par exemple :
- TqEnBatMax(t) = K*(EnBatMax (t) - EnBat(t)),
où K est un paramètre de régulation préalablement défini tel que K<0.
Là aussi, la régulation peut être faite de façon équivalente sur d’autres paramètres, notamment le niveau de charge « SOC » de la batterie 2a ou la tension électrique en sortie de la batterie 2a.
- Endommagement du moteur thermique 1- PEndoMax(t)
La consigne calculée par cette sous-routine permet de limiter l’endommagement du moteur thermique 1 en faisant contribuer le moteur électrique 2 à la fourniture de puissance lors de phases critiques susceptibles d’endommager fortement le moteur thermique 1.
Cet objectif est traité par une régulation (en valeur min/max) d’un paramètre représentatif de l’endommagement moteur thermique 1 (e.g. : T45Max, N1Max,TqMax voire N1Min pour le cyclage du moteur thermique).
Le système de contrôle 5 détermine à chaque instant un paramètre synthétique à ne pas dépasser PEndoMax(t).
Dans le cas d’un turbomoteur, un exemple de régulation possible est une limitation sur la température en entrée de la turbine :
PEndoMax(t) = T45pmc(t).
Cependant, par temps froid, il est possible que le paramètre prépondérant sur l’endommagement moteur soit plutôt le couple Cm transmis au rotor ou une vitesse de rotation N1 du moteur thermique.
On peut alors prévoir, en cas de température extérieure en dessous d’un seuil donné, qu’une sous-routine mise en œuvre par le régulateur 12 peut choisir pour le paramètre synthétique à ne pas dépasser, une limitation basée sur le couple Cm ou la vitesse N1 du moteur thermique. Un exemple de régulation possible est alors une limitation sur la vitesse du moteur thermique 1 à puissance maximale continueN1pmc(t):
PEndomax(t) = N1pmc(t).
Par ailleurs, le régulateur 12 dispose, à chaque instant, d’une estimation de l’endommagement courant du moteur thermique 1. Cet endommagement courant du moteur thermique 1 au cours de la mission sera noté PEndo(t) et est transmise par le régulateur 11 du moteur thermique 1 ou par le système de contrôle 5.
A partir des informations PEndo(t) et PEndoMax(t), le régulateur 12 détermine, au moyen d’un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire), une commande TqPEndoMax(t).
Un exemple de calcul de consigne est :
- TqPEndoMax(t)= K*(PEndoMax(t) - PEndo(t)),
où K est un paramètre de régulation préalablement défini tel que K<0.
Une autre contrainte sur l’endommagement du moteur thermique 1 peut se traduire par le fait qu’un paramètre synthétique du moteur thermique 1 ne doit pas descendre sous un seuil donné, noté PEndomin(t).
Par exemple, pour éviter de compter des cycles partiels de N1, il est utile de maintenir N1>N1min pour compte de cycle N1. De la même manière que précédemment, l’algorithme de régulation du régulateur 12 détermine comme consignePEndoMin(t) pour cette contrainte :
- Tq* PEndoMin (t)= K*(PEndo Min (t) - PEndo(t)),
où K est un paramètre de régulation préalablement défini tel que K<0.
- Sécurité Batterie-TqPBatMax(t) et TqPBatMin(t)
La consigne calculée par cette sous-routine permet de garantir le bon fonctionnement de la batterie 2a en respectant ses capacités de chargement/déchargement.
Cet objectif est traité par une régulation de puissance (ou tension ou courant) minimale et maximale de la batterie (Puissance PwBatMin/Max, Tension VBat_MinMax, Courant IBatMin/Max, température) ;
Ainsi, il est fait comme hypothèse que le bon fonctionnement de la batterie peut être traduit à chaque instant en un paramètre PBat(t) qui doit être maintenu dans un intervalle [PBatMin(t) PBatMax(t)]. Le paramètre PBat(t) peut être choisi égal à IBat(t) (courant en Ampère) ou VBat(t) (Tension en Volt) ou PWBat(t) (puissance en Watt). Il est calculé à chaque instant par le régulateur 12 en fonction d’information sur la sortie de la batterie 2a.
La protection de la batterie 2a peut aussi consister à limiter sa température maximum de fonctionnement. Le régulateur 12 détermine à cet effet à chaque instant une valeur en courant IBat(t) ou puissance PWBat(t) admissible qui est représentative de cette limitation de température.
A partir des informations PBat(t), PBatmin(t) et PBatmax(t), le régulateur 12 détermine, au moyen d’un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire), deux commandes TqPBatMin(t) et TqPBatMax(t).
Un exemple de consigne maximum ou minimum déterminée par le régulateur 12 est :
- TqPBatMin(t)= KMin*( PBatMin(t) - PBat(t))
- TqPBatMax(t)= KMax*( PBatMax(t) - PBat(t)),
où le signe de KMin ou de KMax dépend du paramètre PBat choisi : K>0 pour IBat(t) et PWBat, K< pour VBat).
- Endommagement batterie - Tq BatEndo
La consigne de couple calculée par cette sous-routine est destinée à limiter l’endommagement de la batterie 2a en ne faisant contribuer la batterie que lorsque cela est nécessaire pour assurer des objectifs ou satisfaire des contraintes plus prioritaires.
Pour assurer cet objectif, il est fait comme hypothèse que la durée de vie d’une batterie est d’autant plus élevée que son courant est faible.
La consigne correspondante du régulateur consistera à privilégier un courant batterie nul :
- TqBatEndo= 0
Par ailleurs, lorsque la batterie est sollicitée, la sous-routine peut aussi limiter un paramètre de fonctionnement - PWBat(t) ; IBat(t) ; VBat(t) – à un niveau adapté à la minimisation de son endommagement (niveau souvent plus faible que celui permettant de garantir sa sécurité).
