FR3145145A1 - Aéronef à source d’énergie hybride et à jonction électromécanique de distribution et de protection - Google Patents

Aéronef à source d’énergie hybride et à jonction électromécanique de distribution et de protection Download PDF

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Abstract

L’invention concerne un aéronef comprenant : - des groupes d’entraînement, - une pluralité de batteries (B1,…,BM) des groupes d’entraînement, - au moins une source de génération électrique reliée à une ou plusieurs batteries (B1,…,BM) et comprenant au moins un convertisseur électrique (E1,…,EN), et - une commande d’alimentation pour commander chaque source de génération électrique en fonction des besoins en puissance des groupes d’entraînement et pour commander chaque batterie (B1,…,BM) de manière passive. Les batteries (B1,…,BM) sont réparties en groupements (G1,…,GN) couplés chacun à un convertisseur électrique (E1,…,EN). Chaque convertisseur électrique (E1,…,EN) est relié à chaque batterie (B1,…,BM) du groupement (G1,…,GN) auquel il est couplé via une jonction (102) respective incluant deux contacteurs ou relais électromécaniques et une diode. Chaque jonction (102) peut fonctionner exclusivement selon un état unidirectionnel dans lequel le courant circule du convertisseur électrique (E1,…,EN) vers la batterie (B1,…,BM), un état bidirectionnel et un état bloquant. [Fig. 3]

Description

Aéronef à source d’énergie hybride et à jonction électromécanique de distribution et de protection
Le domaine de l’invention se rapporte aux aéronefs, et plus particulièrement aux aéronefs à motorisation électrique.
L’aéronautique connaît actuellement de nombreuses évolutions liées aux contraintes environnementales, et notamment à l’exigence de réduction progressive des émissions de gaz à effets de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2). À ce titre, le développement d’aéronefs à motorisation électrique apparaît comme un réel progrès.
L’architecture classique d’un aéronef à motorisation électrique intègre au moins une source de génération électrique agencée pour alimenter des blocs de batteries – ou «battery packs» en anglais –, lesquels fournissent une puissance à des groupes d’entraînement en fonction de leurs besoins. Par exemple, dans le cas d’un avion à décollage et atterrissage verticaux électrique (aussi connu sous l’acronyme anglophone eVTOL pour «electric Vertical Take-Off and Landing»), les batteries sont combinées à des groupes d’entraînement vertical et à des groupes d’entraînement horizontal. La multiplication des batteries permet notamment de répondre à des normes de sécurité imposant une redondance des composants pour garantir une continuité du vol et de l’atterrissage – ou «continued safe flight and landing» en anglais.
En particulier, dans le cas d’un aéronef à source d’énergie hybride, la source de génération électrique comprend un générateur d’énergie électrique à combustible, par exemple un turbomoteur ou une pile à combustible.
Le circuit d’alimentation des batteries peut être configuré de sorte que les batteries sont branchées les unes aux autres en parallèle. Un tel circuit est alors muni d’un système de protection par séparation pour isoler les batteries les unes des autres en cas de défaillance, et notamment de court-circuit. L’activation d’un tel système de protection entraîne toutefois une perte significative de puissance due à l’isolation d’une des batteries.
Une solution possible pour éviter la propagation d’une défaillance à l’ensemble des batteries tout en limitant l’éventuelle perte de puissance consiste à séparer directement les batteries et à organiser le circuit d’alimentation en conséquence. Cependant, un tel principe de séparation se trouve contrarié dans le cas d’un aéronef à source d’énergie hybride. En effet, un aéronef à source d’énergie hybride a ceci de particulier que les batteries sont en général plus nombreuses que les sources de génération électrique pour des raisons de redondance, ce qui implique de connecter les batteries entre elles via des sources de génération électrique partagées. Une telle interconnexion constitue un point de défaillance commun entre des batteries alimentées par une même source de génération électrique.
Par ailleurs, chaque batterie est généralement couplée à un convertisseur électrique, par exemple un onduleur ou un redresseur. De ce fait, la multiplication des batteries, et donc des convertisseurs électriques, a un impact important sur le poids de l’aéronef et donc sur sa consommation d’énergie électrique lors d’un vol.
La présente invention vient améliorer la situation.
À ce titre, l’invention se rapporte à un aéronef à source d’énergie hybride comprenant :
- au moins deux groupes d’entraînement comprenant chacun un propulseur et un moteur électrique,
- une pluralité de sources d’énergie électrique stockée agencées chacune pour fournir de l’énergie électrique à un ou plusieurs des moteurs électriques,
- au moins une source de génération électrique comprenant un générateur électrique à combustible et reliée à une ou plusieurs des sources d’énergie électrique stockée, et
- une commande d’alimentation agencée pour émettre une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique en fonction des besoins en puissance des groupes d’entraînement, la pluralité de sources d’énergie électrique stockée étant agencée pour fournir de l’énergie électrique en fonction de la différence entre les besoins en puissance des groupes d’entraînement et la puissance fournie par l’au moins une source de génération électrique sur la base de la commande de puissance, l’au moins une source de génération électrique étant en outre propre à recharger la pluralité de sources d’énergie électrique stockée de sorte que chaque source d’énergie électrique stockée est traitée de manière passive.
Les sources d’énergie électrique stockée sont réparties en plusieurs groupements,
Chaque source de génération électrique comprend au moins un convertisseur électrique, le nombre total de convertisseurs électriques étant égal au nombre de groupements, chaque convertisseur électrique étant respectivement couplé à un groupement.
