WO2022106798A1 - Hybrid storage system for an emergency electrical network of an aircraft - Google Patents

Hybrid storage system for an emergency electrical network of an aircraft Download PDF

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WO2022106798A1
WO2022106798A1 PCT/FR2021/052070 FR2021052070W WO2022106798A1 WO 2022106798 A1 WO2022106798 A1 WO 2022106798A1 FR 2021052070 W FR2021052070 W FR 2021052070W WO 2022106798 A1 WO2022106798 A1 WO 2022106798A1
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converter
battery
power
storage system
aircraft
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PCT/FR2021/052070
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French (fr)
Inventor
Benoit Michaud
Original Assignee
Safran Electrical & Power
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/102—Parallel operation of dc sources being switching converters
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/345—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering using capacitors as storage or buffering devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0043—Converters switched with a phase shift, i.e. interleaved
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2310/00—The network for supplying or distributing electric power characterised by its spatial reach or by the load
    • H02J2310/40—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle
    • H02J2310/44—The network being an on-board power network, i.e. within a vehicle for aircrafts

Definitions

  • the present invention relates to the field of aircraft power supply system converters and it relates more particularly to the optimization of the architecture of the converters of a hybrid storage system for an emergency electrical network of an aircraft.
  • the aircraft considered is, by way of example, an airplane and the emergency electrical network considered, commonly implemented in an airplane, is in the form of an emergency wind turbine, frequently designated under the name "RAT", an acronym for "Ram Air Turbine”.
  • RAT an acronym for "Ram Air Turbine”.
  • An emergency wind turbine is deployed in emergency situations on board an aircraft, to generate suitable electrical power allowing the aircraft to fly long enough during the cruise phase (in the event of loss of the main electrical generation) and until it lands.
  • the emergency wind turbine comprises a propeller formed of blades whose speed of rotation is a function of the speed of the air circulating against the aircraft and of the electrical load drawn by the various electrical supply buses of the aircraft.
  • the rotation of this propeller drives a generator which supplies the necessary backup power to an alternating voltage bus (AC bus) electrically supplying a number of critical electrical loads such as flight controls and key avionics circuits.
  • AC bus alternating voltage bus
  • an emergency wind turbine is sized so as to provide a maximum power value in order to respond to any peaks in consumption of the aircraft's electrical network. However, in practice, these peaks rarely occur and most of the time, the electrical power demand is much lower and the standby wind turbine is therefore able to provide more electrical power than is needed.
  • the speed of the aircraft is no longer sufficient to supply the power then consumed by the aircraft and composed of a constant power associated with power peaks of a few seconds linked to the activation of the actuators necessary for the operation of the aircraft such as electric flight controls or electric door or landing gear lowering actuations.
  • the additional power needed to provide these short power pulses must therefore come from storage elements and converters, thus creating a hybrid power supply system.
  • Such a hybrid power supply system implementing batteries and supercapacitors as storage elements and delivering a direct voltage (DC bus) is known for example from application FR-3056034-A1 filed in the name of the applicant and generally gives satisfaction .
  • the present invention proposes to overcome, in particular the cost and the mass of the DC/DC converter of the battery are high and the power cycles in emergency mode are not optimized. resulting in high power requirements.
  • the main purpose of the present invention is therefore to optimize the architecture of the converters in a hybrid power supply system, so as to minimize its mass as well as that of the system.
  • An object of the invention is also to limit the energy stored in the super-capacitors without significantly modifying the principle of energy management of the emergency power supply system.
  • a hybrid storage system for an emergency electrical network of an aircraft comprising in parallel a battery of accumulators and a bank of super-capacitors, the battery of accumulators and the bank of super-capacitors being each associated with a DC/DC converter whose duty cycle is controlled by a control system comprising a storage energy management module for managing the transfer of energy between the accumulator battery and the bank of super-capacitors in order to maintain a determined setpoint voltage U D c of the DC bus at the input of a DC/AC converter delivering a voltage for the emergency electrical network and a DC bus voltage optimization module receiving a voltage Ubatt from the storage battery and delivering the determined setpoint voltage U D c for the storage energy management module, characterized in that the DC/DC converter associated with the storage battery is a converter interleaved DC/DC circuit whose number of branches and control duty cycle are determined by the DC bus voltage optimization module in order to guarantee zero current ripple during a phase of descent in which the DC bus voltage optimization module is configured to control the following DC bus
  • the storage energy management module is configured so that the battery of accumulators delivers continuous energy necessary for the power demands of the aircraft during a cruise phase and that the bank of super-capacitors supplies energy impulse required for aircraft power calls during the descent and landing phases.
  • the storage energy management module is configured to operate according to two modes of operation, the first in which the bank of supercapacitors and the battery of accumulators supply energy to the emergency electrical network and the second in which whereby the bank of supercapacitors is recharged by drawing energy from the emergency power grid or the storage battery.
  • the interlaced DC/DC converter is configured to be stopped when passing the command from n-1 to n branches and conversely, the DC/DC converter of the bank of super-capacitors providing the necessary power during this shutdown to avoid any degradation in the quality of the emergency electrical network voltage.
  • the interlaced DC/DC converter associated with the storage battery is an interlaced step-up chopper with five branches.
  • the interlaced DC/DC converter is configured so that only four branches out of its five branches are controlled with a duty cycle of approximately 25%.
  • the interlaced DC/DC converter is configured so that its five branches are controlled with a duty cycle of approximately 40%.
  • the interleaved DC/DC converter is configured to be stopped when switching control from four to five branches, the DC/DC converter of the bank of super-capacitors supplying the necessary power during this stop to avoid any degradation in quality. emergency power grid voltage.