- Sécurité du vol - TqNRotorMin(t) et TqNRotorMax (t)
6.1Calcul de consigne
La consigne de couple calculée par cette sous-routine permet de maintenir instantanément (à l’échelle de la seconde) la vitesse de l’élément propulseur 4 (rotor dans ce qui suit) dans une plage acceptable autour de sa consigne, malgré un manque (ou un excès) de puissance du moteur thermique 1 (détecté ou non ; causé par une panne ou simplement par une limitation nominale de dynamique ou de puissance stabilisée).
Le système électrique fournira de la puissance au rotor pour le maintenir sa vitesse sur la consigne dans les cas suivants :
- En cas d’extinction ou de perte de puissance du moteur thermique en vol (cas de panne du moteur) ;
- En cas de demande de puissance trop rapide, au-delà des capacités d’accélération du moteur thermique. La vitesse rotor chutant transitoirement le temps que le moteur thermique accélère suffisamment pour délivrer la puissance tirée par le rotor. Pendant cette période transitoire, le moteur électrique fournira un complément de puissance aidant à maintenir la vitesse rotor sur la consigne. Cela permet d’améliorer l’opérabilité de l’aéronef, ce qui peut être un facteur de sécurité supplémentaire en conditions de vol sévères ;
- En cas de sollicitation du moteur thermique au-delà de son domaine opérationnel de puissance, le moteur électrique contribuera aussi à maintenir la vitesse rotor jusqu’à ce que le pilote revienne dans le domaine admissible par le moteur thermique. Cela permet aussi de pouvoir offrir un complément de puissance additionnel à l’aéronef qui peut permettre au pilote de se sortir d’une situation de vol inconfortable. Cet objectif est traité par une régulation de vitesse Max et Min du Rotor.
A cet effet, le système de contrôle 5 transmet à chaque instant au régulateur 12 :
- une vitesse rotor minimal NRotorMin(t) au-dessus de laquelle la sécurité de l’aéronef est garantie ;
une mesure (ou estimation) de la vitesse rotor NRotor(t), ladite mesure Nrotor pouvant être fournie par le système de contrôle 5 ou directement réalisée par le régulateur 12 en utilisant, par exemple, la vitesse mesurée de la machine électrique 2. A partir des informations NRotor(t) et NRotorMin(t), le régulateur 12 calcule au moyen d’un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire) une commande TqNRotorMin(t).
Un exemple de calcul de consigne est :
- TqNRotorMin(t)= K*(NRotorMin(t) - NRotor(t)), K>0
D’autres mises en œuvre peuvent bien entendu être envisagées, notamment avec intégrateur et/ou anticipation de puissance, de manière à éviter une erreur statique trop importante. De même, il est à prévoir un filtre dynamique passe haut à appliquer sur la mesure de vitesse NRotor(t) ou la commande TqNRotorMin(t) de manière à ne pas exciter (voire déstabiliser) des modes vibratoires de la chaine cinématique.
Par ailleurs, pour permettre de couvrir une panne (non détectée) du moteur thermique 1 entrainant une surpuissance, le régulateur 12 détermine, de manière similaire à la logique ci-dessus, une consigne de couple maximum visant à garantir que la vitesse du rotor ne dépasse pas une valeur NRotormax(t).
Cette consigne est telle que :
- TqNRotorMax (t)= K*(NRotorMax(t) - NRotor(t)), K>0
6.2 Interactions possibles entre les régulations des moteurs
Lorsque la régulation de vitesse du moteur thermique 1 est active en même temps que la régulation de vitesse du moteur électrique 2, il peut se produire une interaction (ou un couplage) entre ces deux boucles d’asservissement dont les effets peuvent être préjudiciables (si cette interaction n’a pas été prise en compte lors de la conception des 2 boucles de régulation):
- Oscillations (stables mais dégradant le comportement)
- Instabilités
- Mauvaise répartition de puissance entre la contribution du moteur thermique 1 et celle du moteur électrique 2
On propose différentes options pour éviter ces interactions.
Une première option consiste, à l’instar de ce qui est appliqué sur les hélicoptères bimoteurs, à contrôler les régulations du moteur thermique 1 et du moteur électrique 2 de telle manière que leur interaction/couplage entraine un comportement dynamique satisfaisant en termes de bande passante, stabilité,
Cette option a l’avantage d’être simple et fiable. Elle nécessite :
- de diminuer les gains de chaque régulation, ce qui limite la bande passante de chacune ; ce qui peut être problématique en cas de panne du moteur thermique 1 ou du moteur électrique 2 ;
- de mettre en œuvre un mécanisme de contrôle pour coordonner la répartition des puissances étant donné que les deux boucles de régulation de vitesse doivent chacune comporter un intégrateur pour assurer un statisme nul, intégrateurs qui pourraient diverger en sens opposé en l’absence d’un tel mécanisme de contrôle.
Une autre option consiste à échanger entre les deux régulateurs 11, 12 les états de régulation des différents moteurs. Ainsi, la boucle de régulation de chaque moteur 1 ou 2 peut s’adapter (en termes de paramétrage mais aussi de structure) en fonction de l’état de régulation de l’autre moteur. Ceci permet une dynamique de régulation optimale quelle que soit la situation (panne d’un des deux moteurs ou état de régulation nominal de chaque moteur 1 ou 2). Cette option évite en outre d’avoir à mettre en œuvre un mécanisme de répartition des puissances car la présence simultanée de deux intégrateurs dans les deux régulations ne serait plus nécessaire, dès lors que la coordination des boucles serait assurée par les échanges entre leurs états de régulation.