Chaque convertisseur électrique est relié à chaque source d’énergie électrique stockée du groupement auquel le convertisseur électrique est couplé via une jonction respective incluant un premier contacteur ou relais électromécanique, un deuxième contacteur ou relais électromécanique et une diode.
La commande d’alimentation est agencée pour commander le fonctionnement de chaque jonction selon un ensemble d’états constitué de : un état unidirectionnel dans lequel le courant circule du convertisseur électrique vers la source d’énergie électrique stockée, un état bidirectionnel dans lequel le courant circule dans les deux sens et un état bloquant dans lequel la circulation du courant est bloquée.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une jonction comprend un circuit électrique au sein duquel le premier contacteur ou relais électromécanique est branché en série avec la diode, laquelle présente un sens passant du convertisseur électrique vers la source d’énergie électrique stockée, et le deuxième contacteur ou relais électromécanique est branché en parallèle avec le premier contacteur ou relais électromécanique et la diode.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, au moins une source d’énergie électrique stockée est une batterie.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, les groupes d’entraînement comprennent au moins un groupe d’entraînement de décollage et au moins un groupe d’entraînement de croisière.
Par exemple, au moins un groupe d’entraînement de décollage est un groupe d’entraînement de décollage/atterrissage vertical et au moins un groupe d’entraînement de croisière est un groupe d’entraînement horizontal.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le générateur d’énergie électrique à combustible d’au moins une source de génération électrique est un turbomoteur et chaque convertisseur électrique de la source de génération électrique est un convertisseur de courant alternatif-continu.
Le turbomoteur peut être alimenté par du carburant, du biocarburant ou de l’essence synthétique.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, le générateur d’énergie électrique à combustible d’au moins une source de génération électrique est une pile à combustible et chaque convertisseur électrique de la source de génération électrique est un convertisseur de courant continu-continu.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’aéronef est agencé pour fonctionner au moins selon un mode turbo dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraînement nécessitent une fourniture de puissance en provenance de l’au moins une source de génération électrique et de la pluralité de sources d’énergie électrique stockée, et dans lequel la commande d’alimentation commande chaque jonction selon l’état unidirectionnel.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’aéronef est agencé pour fonctionner au moins selon un mode économie d’énergie dans lequel la commande d’alimentation commande chaque jonction selon l’état bloquant.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’aéronef est agencé pour fonctionner au moins selon un mode de charge dans lequel la commande d’alimentation émet une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraînement tout en chargeant les sources d’énergie électrique stockée.
Typiquement, dans le mode de charge, la commande d’alimentation commande séquentiellement chaque jonction en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur électrique à une source d’énergie électrique stockée du groupement auquel le convertisseur électrique est couplé, en commandant chaque jonction entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée associés selon l’état unidirectionnel et en commandant toute autre jonction selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que chaque source d’énergie électrique stockée soit chargée.
Avantageusement, dans le mode de charge, la commande d’alimentation commande séquentiellement chaque jonction en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur électrique à plusieurs sources d’énergie électrique stockée du groupement auquel le convertisseur électrique est couplé, en commandant chaque jonction entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée associés selon l’état bidirectionnel et en commandant toute autre jonction selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que chaque source d’énergie électrique stockée soit chargée.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, l’aéronef est agencé pour fonctionner au moins selon un mode tampon dans lequel la commande d’alimentation émet une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraînement via les sources d’énergie électrique stockée, et dans lequel la commande d’alimentation commande séquentiellement chaque jonction en une ou plusieurs phases d’alimentation, la commande d’alimentation étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase d’alimentation en associant chaque convertisseur électrique à une source d’énergie électrique stockée du groupement auquel le convertisseur électrique est couplé, en commandant chaque jonction entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée associés selon l’état unidirectionnel et en commandant toute autre jonction selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que les besoins en puissance des groupes d’entraînement soient satisfaits.
D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés sur lesquels :
représente une vue schématique de l’architecture électrique d’un aéronef selon l’invention comprenant une unique source de génération électrique,
représente une vue schématique de l’architecture électrique d’un aéronef selon l’invention comprenant deux sources de génération électrique,
illustre un circuit d’alimentation de batteries par des convertisseurs électriques via des jonctions au sein de l’architecture électrique d’un aéronef selon l’invention,
illustre les états possibles d’une jonction,
illustre schématiquement le circuit électrique d’une jonction,
illustre un convertisseur électrique et un groupement de batteries couplés du circuit d’alimentation de la dans un mode de fonctionnement dit « mode turbo » de l’aéronef,
illustre le mode turbo de la dans le cas où une défaillance apparaît au niveau d’une batterie du groupement,
illustre le mode turbo de la dans le cas où une défaillance apparaît au niveau du convertisseur électrique couplé au groupement,
illustre un convertisseur électrique et un groupement de batteries couplés du circuit d’alimentation de la dans un mode de fonctionnement dit « mode économie d’énergie » de l’aéronef,
illustre un convertisseur électrique et un groupement de batteries couplés du circuit d’alimentation de la dans un mode de fonctionnement dit « mode de charge » ou dans un mode de fonctionnement dit « mode tampon » de l’aéronef, et
illustre le mode de charge ou le mode tampon de la dans un cas particulier.
La illustre un aéronef 2 comprenant une commande d’alimentation 4, une pluralité de groupes d’entraînement 6, 8, 10, 12, 14 et 16, une pluralité de sources d’énergie électrique stockée 18, 20, 22 et 24 ainsi qu’une source de génération électrique 26.
Typiquement, les deux groupes d’entraînement 6 et 8 sont des groupes d’entraînement de croisière sollicités lors de la phase du vol située entre le décollage et l’atterrissage, tandis que les quatre groupes d’entraînement 10, 12, 14 et 16 sont des groupes d’entraînement de décollage sollicités lors de la phase de décollage.