  • the emergency electrical network of the aircraft is an emergency wind turbine.
  • the invention also relates to the emergency electrical network of an aircraft comprising an aforementioned hybrid storage system as well as the aircraft provided with such a network.
  • FIG. 1 illustrates a hybrid aircraft power system according to the invention
  • figure 2 shows the current ripple obtained with a DC/DC converter of the hybrid storage system of figure 1,
  • FIG. 3 shows the power cycle to be supplied in the hybrid storage system of figure 1,
  • FIG. 4 shows a first example of sequencing of the control of the DC/DC converters of the hybrid storage system of figure 1
  • FIG. 5 shows a second example of sequencing of the control of the DC/DC converters of the hybrid storage system of figure 1.
  • the principle of the invention is based on the optimization of the storage system of an emergency electrical generation system by hybridization between super-capacitors and an accumulator battery with an interlaced DC/DC battery converter whose ratio cyclic is imposed to operate with a minimum of current ripple regardless of the operating point of the emergency electrical generation system, and this in order to minimize the mass of the filtering system without degrading the operation of the storage battery .
  • the following description describes the architecture of the hybrid power supply and storage system, the rules necessary for optimizing the DC bus voltage to guarantee the optimal duty cycle of the interleaved DC/DC converter of the storage battery and the control principle used to optimize the energy of the hybrid storage system by recharging the super-capacitors by the emergency network of the aircraft when possible.
  • FIG. 1 illustrates a hybrid electrical energy supply system 10 in an aircraft according to one embodiment comprising a main source 12 generating electrical energy connected to at least one electrical load 14 and an auxiliary source 16 of energy storage supplying a DC voltage U D c (DC bus) and connected in parallel with the main source via a converter 18, for example a DC/AC AC DC power converter (network inverter), ensuring the transfer of energy and then delivering to the electrical load 14, if necessary, additional electrical power in addition to the main source 12.
  • the DC / AC converter is preceded by a smoothing capacitor 17 and followed by a filtering system 19 before injection into the network.
  • the main electrical energy generating source 12 which can be described as the emergency electrical network of the aircraft is an emergency wind turbine comprising a propeller 120 as well as an electrical generator 122 connected to the electrical load 14 to electrically supply it. this.
  • other main energy-generating sources can be envisaged, such as a gas turbine.
  • the auxiliary electrical energy storage source 16 which constitutes a hybrid storage system is produced by one or more storage elements connected in parallel such as an accumulator battery 160 and a bank of super-capacitors 162 each associated with a DC/DC converter 170, 172. More specifically, the storage battery 160, the voltage of which is imposed by its state of charge and its operating point, is intended to deliver continuous energy necessary for the power demands of the various actuators of the aircraft during the cruise phase and is associated with a DC/DC converter 170 whose particularity and control will be described later, and the bank of supercapacitors intended to supply the pulsed energy necessary for the power calls of the various actuators during the phases descent and landing is also associated with a DC/DC converter 172 intended to transmit this pulsed energy to the converter r DC/AC then to the emergency electrical network of the aircraft and ensuring the recharging of the super-capacitors outside these pulse phases.
  • the storage battery 160 the voltage of which is imposed by its state of charge and its operating point
  • the bank of supercapacitors intended to supply
  • the super-capacitors can be recharged by the aircraft's emergency electrical network through the DC/AC converter, which can then operate as a DC generator when the generator power is low. greater than the power of the loads or it can also be carried out by the battery through its DC/DC converter.
  • the super-capacitors are recharged by the battery through its DC/DC converter, since at this time the power of the generator is insufficient to supply the aircraft with energy alone.
  • DC/DC converters as well as the DC/AC converter are controlled by a control system 20 comprising the three control modules 200, 202, 204 of the duty cycles of each of these three converters (standard modules known to those skilled in the art).
  • a control system 20 comprising the three control modules 200, 202, 204 of the duty cycles of each of these three converters (standard modules known to those skilled in the art).
  • a synchronization module 210 which receives the voltages V AAC from the AC network (and/or the generator voltage) and delivers phase 0 of the rotating marker of the network inverter 18 makes it possible to synchronize the DC/AC converter with the emergency electrical network of the aircraft (such a management module is also known per se from application FR3082069 filed in the name of the applicant) and a DC bus voltage optimization module 212 receiving the voltage from the battery Ubatt and delivering a reference voltage U D c for the management module 208 in order to limit the current ripple in the DC/DC converter 170 of the battery to a minimum.
  • an n-branch interleaved DC/DC converter generates zero current ripple for particular operating points corresponding to control duty ratios equal to k/n (with k integer and between 0 and n ).
  • the optimum voltage at the battery output to ensure good control of the DC/AC converter is known and it is directly proportional to the regulated voltage. Take a DC bus voltage U D c of 650 VDC as an example. It is possible to increase this voltage by around 10% (up to, for example, 720 VDC) without significant impact either on the efficiency of the DC/AC converter or on the quality of the voltage delivered on the emergency network of the aircraft.
  • the operating points of the battery are known according to the power cycle that the auxiliary source 16 must supply through the storage elements (see FIG. 3) and can be divided into two cases according to the flight phase of the aircraft . The first concerns the descent phase where the power supplied by the battery is low (less than 2KW and sufficient to recharge the supercapacitors) or zero and the second the landing phase where the power supplied is high (between 22 and TJ KW depending on cycle, environmental conditions and chosen technology)
  • the battery voltage can be easily calculated for the dimensioning of the number of cells and the number of branches of the DC/DC converter. Let us take the example of an interlaced DC/DC converter with five branches.
  • Table 1 Voltage U D c ensuring zero (or almost zero) current ripple as a function of the battery voltage by controlling four branches of an interleaved DC/DC converter during low-load operation (dip) .