Cette option nécessite un échange d’une donnée critique entre les deux logiciels de régulation, avec un risque de défaut non détecté sur le calcul (ou la transmission) de cette donnée.
Une autre option encore consiste à désaligner les consignes de vitesse. En effet, en choisissant
- NRotorMin = NRotorNom – ΔNRotor
(ΔNRotor >0, typiquement : ΔNRotor=1%) et
- NRotorMax = NRotorNom + ΔNRotor où NRotorNom est la consigne de régulation de vitesse rotor du moteur thermique1,
les interactions entre les deux boucles de régulation de vitesse sont alors très largement amoindries (voire inexistantes). Cette option permet une dynamique de régulation optimale quelle que soit la situation (panne d’un des deux moteurs ou cas nominal). De plus, il n’est pas nécessaire de mettre en œuvre un mécanisme de répartition des puissances, p car le fait de décaler les consignes fait que les actions intégrales des deux régulateurs ne sont pas activent en même temps et la répartition de puissance est alors définie par conception : en situation stabilisée, lorsque la mesure de vitesse NRotor est sur la consigne NRotorNom, c’est le moteur thermique qui délivre toute la puissance et le moteur électrique est à puissance nulle.
- Sécurité du moteur électrique 2
L’objectif (sécurité/opérabilité du moteur électrique 2) est de garantir le bon fonctionnement du moteur électrique 2 en respectant ses capacités en termes de couple Min/Max et température Min/max.
Cet objectif est traité en utilisant le logiciel de surveillance/ régulation natif du moteur électrique 2.
Nativement, la régulation du moteur électrique 2 intègre toutes les protections nécessaires pour garantir son opérabilité et sa sécurité et ce, quel que soit la consigne de couple Tq* que l’on injecte en entrée du logiciel. L’utilisation du moteur électrique 2 dans un contexte d’hybridation sur hélicoptère ne nécessite donc, a priori, pas de modification du logiciel de régulation.
Il faut juste prévoir que le régulateur 12 calcule la puissance mécanique délivrée par le moteur électrique 2 pour alimenter le logiciel de régulation du moteur thermique 1 (cf. ci -dessous – paragraphe 9).
- Sécurité du moteur thermique 1
Par construction, l’algorithme de régulation du régulateur 11 du moteur thermique 1 intègre toutes les protections nécessaires pour garantir, en respectant ses capacités en termes de couple, N1, T45 Min/Max, pompage, extinction … son opérabilité et sa sécurité et ce, quelle que soit la consigne de vitesse rotor NR et quelle que soit la consigne de puissance ConsignePW que l’on injecte en entrée du logiciel.
- Transparence pour le pilotage
Malgré la présence (et l’activation) du moteur électrique 2, le pilotage de l’hélicoptère doit être comparable à celle d’un hélicoptère conventionnel. En particulier, les variations de puissance du moteur électrique 2 (hors cas de pannes) ne doivent pas induire de variations significatives de la vitesse rotor.
Cet objectif de transparence de pilotage est traité en modifiant la consigne de puissance en entrée du logiciel de régulation du moteur thermique 1 de manière à compenser la puissance fournie (ou prélevée) par le moteur thermique 1.
D’un point de vue du logiciel de régulation du moteur thermique 1, les variations de puissance du moteur électrique 2 peuvent être assimilées à une perturbation de couple sur le rotor au même titre que les perturbations de couple aérodynamique. Or, il faut savoir que la puissance nécessaire au rotor pour maintenir sa vitesse proche de sa consigne est une donnée d’entrée du logiciel de régulation du moteur thermique 1 (cette donnée est appelée « Anticipation de puissance »). Habituellement, lorsque le moteur thermique 1 fonctionne sans hybridation parallèle (c’est à dire sans le moteur électrique 2), « l’anticipation de puissance » se calcule exclusivement sur des données aérodynamiques de l’hélicoptère (pas collectif, pression ambiante, température ambiante, effet de sol, vitesse avancement …).
En présence du moteur électrique 2 et pour compenser son effet sur la vitesse NR, il est proposé de modifier l’anticipation de puissance du moteur thermique 1 selon la formule :
- ConsignePW_Hybridée = ConsignePW_NonHybridée – PWMécanique_M2
où :
- ConsignePW_Hybridée : Consigne de puissance à injecter dans le logiciel de régulation du moteur thermique 1 en présence du moteur électrique 2 (version hybridée) ;
- ConsignePW_NonHybridée : consigne de puissance basée sur les caractéristiques aérodynamiques du rotor (= anticipation de puissance du moteur thermique 1 sans hybridation) ;
- PWMécanique_M2 = Tq_M2*NR (ou tout autre moyen de calculer la puissance mécanique) ;
Tq_M2 étant le couple assuré par le moteur électrique 2.
Toutes les autres fonctionnalités de la régulation du moteur thermique 1 sont inchangées. Ceci garantit que l’opérabilité et la sécurité du moteur thermique 1 dans un contexte d’hybridation sera identique à celles d’un contexte non hybridé. Il faudra juste s’assurer de l’absence de danger en cas de panne non détectée dans le calcul (ou la transmission de la donnée) de PWMécanique_M2.
Il est à noter que la modification de la consigne de puissance va dans le sens d’un découplage des régulations des moteur thermique 1 et 2 et limite ainsi les risques d’interactions délétères des deux régulations.