À titre d’exemple, l’aéronef 2 peut être un avion à décollage et atterrissage verticaux électrique – ou eVTOL –, auquel cas les quatre groupes d’entraînement de décollage 10, 12, 14 et 16 sont des groupes d’entraînement vertical et les deux groupes d’entraînement de croisière 6 et 8 sont des groupes d’entraînement horizontal.
Dans l’exemple illustré sur la , le groupe d’entraînement de croisière 6 comprend un convertisseur de courant continu-alternatif 30, un moteur électrique 32 et un propulseur 34. De même, le groupe d’entraînement de croisière 8 comprend un convertisseur de courant continu-alternatif 38, un moteur électrique 40 et un propulseur 42.
Le convertisseur de courant continu-alternatif 30 (respectivement 38) peut aussi être appelé « onduleur » – ou «inverter» dans la littérature anglophone – et est agencé pour générer un courant alternatif à partir d’un courant continu.
Le propulseur 34 (respectivement 42), qui correspond par exemple à une hélice, est agencé pour permettre à l’aéronef 2 de se déplacer dans une direction sensiblement horizontale. En régime de vol, le propulseur 34 (respectivement 42) consomme une puissance de l’ordre de 150 kilowatts (kW).
Le groupe d’entraînement de croisière 6 (respectivement 8) est relié en entrée à un commutateur 36 (respectivement 44) qui permet de relier cette entrée à la sortie du groupe d’entraînement de décollage 10 (respectivement 14) ou à celle du groupe d’entraînement de décollage 12 (respectivement 16).
Le groupe d’entraînement de décollage 10 (respectivement 12, 14 et 16) comprend une hélice 46 (respectivement 50, 54 et 58) entraînée par un moteur électrique 62 (respectivement 66, 70 et 74) et une hélice 48 (respectivement 52, 56 et 60) entraînée par un moteur électrique 64 (respectivement 68, 72 et 76).
Dans le cadre de l’invention, les hélices 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 et 60 sont considérées comme des propulseurs, au même titre que les propulseurs 34 et 42.
Les moteurs électriques 62 et 64 (respectivement 66 et 68, 70 et 72, 74 et 76) sont respectivement alimentés par des convertisseurs de courant continu-alternatif 78 et 80 (respectivement 82 et 84, 86 et 88, 90 et 92). Les convertisseurs de courant continu-alternatif 78 et 80 (respectivement 82 et 84, 86 et 88, 90 et 92) sont reliés à un bus électrique du groupe d’entraînement de décollage 10 (respectivement 12, 14 et 16).
La source d’énergie électrique stockée 18 (respectivement 20, 22 et 24) est agencée pour stocker de l’énergie électrique afin d’en fournir au groupe d’entraînement de décollage 10 (respectivement 12, 14 et 16) en fonction des besoins en puissance de celui-ci. Par ailleurs, les sources d’énergie électrique stockée 18 et 20 (respectivement 22 et 24) sont également agencées pour fournir de l’énergie électrique au groupe d’entraînement de croisière 6 (respectivement 8) via le commutateur 36 (respectivement 44).
Pour ce faire, la source d’énergie électrique stockée 18 (respectivement 20, 22 et 24) est reliée, par le bus électrique du groupe d’entraînement de décollage 10 (respectivement 12, 14 et 16), aux convertisseurs de courant continu-alternatif 78 et 80 (respectivement 82 et 84, 86 et 88, 90 et 92). Par ailleurs, le bus électrique de chacun des groupes d’entraînement de décollage 10 et 12 (respectivement 14 et 16) est relié à une sortie respective de ces derniers à laquelle peut être sélectivement relié le commutateur 36 (respectivement 44).
La source d’énergie électrique stockée 18 (respectivement 20, 22 et 24) est typiquement un bloc de batteries – ou «battery packs» en anglais –, c’est-à-dire de batteries d’accumulateurs électriques destinés chacun au stockage d’énergie électrique. En variante, les sources d’énergie électrique stockée 18, 20, 22 et 24 peuvent être des supercondensateurs ou une combinaison de batteries et de supercondensateurs.
Dans la suite de la description, par souci de concision, la source d’énergie électrique stockée 18 (respectivement 20, 22 et 24) est appelée batterie 18 (respectivement 20, 22 et 24).
Typiquement, les batteries 18, 20, 22 et 24 délivrent ensemble une puissance de l’ordre de 800 kilowatts (kW) à 100% de leurs capacités respectives.
La source de génération électrique 26 est agencée pour générer de l’énergie électrique et alimenter chacune des batteries 18, 20, 22 et 24. Pour ce faire, la source de génération électrique 26 présente plusieurs bus électriques de distribution.
Dans l’exemple de la , la source de génération électrique 26 est reliée à chacun des groupes d’entraînement de décollage 10, 12, 14 et 16 via un bus électrique de distribution respectif. Les bus électriques de distribution permettent de relier chaque groupe d’entraînement de décollage 10, 12, 14 et 16 à la batterie respectivement associée 18, 20, 22 et 24.
Dans l’exemple de la , la source de génération électrique 26 comprend deux convertisseurs électriques 94 et 96 ainsi qu’un générateur d’énergie électrique à combustible 98.
Plus particulièrement ici, les convertisseurs électriques 94 et 96 sont des convertisseurs de courant alternatif-continu tandis que le générateur d’énergie électrique à combustible 98 est un turbomoteur, par exemple un générateur à turbine – ou turbogénérateur.