  • Table 2 Voltage U D c ensuring zero (or almost zero) current ripple as a function of the battery voltage by controlling five branches of an interleaved DC/DC converter during heavy load operation (landing) .
  • the battery voltage range is in fact greater than that indicated in the aforementioned tables because a current ripple of 3% corresponds in practice to a difference of 2% on the duty cycle (23% to 27% or 38% at 42%), which means that the invention remains effective over an even wider operating range.
  • the power transient of the interlaced DC/DC converter to go from controlling four to five branches and vice versa, and more generally from n ⁇ 1 to n branches and vice versa, is easily done by a rapid stop of the converter. This is possible without degrading the overall performance of the system because during this transient, the power, and therefore the energy stored in the inductors of the interlaced DC/DC converter is low. It is therefore easy to quickly discharge these inductors to modify the phase shift of the control of the branches of the interlaced DC/DC converter.
  • the presence of the super-capacitors 162 and their associated DC/DC converter 172 makes it possible to supply all the power necessary during this transient and thus prevent any degradation of the voltage at the input of the DC/AC converter, and therefore any degradation of the quality of the voltage of the emergency electrical network.
  • the energy management module of the system 206 delivers a current setpoint Iq, which is positive if the speed N of the propeller 120 of the emergency wind turbine 12 is insufficient and zero otherwise.
  • the system's energy management module will deliver a positive current setpoint Iq to supply the power necessary for the system. This power withdrawal will have the effect of causing the output voltage of the interlaced DC/DC converter to drop below the setpoint.
  • This setpoint was previously defined by the optimization module 212 as a function of the operating point as explained above (descent with operation on four branches and a theoretical duty cycle of approximately 25% or landing with operation on five branches and a duty cycle of around 40%) and as a function of the voltage Ubatt measured at the terminals of the battery, at the input of the interlaced DC/DC converter.
  • the storage energy management module 208 comprises two modes of operation, the sequencing of which will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • a first mode when the voltage measured at the input of the DC/AC converter becomes lower than the setpoint, the storage energy management module will generate power setpoints for the two DC/DC converters so that the super-capacitors 162 can instantaneously supply all of the pulsed power, and the accumulator battery 160 a small part of the power depending on the duration of the power pulse. Knowing the voltages of the storage elements, it is easy to deduce the current setpoints Ibat and Iscap to be sent to the two control modules 200, 202 of the two DC/DC converters.
  • This mode of operation can also be used during the descent if it is not desired to draw power from the emergency network of the aircraft to recharge the super-capacitors.
  • the DC/DC converter 172 of the super-capacitors 162 will switch to charger mode by applying a current (or power) setpoint depending on the state of charge of the super-capacitors.
  • the rise time of the current (or power) setpoint of this DC/DC converter of the super-capacitors can be controlled so as not to suddenly stress the storage battery 160 or the generator 122.
  • This power draw will cause the input voltage of the DC/AC converter to drop below its setpoint.
  • the storage energy module will then generate power setpoints for the interlaced DC/DC converter 170 and the DC/AC converter 18.
  • the power setpoint for the storage battery 160 will remain fixed in the initial state then that the DC/AC converter 18 will provide the rest of the power.
  • This will then operate in rectifier mode (Iq ⁇ 0) to draw energy from the emergency electrical network and thus recharge the super-capacitors 162. Once the super-capacitors are charged (Uscap > Uscap_threshold), the two converters 170, 18 will stop until the next call for power from the loads of the emergency network of the aircraft.
  • the invention makes it possible to reduce the mass and/or the cost of the hybrid storage system by the use of a hybrid storage system optimized to meet the needs of the power cycles of the generation of an aircraft in d mode. 'emergency.
  • Supercapacitors are optimized to provide the high transient powers corresponding to the control of actuators, and the mass of the battery (even its cost by the use of simpler technology) to provide constant power.
  • the mass of the battery is then defined by its energy density and is no longer limited by its power density.
  • the cost and mass of the battery DC/DC converter are reduced by interlacing (reduction of the output filter and removal of part of the input filter on the battery side).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Stand-By Power Supply Arrangements (AREA)

Abstract

Hybrid storage system (16) for an emergency electrical network of an aircraft, comprising, in parallel, a battery pack (160) and a bank of super-capacitors (162), the battery pack and the bank of super-capacitors (162) each being associated with a DC/DC converter (170, 172) whose cyclical ratio is controlled by a control system (20) comprising a storage energy control module (208) for controlling the energy transfer between the battery pack and the bank of super-capacitors in order to maintain a predetermined setpoint voltage UDC of a DC bus for the emergency electrical network and a module for optimising the DC bus voltage (212), which module receives a voltage Ubatt from the battery pack and which supplies the predetermined setpoint voltage UDC for the storage energy control module, the DC/DC converter associated with the battery pack being an interlaced DC/DC converter whose number of branches and cyclical control ratio are determined in order to ensure a current ripple which is zero or virtually zero over a wide operating range of the hybrid storage system.

Description

SYSTÈME DE STOCKAGE HYBRIDE POUR RÉSEAU ÉLECTRIQUE D'URGENCE D'AÉRONEF HYBRID STORAGE SYSTEM FOR AIRCRAFT EMERGENCY POWER NETWORK
Domaine Technique Technical area
La présente invention se rapporte au domaine des convertisseurs des systèmes d'alimentation d'aéronef et elle concerne plus particulièrement l'optimisation de l'architecture des convertisseurs d'un système de stockage hybride pour un réseau électrique d'urgence d'un aéronef. The present invention relates to the field of aircraft power supply system converters and it relates more particularly to the optimization of the architecture of the converters of a hybrid storage system for an emergency electrical network of an aircraft.