- Protection de la BTP
L’objectif est de garantir le bon fonctionnement de la boite BTP et plus généralement de la chaine mécanique de transmission de puissance en respectant ses capacités en termes de
- Couple Max sur l’entrée du moteur thermique 1 (pas de couple Min en raison de la roue libre) ;
- Couple Max/Min sur l’entrée du moteur électrique 2 ;
- Couple Max/Min sur l’arbre Mat Rotor (Somme des couples délivrés par le moteur thermique 1 et le moteur électrique 2).
Cet objectif est traité en intégrant :
- Dans la limite de couple du moteur thermique 1, la limite Max de l’entrée 1 de la BTP ;
- Dans la limite de couple du moteur électrique 2, les limites Min/Max de l’entrée 2 de la BTP ;
- Dans la limite de couple du moteur électrique 2, la limite Max Totale BTP atténuée du couple courant du moteur thermique 1.
La protection en couple max/min de l’entrée BTP du moteur électrique 2 peut facilement être garantie en imposant :
- TqMin_BTP_M2 < Tq* < TqMax_BTP_M2
où TqMin_BTP_M2 (resp. TqMax_BTP_M2) est la limite minimale (resp. maximale) du couple admissible sur l’entrée BTP du moteur électrique 2.
La protection en couple max de l’entrée BTP du moteur thermique 1 peut facilement être garantie en intégrant dans le logiciel de régulation du moteur thermique 1 :
- TqMax_M1_Hybridée = min(TqMax_M1_NonHybridée, TqMax_BTP_M1)
où TMax_M1_NonHybridée est la limite de couple maximale existant nativement dans le logiciel de régulation du moteur thermique 1, TqMax_BTP_M1 est la limite maximale du couple admissible sur l’entrée BTP du moteur thermique 1.
Pour garantir que la somme des couples moteur thermique 1 et moteur électrique 2 n’excède pas une limite haute TqMax_BTP_Total (et que TqMax_BTP_Total < TqMax_BTP_M2 + TqMax_BTP_M1), une idée simple consiste à intégrer dans les limitations des moteur thermique 1 et moteur électrique 2, une (ou les 2) limites de couple suivantes :
- TqMax_M1 = TqMax_BTP_Total – Tq_M2 (Eq. 1)
- TqMax_M2 = TqMax_BTP_Total – Tq_M1 (Eq. 2)
On peut décider de ne modifier que la limite de couple du moteur thermique 1 (Eq. 1). En effet, comme Tq_M1 <= TqMax_M1 (cette inégalité est garantie par la limitation de couple du moteur thermique 1), l’équation 1 garantit à elle seule :
- Tq_M1 + Tq_M2 < TqMax_BTP_Total
Dans une variante de mise en oeuvre, pour tenir compte de la différence entre la dynamique entre le couple Tq_M2 du moteur électrique 2 et celle du couple max du moteur thermique 1 (dont la dynamique est potentiellement moins élevée), seule la limite de couple du moteur électrique 2 (Eq. 2) est modifiée. En effet, comme Tq_M2 <= TqMax_M2 (cette inégalité est garantie par la limitation de couple du moteur électrique 2), l’équation 2 garantit à elle seule :
- Tq_M1 + Tq_M2 < TqMax_BTP_Total
Avec cette mise en œuvre, en cas de panne de régulation du moteur thermique 1, le moteur thermique 1 est régulé de manière dégradée par la régulation auxiliaire qui n’intègre pas de limitation de couple. Ainsi, seul le moteur électrique 2 est disponible pour garantir Tq_M1 + Tq_M2 < TqMax_BTP_Total.
Au final, la protection BTP est garantie par une limitation de couple sur le moteur électrique 2 :
- TqMin_BTP_M2 < Tq* < min(TqMax_BTP_M2, TqMax_BTP_Total – Tq_M1)
et une limitation de couple sur le moteur thermique 1 :
- TqMax_M1_Hybridée = min(TqMax_M1_NonHybridée, TqMax_BTP_M1)
Par la suite, on note :
- TqMin_M2 = TqMin_BTP_M2
- TqMax_M2 =
min(TqMax_BTP_M2, TqMax_BTP_Total – Tq_M1)= TqMax_M2
- Sécurité de la chaine électrique
Afin de garantir le bon fonctionnement (et en toute sécurité) de la chaine électrique (e.g. : batterie et/ou moteur électrique 2, il est souhaitable (voire nécessaire) de garantir que la tension du bus V_Bus soit maintenue dans un intervalle V_BusMin (valeur basse) et V_BusMax (valeur haute).
Cet objectif (protection électrique des composants connectés au bus HVDC) est traité par une régulation en tension Max et Min du bus HVDC.
On garantit ainsi le bon fonctionnement de tous les composants connectés au bus HVDC.
Pour assurer cet objectif, il est fait comme hypothèse que le bon fonctionnement des composants connectés (e.g. : Batterie, Moteur électrique 2….) peut être garanti si on maintient la tension du Bus HVDC dans un intervalle admissible [V_BusMin, V_BusMax].
Il sera aussi fait comme hypothèse que le logiciel de contrôle du moteur électrique 2 dispose, à chaque instant, d’une estimation ou de la mesure de la tension du bus HVDC V_Bus.
A partir des informations V_Bus(t), V_BusMin(t) et V_BusMax(t), il est possible de calculer au moyen d’un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire) deux commandes TqVBusMin(t) et TqVBusMax(t).