Le convertisseur de courant alternatif-continu 94 (respectivement 96) est relié aux entrées respectives des groupes d’entraînement de décollage 10 et 12 (respectivement 14 et 16). Ainsi, le convertisseur de courant alternatif-continu 94 définit le point de départ des bus électriques de distribution reliant la source de génération électrique 26 respectivement aux entrées des groupes d’entraînement de décollage 10 et 12 tandis que le convertisseur de courant alternatif-continu 96 définit le point de départ des bus électriques de distribution reliant la source de génération électrique 26 respectivement aux entrées des groupes d’entraînement de décollage 14 et 16.
Le convertisseur de courant alternatif-continu 94 (respectivement 96) peut aussi être appelé « redresseur » – ou «rectifier» dans la littérature anglophone – et est agencé pour générer un courant continu à partir d’un courant alternatif.
Typiquement, le turbomoteur 98 peut délivrer une puissance de l’ordre de 300 kilowatts (kW) à 100% de sa capacité.
Il doit être noté que la source de génération électrique 26 peut fonctionner aussi bien à courant continu qu’à courant alternatif, auquel cas les convertisseur 94 et 96 sont, selon le cas, des convertisseurs de courant alternatif-continu ou des convertisseurs de courant continu-continu – ou «DC-to-DC converter» dans la littérature anglophone.
La source de génération électrique 26 peut ainsi être basée sur un turbomoteur alimenté par un réservoir de carburant conventionnel, de biocarburant ou d’essence synthétique (aussi connue sous le terme anglophone «synthetic fuel» ou «synfuel»). Dans un tel cas, les convertisseurs électriques 94 et 96 sont des convertisseurs de courant alternatif-continu. En variante, la source de génération électrique 26 peut être basée sur une source d’énergie à base d’hydrogène, comme une pile à combustible. Dans un tel cas, les convertisseurs électriques 94 et 96 sont des convertisseurs de courant continu-continu. Dans le cadre de l’invention, de telles sources d’énergie sont considérées comme des générateurs d'énergie électrique à combustible.
La commande d’alimentation 4 est un appareil basse tension agencé pour commander, d’une part, la source de génération électrique 26 et, d’autre part, les commutateurs 36 et 44, ainsi que divers éléments de protection non représentés sur la .
L’architecture électrique de l’aéronef 2 permet d’avoir une réelle hybridation des batteries 18, 20, 22 et 24, et non une simple juxtaposition. Ainsi, selon les besoins en puissance, les batteries 18, 20, 22 et 24 et la source de génération électrique 26 peuvent fonctionner de concert.
Les batteries 18, 20, 22 et 24 sont des batteries conventionnelles dont le fonctionnement est régi par un système de contrôle classique (plus connu sous le sigle anglophone BMS pour «Battery Management System»). Un tel système permet de réaliser des fonctions telles que la surveillance de paramètres – tension, température, état de charge, état de santé, etc. –, la prévention de tout risque de sortie de la plage de fonctionnement prévue – surtension, surintensité, surchauffe, etc. – ou encore l’optimisation des capacités de la batterie. Dans le contexte de l’invention, aucune autre intelligence, notamment logicielle ou matérielle, n’est nécessaire. Par conséquent, les batteries 18, 20, 22 et 24 sont traitées de manière passive dans le sens où leur intégration ne requiert aucune adaptation particulière en dehors de la manière, détaillée ci-après, dont les batteries 18, 20, 22 et 24 sont reliées aux convertisseurs électriques 94 et 96. Du point de vue du reste de l’architecture électrique de l’aéronef 2, les batteries 18, 20, 22 et 24 sont vues comme de simples tampons d’énergie – au sens ici du terme anglophone «buffer». Cela va à l’encontre des solutions existantes dans lesquelles : soit un élément est spécifiquement prévu pour optimiser le fonctionnement des batteries et joue un rôle de commande, soit un élément est prévu pour compenser une éventuelle défaillance des batteries, mais en alternance exclusive, c’est-à-dire sans que les batteries et cet élément soient susceptibles de fonctionner simultanément.
Dans le mode de réalisation illustré sur la , l’aéronef 2 comprend une unique source de génération électrique, à savoir la source de génération électrique 26. Toutefois, il doit être compris ici que l’aéronef 2 peut comprendre une pluralité de sources de génération électrique.
À titre d’exemple, la représente un mode de réalisation dans lequel l’aéronef 2 comprend deux sources de génération électrique 26 et 28. La source de génération électrique 26 (respectivement 28) comprend un convertisseur électrique 94 (respectivement 96) et un générateur électrique à combustible 98 (respectivement 100).
Dans l’exemple de la , le générateur électrique à combustible 98 (respectivement 100) est un turbomoteur et le convertisseur électrique 94 (respectivement 96) est un convertisseur de courant alternatif-continu.
Typiquement, les générateurs électriques à combustible 98 et 100 peuvent chacun délivrer une puissance de l’ordre de 150 kilowatts (kW) à 100% de leurs capacités respectives. Là encore, chacune des sources de génération électrique 26 et 28 peut être basée sur un turbomoteur alimenté par un réservoir de carburant conventionnel, de biocarburant ou d’essence synthétique. En variante, une source d’énergie alimentée par un réservoir d’hydrogène, comme une pile à combustible, peut être utilisée.
L’architecture électrique globale de l’aéronef 2 a été décrite en référence à la et à la .
Comme détaillé précédemment, l’aéronef 2 comprend au moins une source de génération électrique – une unique source de génération électrique 26 sur la , deux sources de génération électrique 26 et 28 sur la – agencée pour alimenter une ou plusieurs sources d’énergie électrique stockée – quatre batteries 18, 20, 22 et 24 sur la et la .