Technique antérieure Prior technique
Dans la description qui va suivre l'aéronef considéré est, à titre d'exemple, un avion et le réseau électrique d'urgence considéré, couramment mise en œuvre dans un avion, se présente sous la forme d'une éolienne de secours, fréquemment désignée sous la dénomination « RAT », acronyme anglais de « Ram Air Turbine ». In the following description, the aircraft considered is, by way of example, an airplane and the emergency electrical network considered, commonly implemented in an airplane, is in the form of an emergency wind turbine, frequently designated under the name "RAT", an acronym for "Ram Air Turbine".
Une éolienne de secours est déployée dans des situations d'urgence à bord d'un avion, pour générer une puissance électrique adaptée permettant à l'avion de voler suffisamment longtemps pendant la phase de croisière (en cas de perte de la génération électrique principale) et jusqu'à son atterrissage. L'éolienne de secours comporte une hélice formée de pales dont la vitesse de rotation est fonction de la vitesse de l'air circulant contre l'avion et de la charge électrique appelée par les différents bus d'alimentation électrique de l'avion. La rotation de cette hélice entraîne une génératrice qui fournit la puissance de secours nécessaire à un bus de tension alternative (bus AC) alimentant électriquement un certain nombre de charges électriques critiques telles les commandes de vol et des circuits avioniques clés. Typiquement, une éolienne de secours est dimensionnée de sorte à fournir une valeur maximale de puissance en vue de répondre à des pics éventuels de consommation du réseau électrique de l'avion. Toutefois, en pratique, ces pics surviennent rarement et la plupart du temps, la demande en puissance électrique est bien plus faible et l'éolienne de secours est donc capable de fournir une puissance électrique plus importante que le besoin. An emergency wind turbine is deployed in emergency situations on board an aircraft, to generate suitable electrical power allowing the aircraft to fly long enough during the cruise phase (in the event of loss of the main electrical generation) and until it lands. The emergency wind turbine comprises a propeller formed of blades whose speed of rotation is a function of the speed of the air circulating against the aircraft and of the electrical load drawn by the various electrical supply buses of the aircraft. The rotation of this propeller drives a generator which supplies the necessary backup power to an alternating voltage bus (AC bus) electrically supplying a number of critical electrical loads such as flight controls and key avionics circuits. Typically, an emergency wind turbine is sized so as to provide a maximum power value in order to respond to any peaks in consumption of the aircraft's electrical network. However, in practice, these peaks rarely occur and most of the time, the electrical power demand is much lower and the standby wind turbine is therefore able to provide more electrical power than is needed.
En outre, durant la phase de descente et d'atterrissage et notamment pendant la fin de la descente et l'atterrissage, la vitesse de l'avion n'est plus suffisante pour fournir la puissance consommée alors par l'aéronef et composée d'une puissance constante associée à des pics de puissance de quelques secondes liées à l'activation des actionneurs nécessaires au fonctionnement de l'aéronef tels que les commandes de vol électriques ou les actionnements électriques de trappe ou de descente du train d'atterrissage. Le complément de puissance nécessaire pour fournir ces courtes impulsions de puissance doit donc provenir d'éléments de stockage et de convertisseurs créant ainsi un système d'alimentation hybride. In addition, during the descent and landing phase and in particular during the end of the descent and the landing, the speed of the aircraft is no longer sufficient to supply the power then consumed by the aircraft and composed of a constant power associated with power peaks of a few seconds linked to the activation of the actuators necessary for the operation of the aircraft such as electric flight controls or electric door or landing gear lowering actuations. The additional power needed to provide these short power pulses must therefore come from storage elements and converters, thus creating a hybrid power supply system.
Un tel système d'alimentation hybride mettant en œuvre des batteries et des supercondensateurs comme éléments de stockage et délivrant une tension continue (bus DC) est connu par exemple de la demande FR-3056034-A1 déposée au nom de la demanderesse et donne globalement satisfaction. Such a hybrid power supply system implementing batteries and supercapacitors as storage elements and delivering a direct voltage (DC bus) is known for example from application FR-3056034-A1 filed in the name of the applicant and generally gives satisfaction .
Toutefois, il présente encore un certain nombre d'inconvénients que la présente invention se propose de pallier, notamment le coût et la masse du convertisseur DC/DC de la batterie sont élevés et les cycles de puissance en mode d'urgence ne sont pas optimisés entraînant des besoins de puissance importants. However, it still has a certain number of drawbacks which the present invention proposes to overcome, in particular the cost and the mass of the DC/DC converter of the battery are high and the power cycles in emergency mode are not optimized. resulting in high power requirements.
Exposé de l'invention Disclosure of Invention
La présente invention a donc pour but principal l'optimisation de l'architecture des convertisseurs dans un système d'alimentation hybride, de façon à minimiser sa masse ainsi que celle du système. Un but de l'invention est aussi de limiter l'énergie stockée dans les super-condensateurs sans modifier notablement le principe de gestion d'énergie du système d'alimentation d'urgence. The main purpose of the present invention is therefore to optimize the architecture of the converters in a hybrid power supply system, so as to minimize its mass as well as that of the system. An object of the invention is also to limit the energy stored in the super-capacitors without significantly modifying the principle of energy management of the emergency power supply system.