Un exemple trivial de régulateur est :
- TqVBusMin(t) = K*( V_BusMin(t) - V_Bus(t)), K < 0
- TqVBusMax(t) = K*( V_BusMax(t) - V_Bus(t)), K < 0
Impact sur les logiciels de régulation natifs des moteur thermique 1 et moteur électrique 2 :
La régulation du moteur thermique 1 se fait à l’aide du logiciel de régulation 11, avec modification de la consigne puissance (Objectif 9) et prise en compte de la limite BTP (Objectif 10).
La régulation du moteur électrique 2 se fait en injectant comme consigne de couple en entrée du logiciel de régulation natif une consigne Tq* issue de l’agrégation des couples de consignes déterminés pour les différents objectifs et contraintes.
Un exemple de traitement d’agrégation est donné ci-après.
Les différentes consignes de couple sont agrégées dans une chaine combinant différents opérateurs « max » ou « min ».
Les opérateurs de ladite chaine et les valeurs de consigne propres à chaque objectif et/ou contrainte envoyées en entrée de ces opérateurs sont combinées en fonction des priorités relatives des différents objectifs et/ou contraintes.
Dans l’exemple illustré sur la , la chaine d’opérateurs est la suivante (des contraintes/objectifs moins prioritaires vers les plus prioritaires) :
- Optimisation Endommagement Batterie:
- La sous-routine liée à l’endommagement de la batterie calcule la valeur Tq_BatEndo qui doit être la valeur de couple par défaut en l’absence d’autre(s) consigne(s) ;
- Optimisation Endommagement Moteur thermique 1 (turbine à gaz):
- la consigne de couple Tq_BatEndo est comparée par un opérateur « min » à une valeur Tq_TagEndoMin en dessous de laquelle le couple de sortie du moteur électrique 2 doit se situer pour éviter l’endommagement du moteur thermique 1 ;
- la sortie de l’opérateur précédent (qui correspond à la plus petite des deux valeurs) est comparée par un opérateur « max » à une valeur de consigne Tq_TagEndoMax au-dessus de laquelle le couple de consigne Tq* en sortie de la chaine d’agrégation doit se situer pour éviter l’endommagement du moteur thermique 1 ;
- Gestion Energie Batterie (bilan carbone et réserve d’énergie de la batterie) :
- la sortie de l’opérateur max précédent est ensuite envoyée en entrée d’un autre opérateur max pour être comparée à une valeur de consigne de couple Tq_EnBatMax au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour garantir un bilan carbone satisfaisant ;
- la sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur min à une valeur de consigne de couple Tq_EnBatMin en dessous de laquelle le couple Tq* doit se situer pour permettre une réserve d’énergie suffisante pour assurer la sécurité du vol ;
- Sécurité vitesse Rotor :
- la sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur min à une valeur consigne de couple haute Tq_RotorMax en dessous de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de sécurité de vitesse du rotor ;
- la sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur max à une valeur consigne de couple basse Tq_RotorMin au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de sécurité de vitesse du rotor ;
- Sécurité Batterie :
- La sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur max à une valeur de consigne de couple basse Tq_PwBatMin au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de sécurité batterie en termes de capacité de chargement/déchargement ;
- La sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur min à une valeur de consigne de couple haute Tq_PwBatMax en dessous de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de la batterie en termes de capacité de chargement/déchargement ;
- Protection Couple :
- La sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur max à une valeur de consigne de couple basse Tq_TqMin_M2 au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de protection de couple en entrée de la BTP ;
- La sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur min à une valeur de consigne de couple haute Tq_TqMax_M2 au-dessous de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de protection de couple en entrée de la BTP ;
- Sécurité composants électriques :
- La sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur max à une valeur de consigne de couple Tq_VBusMax au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de sécurité sur les composants électriques ;
- La sortie de cet opérateur est ensuite comparée par un opérateur min à une valeur de consigne de couple Tq_VBusMin au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour respecter les contraintes de sécurité sur les composants électriques.
La sortie de l’ensemble de la chaine ainsi décrite donne la valeur de consigne de couple Tq* à appliquer au logiciel de régulation natif du moteur électrique 2.
Autre mise en œuvre possible pour le calcul des consignes de couple Tq_i :
Dans ce qui précède, pour la majeure partie des contraintes et/ou objectifs n°i (i=RotorMax, RotorMin, VBusMax, VBusMin, … ), la consigne de couple dédiée Tq_i à appliquer au moteur électrique 2 est calculée par l’intermédiaire d’une boucle fermée mettant en œuvre un régulateur K de la forme :
Tq_i (t) = K_i*(Consigne_i(t) - Mesure_i(t))
K_i représente un régulateur qui peut être statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire.
- Régulateur à action intégrale
En variante, pour atteindre des performances de régulation suffisamment élevées en régime stabilisé (par exemple la précision de régulation), on met en œuvre une régulation dynamique incluant une action intégrale. Cette action intégrale va assurer une erreur de régulation nulle en régime stabilisé :
- Erreur_i(t) = Consigne_i(t) - Mesure_i(t) = 0
quelles que soient les imprécisions de modèle et les perturbations diverses agissant sur le système.
En général, la conception d’un régulateur dynamique incluant une action intégrale ne pose pas de problème particulier et est bien maitrisée par un homme de l’art. Cependant, dans le contexte du traitement qui vient d’être décrit, les consignes de couple Tq_i (t) ne sont pas systématiquement appliquées au moteur électrique 2 in fine (car les consignes de couple Tq_i (t) passent par la cascade min/max).
Par conséquent, les régulateurs dynamiques avec action intégrale travaillent en boucle ouverte (c’est à dire : la consigne de couple Tq_i (t) n’est pas appliquée) avec une erreur de régulation apparente (Erreur_i(t) = Consigne_i(t) - Mesure_i(t)) différente de 0.