L’aéronef 2 est un aéronef à source d’énergie hybride et comprend généralement à ce titre plus de batteries que de sources de génération électrique. Par ailleurs, le point de départ de chaque bus électrique de distribution de chaque source de génération électrique est défini par un convertisseur électrique – ici les convertisseurs de courant alternatif-continu 94 et 96 – de sorte que le nombre de convertisseurs électriques est réduit et que le poids de l’aéronef 2 s’en trouve allégé. En d’autres termes, les convertisseurs électriques sont au niveau des sources de génération électrique et non au niveau des batteries.
À titre d’illustration, les architectures électriques respectivement représentées sur la et la ne comprennent que deux convertisseurs électriques 94 et 96 pour quatre batteries 18, 20, 22 et 24.
Toutefois, cet avantage relatif au poids de l’aéronef 2 a une contrepartie : les batteries 18, 20, 22 et 24 sont connectées entre elles via la ou les sources de génération électrique 26 et 28. Par conséquent, tout court-circuit survenant au niveau d’une source de génération électrique ou d’une batterie est susceptible de se propager.
Pour résoudre ce problème, la Demanderesse propose le circuit d’alimentation représenté sur la . Dans la suite de la description, on s’intéresse désormais à la manière dont les convertisseurs électriques sont reliés aux batteries.
La illustre un circuit d’alimentation de plusieurs sources d’énergie électrique stockée B1,…,BM par plusieurs convertisseurs électriques E1,…,EN. Ici, M est un entier naturel supérieur ou égal à 2 correspondant au nombre de sources d’énergie électrique stockée tandis que N est un entier naturel supérieur ou égal 2 correspondant au nombre de convertisseurs électriques.
On comprend que le circuit d’alimentation décrit ici est une généralisation de la partie de l’architecture électrique de la ou de la relative aux convertisseurs électriques 94 et 96 et aux batteries 18, 20, 22 et 24. Ainsi, en prenant M = 4 et N = 2, on retrouve la même configuration que celle de la ou de la , les sources d’énergie électrique stockée B1, B2, B3 et B4 correspondant respectivement aux batteries 18, 20, 22 et 24 ; les convertisseurs électriques E1 et E2 correspondant respectivement aux convertisseurs électriques 94 et 96.
Par souci de concision, les source d’énergie électrique stockée B1,…,BM sont respectivement appelées batteries B1,…,BM ci-après.
Les batteries B1,…,BM sont réparties en plusieurs groupements G1,…,GN de manière à ce que le nombre de groupements G1,…,GN soit égal au nombre de convertisseurs électriques E1,…,EN. D’une manière générale, et tant que cette condition est vérifiée, chaque groupement peut comprendre une ou plusieurs batteries, et le nombre de batteries peut d’ailleurs varier d’un groupement à l’autre.
Étant donné que le nombre de groupements G1,…,GN est égal au nombre de convertisseurs électriques E1,…,EN, il est possible de coupler chaque convertisseur électrique à un groupement. En d’autres termes, une bijection peut être construite entre l’ensemble des convertisseurs électriques E1,…,EN et l’ensemble des groupements G1,…,GN.
La répartition des batteries B1,…,BM en groupements permet d’obtenir une isolation efficace entre des batteries de groupements différents.
Dans l’exemple de la , chaque convertisseur électrique E1,…,EN est respectivement couplé à un groupement G1,…,GN. En particulier, le convertisseur électrique E1 est couplé au groupement G1 tandis que le convertisseur électrique EN est couplé au groupement GN. Les groupements G1 et GN comprennent ici un même nombre P de batteries, où P est un entier naturel non nul. En particulier, le groupement G1 comprend les batteries B1,…,BP tandis que le groupement GN comprend les batteries BM-P+1,…,BM.
Comme illustré sur la , chaque convertisseur électrique E1,…,EN est relié à chaque batterie du groupement auquel il est couplé par une jonction 102 respective. Ainsi, le convertisseur électrique E1 est relié à chaque batterie B1,…,BP du groupement G1 via une jonction 102 respective tandis que le convertisseur électrique EN est relié à chaque batterie BM-P+1,…,BM du groupement GN via une jonction 102 respective.
Par conséquent, chaque groupement comprend autant de jonctions qu’il comprend de batteries. Il y a ainsi P jonctions dans le groupement G1 et P batteries dans le groupement GN.
Comme illustré sur la , la jonction 102 est agencée pour fonctionner exclusivement selon trois états possibles : un état unidirectionnel, un état bidirectionnel et un état bloquant. Plus spécifiquement, le fonctionnement de chaque jonction 102 est piloté par la commande d’alimentation 4.
Dans l’état unidirectionnel, la jonction 102 permet au courant de circuler du convertisseur électrique vers la batterie. Bien entendu, le courant ne peut alors pas circuler dans le sens opposé, c’est-à-dire de la batterie vers le convertisseur électrique.
Dans l’état bidirectionnel, la jonction 102 permet au courant de circuler dans les deux sens, à savoir du convertisseur électrique vers la batterie mais aussi de la batterie vers le convertisseur électrique.
Enfin, dans l’état bloquant, la jonction 102 bloque la circulation du courant, dans un sens comme dans l’autre.
Il doit être compris ici que la jonction 102 ne peut fonctionner que selon ces trois états. En particulier, la commande d’alimentation 4 ne peut pas commander la jonction 102 pour fonctionner dans un état dans lequel le courant ne pourrait circuler que de la batterie vers le convertisseur électrique.
La jonction 102 comprend un premier contacteur, un deuxième contacteur et une diode.