Ces buts sont atteints par un système de stockage hybride pour un réseau électrique d'urgence d'un aéronef comportant en parallèle une batterie d'accumulateurs et un banc de super-condensateurs, la batterie d'accumulateurs et le banc de super-condensateurs étant associés chacun à un convertisseur DC/DC dont le rapport cyclique est commandé par un système de contrôle comportant un module de gestion d'énergie de stockage pour gérer le transfert d'énergie entre la batterie d'accumulateurs et le banc de super-condensateurs afin de maintenir une tension de consigne déterminée UDc de bus DC en entrée d'un convertisseur DC/AC délivrant une tension pour le réseau électrique d'urgence et un module d'optimisation de la tension de bus DC recevant une tension Ubatt de la batterie d'accumulateurs et délivrant la tension de consigne déterminée UDc pour le module de gestion d'énergie de stockage, caractérisé en ce que le convertisseur DC/DC associé à la batterie d'accumulateurs est un convertisseur DC/DC entrelacé dont le nombre de branches et le rapport cyclique de commande sont déterminés par le module d'optimisation de la tension de bus DC afin de garantir une ondulation de courant nulle pendant une phase de descente dans laquelle le module d'optimisation de la tension de bus DC est configuré pour contrôler les tensions UDc de bus DC suivantes en fonction des tensions Ubatt aux bornes de la batterie d'accumulateurs :
Figure imgf000005_0001
et pendant une phase d'atterrissage dans laquelle le module d'optimisation de la tension de bus DC est configuré pour contrôler les tensions UDc de bus DC suivantes en fonction des tensions Ubatt aux bornes de la batterie d'accumulateurs :
Figure imgf000005_0002
These objects are achieved by a hybrid storage system for an emergency electrical network of an aircraft comprising in parallel a battery of accumulators and a bank of super-capacitors, the battery of accumulators and the bank of super-capacitors being each associated with a DC/DC converter whose duty cycle is controlled by a control system comprising a storage energy management module for managing the transfer of energy between the accumulator battery and the bank of super-capacitors in order to maintain a determined setpoint voltage U D c of the DC bus at the input of a DC/AC converter delivering a voltage for the emergency electrical network and a DC bus voltage optimization module receiving a voltage Ubatt from the storage battery and delivering the determined setpoint voltage U D c for the storage energy management module, characterized in that the DC/DC converter associated with the storage battery is a converter interleaved DC/DC circuit whose number of branches and control duty cycle are determined by the DC bus voltage optimization module in order to guarantee zero current ripple during a phase of descent in which the DC bus voltage optimization module is configured to control the following DC bus voltages U D c as a function of the voltages Ubatt at the terminals of the storage battery:
Figure imgf000005_0001
and during a landing phase in which the DC bus voltage optimization module is configured to control the following DC bus voltages U D c as a function of the voltages Ubatt at the terminals of the storage battery:
Figure imgf000005_0002
L'utilisation d'un convertisseur DC/DC en mode entrelacé permet de faire fonctionner la batterie d'accumulateurs à puissance constante et d'obtenir une ondulation de courant nulle ou quasi-nulle dans cette batterie d'accumulateurs. The use of a DC/DC converter in interlaced mode makes it possible to operate the storage battery at constant power and to obtain zero or almost zero current ripple in this storage battery.
De préférence, le module de gestion d'énergie de stockage est configuré pour que la batterie d'accumulateurs délivre une énergie continue nécessaire aux appels de puissance de l'aéronef pendant une phase de croisière et que le banc de super-condensateurs fournisse une énergie impulsionnelle nécessaire aux appels de puissances de l'aéronef pendant les phases de descente et d'atterrissage. Preferably, the storage energy management module is configured so that the battery of accumulators delivers continuous energy necessary for the power demands of the aircraft during a cruise phase and that the bank of super-capacitors supplies energy impulse required for aircraft power calls during the descent and landing phases.
Avantageusement, le module de gestion d'énergie de stockage est configuré pour opérer selon deux modes de fonctionnement, le premier dans lequel le banc de supercondensateurs et la batterie d'accumulateurs fournissent de l'énergie au réseau électrique d'urgence et le second dans lequel le banc de super-condensateurs est rechargé en prélevant de l'énergie sur le réseau électrique d'urgence ou la batterie d'accumulateurs.Advantageously, the storage energy management module is configured to operate according to two modes of operation, the first in which the bank of supercapacitors and the battery of accumulators supply energy to the emergency electrical network and the second in which whereby the bank of supercapacitors is recharged by drawing energy from the emergency power grid or the storage battery.
De préférence, le convertisseur DC/DC entrelacé associé à la batterie d'accumulateurs comporte n branches (n>=3) et le rapport cyclique de commande est modifié selon que n ou n-1 branches sont activées. Preferably, the interlaced DC/DC converter associated with the battery of accumulators comprises n branches (n>=3) and the duty cycle of control is modified according to whether n or n−1 branches are activated.
Avantageusement, le convertisseur DC/DC entrelacé est configuré pour être arrêté lors du passage de la commande de n-1 à n branches et inversement, le convertisseur DC/DC du banc de super-condensateurs fournissant la puissance nécessaire pendant cet arrêt pour éviter toute dégradation de la qualité de la tension du réseau électrique d'urgence. Advantageously, the interlaced DC/DC converter is configured to be stopped when passing the command from n-1 to n branches and conversely, the DC/DC converter of the bank of super-capacitors providing the necessary power during this shutdown to avoid any degradation in the quality of the emergency electrical network voltage.
De préférence, le convertisseur DC/DC entrelacé associé à la batterie d'accumulateurs est un hacheur élévateur entrelacé à cinq branches. Preferably, the interlaced DC/DC converter associated with the storage battery is an interlaced step-up chopper with five branches.
Selon la phase de vol de l'aéronef, pour garantir une ondulation de courant nulle pendant la phase de la descente, le convertisseur DC/DC entrelacé est configuré pour que seules quatre branches sur ses cinq branches soient commandées avec un rapport cyclique d'environ 25%. Depending on the flight phase of the aircraft, to guarantee zero current ripple during the descent phase, the interlaced DC/DC converter is configured so that only four branches out of its five branches are controlled with a duty cycle of approximately 25%.