Ces conditions de travail font que l’action intégrale, si elle n’est pas traitée spécifiquement, peut prendre des valeurs très grandes (en valeur absolue) voire diverger.
Pour éviter cet écueil, il est mis en œuvre un traitement évitant à l’action intégrale de diverger (a minima) et permettant des bonnes performances dynamiques (en termes de temps de réponse, dépassement …) (fonction algorithmique généralement appelé anti-emballement ou « anti-windup » selon la terminologie anglosaxonne habituelle).
- Exemple d’algorithme Anti-Windup
Par la suite, il est présenté un algorithme particulier d’anti-emballement qui peut être appliqué à tous les régulateurs K_i incluant une action intégrale (ou, plus généralement, une action basse fréquence à grand gain).
La première étape consiste à séparer le régulateur dynamique K(s) (où s est la variable de Laplace) en deux régulateurs :
K(s) = K1(s) +K2(s)
où :
La dynamique de K1(s) est basse fréquence et, généralement, grand gain. Typiquement, il s’agit d’une action intégrale du type K1(s) = Ki /s (Ki = gain intégral)
La dynamique de K2(s) est moyenne et haute fréquence (et dont le gain est généralement limité). Typiquement, il s’agit d’une action proportionnelle du type K2(s) = Kp (Kp = gain proportionnel).
Seule la partie K1(s) doit être traitée par l’anti-emballement. Le point clé de l’algorithme consiste à ajouter à l’entrée de K1(s) un terme additionnel et proportionnel à la différence entre la consigne de couple Tq* effectivement appliquée au moteur électrique 2 (i.e : après application des min/max associés à chaque contrainte/objectif) et la consigne de couple Tq_i calculée (itération courante).
Au final la consigne de couple Tq_i est calculée selon la formule suivante :
Tq_i(s) = K2(s)*Erreur_i(s) + K1(s) *(Erreur_i(s) + Kaw(s)*(Tq(s) – Tq_i(s)))
Où :
Kaw(s) est une fonction de transfert permettant de régler l’effet de l’anti-windup.
En régime saturé permanent (i.e : Tq ~= Tq_i), K1(s) étant du type intégral (son entrée doit donc être nulle), on doit donc avoir :
0 = Erreur_i + Kaw(0)*(Tq – Tq_i)
=> Tq_i = Tq + Erreur_i/ Kaw(0)
Par défaut, lorsque K2(s)= Kp et K1(s)= Ki /s, il est avantageux de choisir Kaw(s) = Kaw = 1/Kp.
A partir de ce réglage initial (c’est-à-dire, par défaut),
- si on choisit Kaw = 1/Kp alors la dynamique de régulation en sortie du régime saturé sera identique à la dynamique de régulation correspondant à un échelon de consigne ;
- si on augmente Kaw >1/Kp alors Tq_i(t) va se rapprocher de Tq(t) en régime saturé et on va ralentir la dynamique de convergence de Erreur_i(t) vers 0 et limiter les risques de dépassement (« overshoot » selon la terminologie anglosaxonne) ou de non atteinte de seuil bas (« undershoot » selon la terminologie anglosaxonne) ;
- si on diminue Kaw <1/Kp alors Tq_i(t) va s’éloigner de Tq(t) en régime saturé et on va accélérer la dynamique de convergence de Erreur_i(t) vers 0 et augmenter les risques de dépassement ou de non atteinte de seuil bas.
Ainsi, le réglage du gain Kaw permet de gérer simplement et efficacement le compromis inévitable entre vitesse de convergence et dépassement de la dynamique de régulation en sortie du régime saturé.
Autre exemple de chaine de consigne
Dans le cas où l’endommagement (et donc la durée de vie) de la batterie n’est pas à prendre en compte, on peut décider que le moteur électrique 2 contribue, tout le temps et en mode nominal, à la régulation de vitesse du rotor sur sa consigne NRNom (qui est la même consigne de vitesse rotor traitée par le logiciel de régulation du moteur thermique 1).
Il est possible de calculer au moyen d’un algorithme de régulation (statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire) une commande TqNRotorNom(t). Par exemple :
- TqNRotorNom(t)= K*(NRotorNom(t) - NRotor(t)), K>0
Dans ce cas, la chaîne d’agrégation peut être celle illustrée sur la , qui correspond à celle de la dans laquelle la consigne de contrainte Tq_BatEndo est remplacée par la consigne TqNRotorNom en entrée du premier opérateur min.
Cette chaine de consigne a l’avantage de permettre d’étendre la bande passante de la régulation NR sur des fréquences plus élevées (e.g. WME < 10 rad/sec) que celles que permet d’atteindre le seul moteur thermique 1.
La régulation de vitesse rotor à NRotorNom assurée par le logiciel de régulation du moteur thermique 1 a en effet une bande passante relativement restreinte (WTag < 2.5 rad/sec, cette limitation étant en partie due à la réactivité limitée du moteur thermique).
La réactivité du moteur électrique 2 électrique est plus élevée, ce qui permet d’atteindre des fréquences de régulation plus élevées (WME < 10 rad/sec)
Pour éviter que les boucles de régulation de vitesse rotor à NRotorNom (consigne de régulation de vitesse rotor du moteur thermique 1) assurées par le moteur thermique 1 et le moteur électrique 2 soient en interaction sur les fréquences W < 3rad/sec (avec les effets délétères possibles que cela suppose : instabilités, désalignement, équilibrage potentiellement nécessaire …), les bandes passantes des boucles de régulation de vitesse assurées par le moteur thermique 1 et le moteur électrique 2 sont découplées en fréquence :
- Le moteur thermique 1 continue de réguler sur les fréquences WTag < 3rad/sec (régulation de vitesse du moteur thermique 1 inchangée),
- Le moteur électrique 2 assure une régulation de vitesse uniquement sur les fréquences WME > 3 rad/sec et < 10 rad/sec.