La illustre un mode de réalisation de la jonction 102. Le premier contacteur 104 est branché en série avec la diode 106. La diode 106 est disposée de sorte que le sens passant va du convertisseur électrique vers la batterie. Le deuxième contacteur 108 est branché en parallèle avec le premier contacteur 104 et la diode 106.
La jonction 102 est dans l’état unidirectionnel lorsque le premier contacteur 104 est fermé et que le deuxième contacteur 108 est ouvert. La jonction 102 est dans l’état bidirectionnel lorsque le premier contacteur 104 et le deuxième contacteur 108 sont fermés. La jonction 102 est dans l’état bloquant lorsque le premier contacteur 104 et le deuxième contacteur 108 sont ouverts.
La position – ouverte ou fermée – de chacun des contacteurs 104 et 108 est contrôlée par la commande d’alimentation 4.
En variante, chacun des contacteurs 104 et 108 peut être remplacé par un relais électromécanique.
Comme détaillé ci-après, le circuit d’alimentation proposé, et notamment l’utilisation des jonctions 102, s’adapte aussi bien au fonctionnement nominal de l’aéronef 2 qu’en cas de défaillance, c’est-à-dire lorsqu’une batterie au moins est indisponible ou lorsqu’un convertisseur électrique au moins est indisponible.
La illustre un mode de fonctionnement de l’aéronef 2 – ou mode turbo – dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraînement, et plus exactement de leurs moteurs électriques respectifs, sont très élevés au point que les batteries B1,…,BM et la ou les sources de génération électrique, donc les convertisseurs électriques E1,…,EN, sont sollicitées au maximum de leurs capacités.
Plus particulièrement, la représente le convertisseur électrique E1 couplé au groupement G1 de batteries B1,…,BP. Bien entendu, l’homme du métier comprend que ce qui suit peut s’appliquer à n’importe quel autre groupement.
La commande d’alimentation 4 commande chaque jonction 102 pour fonctionner selon l’état unidirectionnel. Ainsi, le convertisseur électrique E1 alimente chaque batterie B1,…,BP du groupement G1. En cas de défaillance, par exemple un court-circuit, au niveau d’une des batteries B1,…,BP, celle-ci ne peut se propager aux autres batteries B1,…,BP puisque le courant généré par un court-circuit est bloqué par chaque jonction 102 à laquelle est reliée la batterie défaillante. Il en est de même dans le cas où la défaillance apparaît au niveau du convertisseur électrique : le courant généré par un court-circuit ne peut circuler d’une batterie vers le convertisseur électrique défaillant.
Dans un cas comme dans l’autre, la commande d’alimentation 4 peut ensuite isoler l’élément défaillant. Pour ce faire, la commande d’alimentation 4 commande les jonctions 102 reliées à l’élément défaillant pour les faire passer de l’état unidirectionnel à l’état bloquant.
Ce principe est vrai aussi d’un groupement à l’autre. Étant donné que deux batteries appartenant à des groupements différents ne sont pas reliées entre elles, toute défaillance, par exemple un court-circuit, au niveau d’une des deux batteries ne peut se propager à l’autre. Il en est de même pour deux convertisseurs électriques puisqu’ils ne sont reliés à aucune batterie commune.
Dans le cas, illustré sur la , où une défaillance apparaît au niveau de la batterie B1, la commande d’alimentation 4 isole la batterie B1 en faisant passer la jonction 102 via laquelle le convertisseur électrique E1 est relié à la batterie B1 de l’état unidirectionnel à l’état bloquant. Par ailleurs, étant donné qu’une batterie, ici la batterie B1, n’est plus alimentée, l’énergie électrique qui lui était originellement destinée peut être distribuée aux autres batteries, ici les batteries B2,…,BP. On comprend que le circuit d’alimentation est suffisamment flexible pour mettre en œuvre une allocation dynamique de la puissance et ainsi fournir de l’énergie électrique à une batterie dont les besoins sont plus élevés que ceux des autres.
Dans le cas, illustré sur la , où une défaillance apparaît au niveau du convertisseur électrique E1, la commande d’alimentation 4 isole le convertisseur électrique E1 en faisant passer toutes les jonctions 102 via lesquelles le convertisseur électrique E1 est relié aux batteries B1,…,BP de l’état unidirectionnel à l’état bloquant. Là encore, du fait de l’attribution d’un groupement différent à chaque convertisseur électrique, aucune propagation d’un groupement à l’autre n’est possible.
La illustre un mode de fonctionnement de l’aéronef 2 – ou mode économie d’énergie – dans lequel aucune puissance n’est requise de la part de la ou des sources de génération électrique, donc des convertisseurs électriques E1,…,EN.
Plus particulièrement, la représente le convertisseur électrique E1 couplé au groupement G1 de batteries B1,…,BP.
La commande d’alimentation 4 commande chaque jonction 102 pour fonctionner selon l’état bloquant. En cas de défaillance, par exemple un court-circuit, au niveau d’une des batteries B1,…,BP ou du convertisseur électrique E1, celle-ci ne peut se propager puisque le courant généré par un court-circuit est bloqué par chaque jonction 102.
La illustre un mode de fonctionnement de l’aéronef 2 – ou mode de charge – dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraînement, et plus exactement de leurs moteurs électriques respectifs, sont faibles au point que les convertisseurs électriques E1,…,EN alimentent les groupes d’entraînement en énergie électrique via les batteries B1,…,BM tout en chargeant ces dernières.
Plus particulièrement, la représente le convertisseur électrique E1 couplé au groupement G1 de batteries B1,…,BP.
Chaque convertisseur électrique E1,…,EN est respectivement associé à une batterie parmi les batteries du groupement G1,…,GN auquel il est couplé.