Et pour garantir une ondulation de courant nulle pendant la phase d'atterrissage, le convertisseur DC/DC entrelacé est configuré pour que ses cinq branches soient commandées avec un rapport cyclique d'environ 40%. And to guarantee zero current ripple during the landing phase, the interlaced DC/DC converter is configured so that its five branches are controlled with a duty cycle of approximately 40%.
Avantageusement, le convertisseur DC/DC entrelacé est configuré pour être arrêté lors du passage de la commande de quatre à cinq branches, le convertisseur DC/DC du banc de super-condensateurs fournissant la puissance nécessaire pendant cet arrêt pour éviter toute dégradation de la qualité de la tension du réseau électrique d'urgence. Advantageously, the interleaved DC/DC converter is configured to be stopped when switching control from four to five branches, the DC/DC converter of the bank of super-capacitors supplying the necessary power during this stop to avoid any degradation in quality. emergency power grid voltage.
De préférence, le réseau électrique d'urgence de l'aéronef est une éolienne de secours.Preferably, the emergency electrical network of the aircraft is an emergency wind turbine.
L'invention concerne également le réseau électrique d'urgence d'un aéronef comportant un système de stockage hybride précité ainsi que l'aéronef muni d'un tel réseau. The invention also relates to the emergency electrical network of an aircraft comprising an aforementioned hybrid storage system as well as the aircraft provided with such a network.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur les lesquels : Other characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the description given below, with reference to the appended drawings which illustrate an example of embodiment devoid of any limiting character and on which:
[Fig. 1] la figure 1 illustre un système d'alimentation hybride d'aéronef conforme à l'invention, [Fig. 1] Figure 1 illustrates a hybrid aircraft power system according to the invention,
[Fig. 2] la figure 2 montre l'ondulation de courant obtenu avec un convertisseur DC/DC du système de stockage hybride de la figure 1, [Fig. 2] figure 2 shows the current ripple obtained with a DC/DC converter of the hybrid storage system of figure 1,
[Fig. 3] la figure 3 montre le cycle de puissance à fournir dans le système de stockage hybride de la figure 1, [Fig. 3] figure 3 shows the power cycle to be supplied in the hybrid storage system of figure 1,
[Fig. 4] la figure 4 montre un premier exemple de séquencement de la commande des convertisseurs DC/DC du système de stockage hybride de la figure 1, et [Fig. 5] la figure 5 montre un second exemple de séquencement de la commande des convertisseurs DC/DC du système de stockage hybride de la figure 1. [Fig. 4] figure 4 shows a first example of sequencing of the control of the DC/DC converters of the hybrid storage system of figure 1, and [Fig. 5] figure 5 shows a second example of sequencing of the control of the DC/DC converters of the hybrid storage system of figure 1.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
Le principe de l'invention repose sur l'optimisation du système de stockage d'un système de génération électrique d'urgence par une hybridation entre des super-condensateurs et une batterie d'accumulateurs avec un convertisseur batterie DC/DC entrelacé dont le rapport cyclique est imposé pour fonctionner avec un minimum d'ondulation de courant quel que soit le point de fonctionnement du système de génération électrique d'urgence, et ceci afin de minimiser la masse du système de filtrage sans dégrader le fonctionnement de la batterie d'accumulateurs. The principle of the invention is based on the optimization of the storage system of an emergency electrical generation system by hybridization between super-capacitors and an accumulator battery with an interlaced DC/DC battery converter whose ratio cyclic is imposed to operate with a minimum of current ripple regardless of the operating point of the emergency electrical generation system, and this in order to minimize the mass of the filtering system without degrading the operation of the storage battery .
La description qui suit décrit l'architecture du système d'alimentation et de stockage hybride, les règles nécessaires à l'optimisation de la tension du bus DC pour garantir le rapport cyclique optimal du convertisseur DC/DC entrelacé de la batterie d'accumulateurs et le principe de contrôle utilisé pour optimiser l'énergie du système de stockage hybride en rechargeant les super-condensateurs par le réseau d'urgence de l'aéronef lorsque cela est possible. The following description describes the architecture of the hybrid power supply and storage system, the rules necessary for optimizing the DC bus voltage to guarantee the optimal duty cycle of the interleaved DC/DC converter of the storage battery and the control principle used to optimize the energy of the hybrid storage system by recharging the super-capacitors by the emergency network of the aircraft when possible.