En pratique, restreindre la bande passante de la régulation de vitesse du moteur électrique 2 sur les fréquences > 3 rad/sec revient à positionner un filtre dynamique de type « passe-haut » sur le régulateur de vitesse rotor à NRotorNom du moteur électrique. Les caractéristiques principales de la régulation de vitesse rotor à NRotorNom deviennent alors les suivantes (gain de la fonction de transfert entre NRotor et TqNRotorNom):
- Fréquence nulle : gain nul. Cette caractéristique assure que, en régime stabilisé, la contribution en couple du moteur électrique 2 est nulle (pas de consommation électrique en régime stabilisé). La régulation est entièrement assurée par le moteur thermique 1. Il n’y a pas de répartition des puissances délivrées par les moteurs 1 et 2.
- Fréquence < 3 rad/sec : gain faible. Cette caractéristique assure que, sur les fréquences < 3 rad/sec, la contribution en couple du moteur électrique 2 est faible, la régulation étant principalement assurée par le moteur thermique 1. La contribution du moteur électrique est alors faible, de sorte qu’elle ne dégrade ni de déstabilise la régulation de vitesse du moteur thermique 1.
- 3 rad/sec < Fréquence < 10 rad/sec : gains « normaux ». Cette caractéristique assure que, sur les fréquences comprises entre 3 et 10 rad/sec, la contribution en couple du moteur électrique 2 est nominale. La régulation de vitesse est principalement assurée par le moteur électrique 2. La contribution du moteur thermique 1 est faible, de sorte qu’elle ne dégradeni déstabilise la régulation de vitesse du moteur électrique 2.
- Fréquence > 10 rad/sec : gain faible. Cette caractéristique assure que, sur les fréquences > 10 rad/sec, la contribution en couple du moteur électrique 2 sera faible ; la régulation ne sera donc assurée ni par le moteur thermique 1 ni par le moteur électrique 2. La chaine cinématique sera donc en « boucle ouverte ». Par conséquent, les modes de résonnance haute fréquences (>10rad/sec) ne seront pas déstabilisés par les régulations (mais resteront potentiellement excitées par les oscillations de couple haute fréquence du moteur électrique 2 provoquées par son onduleur).
Autre exemple de chaîne d’opérateurs:
Dans le cas des chaînes illustrées sur les figures 2 et 3, les contraintes/objectifs portant sur le bon fonctionnement de la batterie étaient de deux ordres :
- Limiter son endommagement (c’est à dire : vieillissement) en essayant de limiter son courant (ou sa puissance) le plus proche possible de 0. Cet objectif avait une priorité faible et intervenait donc très en amont de la chaine des combinaisons min/max.
- Garantir sa sécurité en limitant par exemple sa puissance (ou son courant) en valeur haute et basse (e.g. : Puissance Maxi de 400kW et Puissance Mini de -50kW). Cette contrainte avait une priorité haute et intervenait donc très en aval de la chaine des combinaisons min/max.
En pratique, il peut être défini un niveau intermédiaire de fonctionnement de la batterie qui limite son endommagement et permet de préserver sa durée de vie tout en permettant de délivrer ou absorber une puissance suffisante pour avoir un impact fonctionnel significatif (voir en particulier supra §5. Endommagement batterie).
Par exemple, on définit un niveau intermédiaire de fonctionnement de la batterie défini entre les bornes en Puissance PwBatMinInt et PwBatMaxInt.
Typiquement, pour illustrer cet exemple de mise en œuvre :
PwBatMinInt = -25kW : on autorise de recharger la batterie selon une puissance max de 25kW,
PwBatMaxInt = 100kW : on autorise de décharger la batterie selon une puissance max de 100kW, par exemple dans le cas d’une situation d’urgence,
Les valeurs chiffrées de seuil de puissance ne sont données ici qu’à titre purement illustratif.
Le dispositif de régulation 12 met en œuvre une sous-routine (algorithme de régulation statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire) qui calcule deux commandes TqPwBatMinInt(t) et TqPwBatMaxInt(t). Un exemple de calcul est :
- TqPwBatMinInt(t) = K*( PwBatMinInt(t) - PwBat(t))
- TqPwBatMaxInt(t) = K*( PBatMaxInt(t) - PwBat(t))
La prise en compte des commandes TqPwBatMinInt(t) et TqPwBatMaxInt(t) dans une chaine d’agrégation est illustrée sur la .
La chaine d’opérateurs illustrée sur cette figure est similaire à celle de la , modifiée de la façon suivante :
- La sortie de l’opérateur min qui compare la sortie d’un opérateur max précédent à une valeur de consigne de couple Tq_EnBatMin en dessous de laquelle le couple Tq* doit se situer pour permettre une réserve d’énergie suffisante pour assurer la sécurité du vol, est envoyée sur un opérateur max dont l’autre entrée reçoit la valeur de consigne TqPwBatMinInt(t) au-dessus de laquelle le couple Tq* doit se situer pour assurer le fonctionnement batterie intermédiaire.
- La sortie de cet opérateur est envoyée sur l’entrée d’un opérateur min avec la valeur de consigne TqPwBatMaxInt(t) en dessous de laquelle le couple Tq* doit se situer pour assurer le fonctionnement batterie intermédiaire.