La commande d’alimentation 4 commande chaque jonction 102 de sorte que, au sein de chaque groupement, la jonction 102 entre le convertisseur électrique couplé au groupement et la batterie à laquelle il est associé soit dans l’état unidirectionnel, et que les autres jonctions 102 – c’est-à-dire les jonctions 102 respectives entre le convertisseur électrique et les batteries auxquelles il n’est pas associé – soient dans l’état bloquant.
Lorsque les N batteries associées chacune à un convertisseur électrique sont chargées, les convertisseurs électriques E1,…,EN, se voient tous attribuer une nouvelle batterie de leur groupement respectif à charger et ainsi de suite. À l’échelle du groupement G1, les batteries B1,…,BP sont ainsi séquentiellement chargées une à la fois par phase de charge – ou itération. À l’échelle du circuit d’alimentation, les batteries B1,…,BM sont séquentiellement chargées N à la fois au maximum par itération. Bien entendu, un convertisseur électrique E1,…,EN n’est pas associé à une nouvelle batterie si toutes les batteries du groupement auquel il est couplé sont déjà chargées.
La illustre ainsi une itération dans laquelle le convertisseur électrique E1 est associé à la batterie B1.
Le nombre d’itérations nécessaires pour charger l’ensemble des batteries B1,…,BP du groupement G1 est de P.
À l’échelle du circuit d’alimentation, le nombre d’itérations nécessaires pour charger l’ensemble des batteries B1,…,BM correspond au nombre de batteries du groupement comprenant le plus grand nombre de batteries.
La sélection, à chaque itération, de la batterie à charger au niveau de chaque groupement – et donc des N batteries à charger au total au niveau du circuit d’alimentation – peut dépendre des niveaux de charge respectifs des batteries B1,…,BM, par exemple pour donner la priorité aux batteries dont le niveau de charge est le plus faible ou, à l’inverse, aux batteries dont le niveau de charge est le plus élevé.
Par ailleurs, la illustre également un autre mode de fonctionnement de l’aéronef 2 – ou mode tampon – dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraînement, et plus exactement de leurs moteurs électriques respectifs, sont faibles, mais dans lequel les batteries B1,…,BM n’ont pas besoin d’être chargées.
Les batteries B1,…,BM sont traitées de manière passive, comme des tampons d’énergie. En d’autres termes, la puissance fournie par les convertisseurs électriques E1,…,EN transite simplement par les batteries B1,…,BM pour alimenter les groupes d’entraînement.
D’une manière similaire au mode de charge, la commande d’alimentation 4 met en œuvre une ou plusieurs phases d’alimentation – ou itérations. À chaque itération, chaque convertisseur électrique E1,…,EN est respectivement associé à une batterie parmi les batteries du groupement G1,…,GN auquel il est couplé. La commande d’alimentation 4 commande alors chaque jonction 102 de sorte que la jonction 102 entre un convertisseur électrique et la batterie à laquelle il est associé soit dans l’état unidirectionnel, et que les autres jonctions 102 – c’est-à-dire les jonctions 102 respectives entre un convertisseur électrique et les batteries auxquelles il n’est pas associé – soient dans l’état bloquant. Le mode tampon s’achève lorsque les besoins en puissance des groupes d’entraînement sont satisfaits.
Dans l’exemple de la , chaque convertisseur électrique est successivement associé à une batterie. Toutefois, il est possible aussi d’associer, à chaque itération, plusieurs batteries d’un groupement au convertisseur électrique couplé à ce groupement.
Ainsi, dans le cas illustré sur la , le convertisseur électrique E1 est associé à un nombre Q de batteries, où Q est un entier naturel strictement supérieur à 1. En l’occurrence, le convertisseur électrique E1 est associé aux Q premières batteries du groupement G1, à savoir les batteries B1,…,BQ.
La commande d’alimentation 4 commande chaque jonction 102 de sorte que, au sein de chaque groupement, la jonction 102 entre le convertisseur électrique couplé au groupement et une batterie à laquelle il est associé soit dans l’état bidirectionnel, et que les autres jonctions 102 – c’est-à-dire les jonctions 102 respectives entre le convertisseur électrique et les batteries auxquelles il n’est pas associé – soient dans un état bloquant.
Ainsi, dans l’exemple de la , la jonction 102 entre chacune des batteries B1,…,BQ et le convertisseur électrique E1 est dans l’état bidirectionnel. En revanche, la jonction 102 entre chacune des batteries BQ+1,…,BP et le convertisseur électrique E1 est dans l’état bloquant.
Dans le mode de charge de l’aéronef 2, le mode de réalisation de la présente l’avantage de réduire le temps de charge.
L’état bidirectionnel des jonctions 102 entre un convertisseur électrique et les Q batteries auxquelles il est associé permet d’obtenir un flux croisé – ou «cross-flow» en anglais – entre ces Q batteries de manière à ce qu’elles ne soient vues par le convertisseur électrique auxquelles elles sont associées que comme une seule et unique batterie.
La conséquence de la bidirectionnalité est que toute défaillance, par exemple un court-circuit, qui se produit au niveau d’une batterie se propage aux Q-1 autres batteries associées au même convertisseur électrique. Cet effet est toutefois circonscrit aux Q batteries et ne se propage pas aux autres batteries du même groupement du fait de l’état bloquant des jonctions 102 par lesquelles ces autres batteries sont reliées au convertisseur électrique. Bien entendu, il n’y a pas non plus de propagation aux batteries des autres groupements.
La configuration des jonctions 102 illustrée sur la peut également s’appliquer au mode tampon, et pas seulement au mode de charge.