La figure 1 illustre un système d'alimentation hybride 10 en énergie électrique dans un aéronef selon un mode de réalisation comprenant une source principale 12 génératrice d'énergie électrique connectée à au moins une charge électrique 14 et une source auxiliaire 16 de stockage d'énergie électrique délivrant une tension continue UDc (bus DC) et connectée en parallèle de la source principale par l'intermédiaire d'un convertisseur 18, par exemple un convertisseur de puissance continu alternatif DC/ AC (onduleur réseau), assurant le transfert de l'énergie et délivrant alors à la charge électrique 14, si besoin, une puissance électrique supplémentaire en complément de la source principale 12. Comme il est connu, le convertisseur DC/AC est précédé d'un condensateur de lissage 17 et suivi d'un système de filtrage 19 avant injection sur le réseau. Bien qu'une seule charge électrique 14 soit ici représentée, il est entendu que la source principale 12 et le convertisseur DC/AC 18 peuvent être reliés par l'intermédiaire d'un bus d'alimentation électrique (bus AC non représenté) à une pluralité de charges électriques. Ces charges électriques sont, à titre d'exemple, des actionneurs de contrôle de vol, des unités de calcul, ou encore des charges électriques essentielles au bon déroulement du vol de l'aéronef. La source principale génératrice d'énergie électrique 12 qui peut être qualifiée de réseau électrique d'urgence de l'aéronef est une éolienne de secours comprenant une hélice 120 ainsi qu'une génératrice électrique 122 reliée à la charge électrique 14 pour alimenter électriquement celle-ci. Cependant d'autres sources principales génératrices d'énergie peuvent être envisagées, comme une turbine à gaz. FIG. 1 illustrates a hybrid electrical energy supply system 10 in an aircraft according to one embodiment comprising a main source 12 generating electrical energy connected to at least one electrical load 14 and an auxiliary source 16 of energy storage supplying a DC voltage U D c (DC bus) and connected in parallel with the main source via a converter 18, for example a DC/AC AC DC power converter (network inverter), ensuring the transfer of energy and then delivering to the electrical load 14, if necessary, additional electrical power in addition to the main source 12. As is known, the DC / AC converter is preceded by a smoothing capacitor 17 and followed by a filtering system 19 before injection into the network. Although a single electric load 14 is shown here, it is understood that the main source 12 and the DC/AC converter 18 can be connected via an electric power supply bus (AC bus not shown) to a plurality of electric charges. These electrical loads are, by way of example, flight control actuators, calculation units, or even electrical loads essential to the smooth running of the flight of the aircraft. The main electrical energy generating source 12 which can be described as the emergency electrical network of the aircraft is an emergency wind turbine comprising a propeller 120 as well as an electrical generator 122 connected to the electrical load 14 to electrically supply it. this. However, other main energy-generating sources can be envisaged, such as a gas turbine.
La source auxiliaire de stockage d'énergie électrique 16 qui constitue un système de stockage hybride est réalisée par un ou plusieurs éléments de stockage montés en parallèle tels qu'une batterie d'accumulateurs 160 et un banc de super-condensateurs 162 associés chacun à un convertisseur DC/DC 170, 172. Plus précisément, la batterie d'accumulateurs 160 dont la tension est imposée par son état de charge et son point de fonctionnement est destinée à délivrer une énergie continue nécessaire aux appels de puissance des différents actionneurs de l'aéronef pendant la phase de croisière et est associée à un convertisseur DC/DC 170 dont la particularité et la commande sera décrite plus avant, et le banc de supercondensateurs destiné à fournir l'énergie impulsionnelle nécessaire aux appels de puissances des différents actionneurs pendant les phases de descente et d'atterrissage est associé également à un convertisseur DC/DC 172 destiné à transmettre cette énergie impulsionnelle au convertisseur DC/AC puis au réseau électrique d'urgence de l'aéronef et assurant la recharge des super-condensateurs en dehors de ces phases impulsionnelles. The auxiliary electrical energy storage source 16 which constitutes a hybrid storage system is produced by one or more storage elements connected in parallel such as an accumulator battery 160 and a bank of super-capacitors 162 each associated with a DC/DC converter 170, 172. More specifically, the storage battery 160, the voltage of which is imposed by its state of charge and its operating point, is intended to deliver continuous energy necessary for the power demands of the various actuators of the aircraft during the cruise phase and is associated with a DC/DC converter 170 whose particularity and control will be described later, and the bank of supercapacitors intended to supply the pulsed energy necessary for the power calls of the various actuators during the phases descent and landing is also associated with a DC/DC converter 172 intended to transmit this pulsed energy to the converter r DC/AC then to the emergency electrical network of the aircraft and ensuring the recharging of the super-capacitors outside these pulse phases.
Pendant la phase de descente, la recharge des super-condensateurs peut être réalisée par le réseau électrique d'urgence de l'avion à travers le convertisseur DC/AC, celui-ci pouvant alors fonctionner en générateur DC quand la puissance de la génératrice est supérieure à la puissance des charges ou elle peut également être réalisée par la batterie à travers son convertisseur DC/DC. Pendant la phase d'atterrissage, la recharge des super-condensateurs est réalisée par la batterie à travers son convertisseur DC/DC, car à ce moment, la puissance de la génératrice est insuffisante pour fournir seule l'énergie à l'aéronef. During the descent phase, the super-capacitors can be recharged by the aircraft's emergency electrical network through the DC/AC converter, which can then operate as a DC generator when the generator power is low. greater than the power of the loads or it can also be carried out by the battery through its DC/DC converter. During the landing phase, the super-capacitors are recharged by the battery through its DC/DC converter, since at this time the power of the generator is insufficient to supply the aircraft with energy alone.
Ces convertisseurs DC/DC ainsi que le convertisseur DC/AC sont commandés par un système de contrôle 20 comprenant les trois modules de commande 200, 202, 204 des rapports cycliques de chacun de ces trois convertisseurs (des modules standards connus de l'homme du métier et dont les algorithmes de commande sont liés à la topologie des convertisseurs) et permettant avec un premier module de gestion d'énergie 206 recevant la vitesse de rotation N de l'hélice 120 et délivrant une consigne Iq de courant pour convertisseur DC/AC 18, de gérer le transfert d'énergie entre le système de stockage hybride et le réseau d'urgence de l'aéronef, et avec un second module de gestion d'énergie 208, de gérer le transfert d'énergie entre les éléments de stockage (batteries et super-condensateurs), ce module de gestion d'énergie 208 recevant également la consigne Iq de courant, une mesure Ubatt de la tension batterie et une mesure Uscap de la tension des super-condensateurs et délivrant respectivement aux trois modules de commande une consigne Ibat de courant pour la batterie, une consigne Iscap de courant pour super-condensateurs et une consigne Iq<0 de courant pour le convertisseur DC/AC dans le cas où la génératrice peut recharger les éléments de stockage. These DC/DC converters as well as the DC/AC converter are controlled by a control system 20 comprising the three control modules 200, 202, 204 of the duty cycles of each of these three converters (standard modules known to those skilled in the art). business and whose control algorithms are linked to the topology of the converters) and allowing with a first energy management module 206 receiving the rotational speed N of the propeller 120 and delivering a current setpoint Iq for DC / AC converter 18, to manage the transfer of energy between the hybrid storage system and the emergency network of the aircraft, and with a second energy management module 208, to manage the transfer of energy between the storage elements (batteries and super-capacitors), this energy management module 208 also receiving the current setpoint Iq, a measurement Ubatt of the battery voltage and a measurement Uscap of the voltage of the super-capacitors and delivering respectively to the three control modules a current setpoint Ibat for the battery, a current setpoint Iscap for super-capacitors and a current setpoint Iq<0 for the DC/AC converter in the event that the generator can recharge the storage elements.