- La sortie de cet opérateur est envoyée sur l’opérateur min qui dans la chaîne de la
Le reste de la chaîne est quant à lui inchangé.
Avec une telle chaîne, les pleines performances de la batterie (Tq_PwBatMax = 400kW et Tq_PwBatMin = -50kW) peuvent être sollicitées/utilisées pour des raisons de sécurité de vitesse rotor (Tq_RotorMin ou Tq_RotorMax).
En revanche, des contraintes/objectifs moins prioritaires tels que l’endommagement batterie (Tq_BatEndo), l’endommagement du moteur thermique (Tq_TagEndoMax et TqTagEndoMin), l’énergie restante dans la batterie (Tq_EnBatMin et TqEnBatMax) ne pourront solliciter la batterie que sur la plage de puissance intermédiaire (Tq_PwBatMaxInt = 100kW et Tq_PwBatMinInt = -25kW).
Claims (13)
- Procédé de contrôle et de régulation d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef comprenant une première motorisation comportant au moins un moteur thermique (1) et une seconde motorisation comportant au moins un moteur électrique (2), lesdites motorisations étant adaptées pour entrainer en parallèle un dispositif de propulsion et/ou de sustentation, procédé dans lequel on met en œuvre, y compris en fonctionnement nominal :
- une détermination à chaque instant, pour différents objectifs et/ou différentes contraintes de fonctionnement nominal du groupe de propulsion et/ou de sustentation, de valeurs de consigne propres à chaque objectif et/ou contrainte pour un paramètre de contrôle du moteur électrique,
- une agrégation des valeurs de consigne ainsi déterminées dans une chaine d’opérateurs de fonction d’agrégation, les opérateurs de ladite chaine et les valeurs de consigne propres à chaque objectif et/ou contrainte envoyées en entrée de ces opérateurs étant combinées en fonction de priorités des différents objectifs et/ou contraintes les uns par rapport aux autres,
- une commande du moteur électrique en appliquant la valeur de consigne agrégée en sortie de cette chaine comme valeur de consigne pour le paramètre de contrôle du moteur électrique.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel la valeur de consigne agrégée ainsi déterminée est transmise comme valeur de consigne en entrée d’un traitement de contrôle qui assure l’opérabilité et la sécurité du moteur électrique, quelle que soit la valeur de consigne qu’il reçoit.
- Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel un paramètre de contrôle est choisi parmi les paramètres suivants : le couple délivré par le moteur électrique, la puissance délivrée par celle-ci, son courant d’alimentation ou une combinaison de ces paramètres.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les opérateurs de fonction d’agrégation sont choisis parmi les opérateurs suivants : min ou max, moyenne, moyenne pondérée ou une combinaison de ces opérateurs.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 4 dans lequel une valeur de consigne propre à un objectif et/ou contrainte est déterminée par un régulateur statique ou dynamique, linéaire ou non linéaire ou par un régulateur à action intégrale, ledit régulateur étant lui-même déterminé par un traitement anti-windup.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la chaine d’opérateurs est adaptée pour agréger des valeurs de consigne propres à différentes contraintes et/ou objectifs, de la liste suivante :
- Sécurité du vol par la batterie en cas de perte de puissance du moteur thermique ;
- Bilan carbone du vol, la décharge de la batterie au cours du vol étant contrôlée et limitant la consommation de carburant ;
- Limitation de l’endommagement du moteur thermique ;
- Sécurité du chargement/déchargement de la batterie
- Limitation de l’endommagement batterie, ne faisant contribuer celle-ci que lorsque cela est nécessaire pour assurer des objectifs plus prioritaires ;
- Maintien de la vitesse de rotation instantanée du dispositif de propulsion et/ou de sustentation malgré une perte (ou un excès) de puissance du moteur thermique ;
- Sécurité du moteur électrique en fonctionnement ;
- Sécurité du moteur thermique en fonctionnement
- Transparence pour le pilotage :
- Protection de la chaine mécanique de transmission de puissance
- Sécurité de la chaine électrique.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel un moteur thermique est commandé selon un paramètre de contrôle dudit moteur thermique, corrigé pour compenser l’effet du moteur électrique et assurer une transparence de pilotage.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la chaine d’opérateurs est adaptée pour ne pas solliciter la batterie et le moteur électrique en l’absence d’autres contraintes et objectifs.
- Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel la chaine d’opérateurs reçoit également en entrée une valeur de consigne pour la régulation de la vitesse de rotation du dispositif de propulsion et/ou de sustentation par la motorisation électrique, la motorisation électrique contribuant, en mode nominal, à l’entrainement du dispositif de propulsion et/ou de sustentation.
- Procédé selon la revendication 9, dans lequel on met en œuvre un filtre fréquentiel passe haut sur la mesure de vitesse du dispositif de propulsion et/ou de sustentation prise en compte pour la détermination de la valeur de consigne agrégée ou sur le paramètre de contrôle de la commande du moteur électrique.
- Système de contrôle et de régulation d’un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef comprenant une première motorisation comportant au moins un moteur thermique et une deuxième motorisation comportant au moins un moteur électrique, ledit système comportant un système de régulation du moteur thermique et un système de régulation du moteur électrique, dans lequel le système de régulation du moteur électrique et/ou le système de régulation du moteur thermique est(sont) adaptés pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 10.
- Groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride d’aéronef comprenant une première motorisation comportant au moins un moteur thermique et une deuxième motorisation comportant au moins un moteur électrique, dans lequel ledit groupe comporte un système de contrôle et de régulation selon la revendication 11.
- Aéronef à voilure tournante, comportant un groupe de propulsion et/ou de sustentation hybride selon la revendication 12.
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