Claims (14)

  1. Aéronef (2) à source d’énergie hybride comprenant :
    - au moins deux groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) comprenant chacun un propulseur (34, 42, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60) et un moteur électrique (32, 40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76),
    - une pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) agencées chacune pour fournir de l’énergie électrique à un ou plusieurs des moteurs électriques (32, 40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76),
    - au moins une source de génération électrique (26, 28) comprenant un générateur électrique à combustible (98, 100) et reliée à une ou plusieurs des sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et
    - une commande d’alimentation (4) agencée pour émettre une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique (26, 28) en fonction des besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16), la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) étant agencée pour fournir de l’énergie électrique en fonction de la différence entre les besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) et la puissance fournie par l’au moins une source de génération électrique (26, 28) sur la base de la commande de puissance, l’au moins une source de génération électrique (26, 28) étant en outre propre à recharger la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) de sorte que chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) est traitée de manière passive,
    ledit aéronef (2) étant caractérisé en ce que les sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) sont réparties en plusieurs groupements (G1,…,GN),
    en ce que chaque source de génération électrique (26, 28) comprend au moins un convertisseur électrique (94, 96), le nombre total de convertisseurs électriques (94, 96) étant égal au nombre de groupements (G1,…GN), chaque convertisseur électrique (94, 96) étant respectivement couplé à un groupement (G1,…,GN),
    en ce que chaque convertisseur électrique (94, 96) est relié à chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) du groupement (G1,…,GN) auquel ledit convertisseur électrique (94, 96) est couplé via une jonction (102) respective incluant un premier contacteur (104) ou relais électromécanique, un deuxième contacteur (108) ou relais électromécanique et une diode (106),
    et en ce que la commande d’alimentation (4) est agencée pour commander le fonctionnement de chaque jonction (102) selon un ensemble d’états constitué de : un état unidirectionnel dans lequel le courant circule du convertisseur électrique (94, 96) vers la source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), un état bidirectionnel dans lequel le courant circule dans les deux sens et un état bloquant dans lequel la circulation du courant est bloquée.
  2. Aéronef (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une jonction (102) comprend un circuit électrique au sein duquel le premier contacteur (104) ou relais électromécanique est branché en série avec la diode (106), laquelle présente un sens passant du convertisseur électrique (94, 96) vers la source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et le deuxième contacteur (108) ou relais électromécanique est branché en parallèle avec le premier contacteur (104) ou relais électromécanique et la diode (106).
  3. Aéronef (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’au moins une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) est une batterie.
  4. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) comprennent au moins un groupe d’entraînement de décollage (10, 12, 14, 16) et au moins un groupe d’entraînement de croisière (6, 8).
  5. Aéronef (2) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’au moins un groupe d’entraînement de décollage (10, 12, 14, 16) est un groupe d’entraînement de décollage/atterrissage vertical et au moins un groupe d’entraînement de croisière (6, 8) est un groupe d’entraînement horizontal.
  6. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur d’énergie électrique à combustible (98, 100) d’au moins une source de génération électrique (26, 28) est un turbomoteur et en ce que chaque convertisseur électrique (94, 96) de ladite source de génération électrique (26, 28) est un convertisseur de courant alternatif-continu.
  7. Aéronef (2) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le turbomoteur est alimenté par du carburant, du biocarburant ou de l’essence synthétique.
  8. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur d’énergie électrique à combustible (98, 100) d’au moins une source de génération électrique (26, 28) est une pile à combustible et en ce que chaque convertisseur électrique (94, 96) de ladite source de génération électrique (26, 28) est un convertisseur de courant continu-continu.
  9. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode turbo dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) nécessitent une fourniture de puissance en provenance de l’au moins une source de génération électrique (26, 28) et de la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et dans lequel la commande d’alimentation (4) commande chaque jonction (102) selon l’état unidirectionnel.
  10. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode économie d’énergie dans lequel la commande d’alimentation (4) commande chaque jonction (102) selon l’état bloquant.
  11. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode de charge dans lequel la commande d’alimentation (4) émet une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique (26, 28) pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) tout en chargeant les sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24).
  12. Aéronef (2) selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans le mode de charge, la commande d’alimentation (4) commande séquentiellement chaque jonction (102) en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation (4) étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur électrique (94, 96) à une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) du groupement (G1,…,GN) auquel ledit convertisseur électrique (94, 96) est couplé, en commandant chaque jonction (102) entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) associés selon l’état unidirectionnel et en commandant toute autre jonction (102) selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) soit chargée.
  13. Aéronef (2) selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans le mode de charge, la commande d’alimentation (4) commande séquentiellement chaque jonction (102) en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation (4) étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur électrique à plusieurs sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) du groupement (G1,…,GN) auquel ledit convertisseur électrique (94, 96) est couplé, en commandant chaque jonction (102) entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) associés selon l’état bidirectionnel et en commandant toute autre jonction (102) selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) soit chargée.
  14. Aéronef (2) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode tampon dans lequel la commande d’alimentation (4) émet une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique (26, 28) pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) via les sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et dans lequel la commande d’alimentation (4) commande séquentiellement chaque jonction (102) en une ou plusieurs phases d’alimentation, la commande d’alimentation (4) étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase d’alimentation en associant chaque convertisseur électrique (94, 96) à une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) du groupement (G1,…,GN) auquel ledit convertisseur électrique (94, 96) est couplé, en commandant chaque jonction (102) entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) associés selon l’état unidirectionnel et en commandant toute autre jonction (102) selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que les besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) soient satisfaits.
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