De tels modules de gestion d'énergie sont connus de l'homme du métier (par exemple de la demande FR3056034 citée en préambule) et ne nécessitent pas d'être détaillés. De même, un module de synchronisation 210 qui reçoit les tensions VAAC du réseau AC (et/ou la tension de la génératrice) et délivre la phase 0 du repère tournant de l'onduleur réseau 18 permet de synchroniser le convertisseur DC/AC avec le réseau électrique d'urgence de l'aéronef (un tel module de gestion est également connu en soi par la demande FR3082069 déposée au nom de la demanderesse) et un module d'optimisation de la tension de bus DC 212 recevant la tension de la batterie Ubatt et délivrant une tension de consigne UDc pour le module de gestion 208 afin de limiter au minimum l'ondulation de courant dans le convertisseur DC/DC 170 de la batterie. Such energy management modules are known to those skilled in the art (for example from application FR3056034 cited in the preamble) and do not need to be detailed. Similarly, a synchronization module 210 which receives the voltages V AAC from the AC network (and/or the generator voltage) and delivers phase 0 of the rotating marker of the network inverter 18 makes it possible to synchronize the DC/AC converter with the emergency electrical network of the aircraft (such a management module is also known per se from application FR3082069 filed in the name of the applicant) and a DC bus voltage optimization module 212 receiving the voltage from the battery Ubatt and delivering a reference voltage U D c for the management module 208 in order to limit the current ripple in the DC/DC converter 170 of the battery to a minimum.
On décrira maintenant le principe de l'optimisation de l'ondulation de courant au niveau du module 212 qui repose sur la commande du convertisseur DC/DC 170 qui présente la particularité selon l'invention d'être un convertisseur DC/DC entrelacé dont le nombre de branches peut varier en fonction des besoins, mais qui ne saurait être inférieur à trois. Il peut s'agir d'un simple hacheur élévateur entrelacé, mais d'autres topologies de type sources de courant peuvent assurer la même fonction (tels que des convertisseurs multiniveaux, des convertisseurs élévateur de tension (boost), ...). We will now describe the principle of the optimization of the current ripple at the level of the module 212 which is based on the control of the DC/DC converter 170 which has the particularity according to the invention of being an interlaced DC/DC converter whose number of branches can vary according to needs, but which cannot be less than three. It can be a simple interleaved step-up chopper, but other topologies of current source type can provide the same function (such as multilevel converters, step-up converters (boost), ...).
Comme le montre la figure 2, un convertisseur DC/DC entrelacé à n branches génère une ondulation de courant nulle pour des points de fonctionnement particuliers correspondant à des rapports cycliques de contrôle égaux à k / n (avec k entier et compris entre 0 et n).As shown in Figure 2, an n-branch interleaved DC/DC converter generates zero current ripple for particular operating points corresponding to control duty ratios equal to k/n (with k integer and between 0 and n ).
La tension optimale en sortie batterie pour assurer un bon contrôle du convertisseur DC/AC est connue et elle est directement proportionnelle à la tension régulée. Prenons une tension UDc de bus DC de 650 VDC comme exemple. Il est possible d'augmenter cette tension de l'ordre de 10% (jusqu'à par exemple 720 VDC) sans impact significatif ni sur le rendement du convertisseur DC/AC ni sur la qualité de la tension délivrée sur le réseau d'urgence de l'aéronef. Les points de fonctionnements de la batterie sont connus en fonction du cycle de puissance que doit fournir la source auxiliaire 16 au travers des éléments de stockage (voir la figure 3) et peuvent être répartis en deux cas selon la phase de vol de l'aéronef. Le premier concerne la phase de descente ou la puissance fournie par la batterie est faible (inférieure à 2KW et suffisante pour recharger les super-capacités) ou nulle et le second la phase d'atterrissage ou la puissance fournie est importante (entre 22 et TJ KW selon le cycle, les conditions d'environnement et la technologie choisie) The optimum voltage at the battery output to ensure good control of the DC/AC converter is known and it is directly proportional to the regulated voltage. Take a DC bus voltage U D c of 650 VDC as an example. It is possible to increase this voltage by around 10% (up to, for example, 720 VDC) without significant impact either on the efficiency of the DC/AC converter or on the quality of the voltage delivered on the emergency network of the aircraft. The operating points of the battery are known according to the power cycle that the auxiliary source 16 must supply through the storage elements (see FIG. 3) and can be divided into two cases according to the flight phase of the aircraft . The first concerns the descent phase where the power supplied by the battery is low (less than 2KW and sufficient to recharge the supercapacitors) or zero and the second the landing phase where the power supplied is high (between 22 and TJ KW depending on cycle, environmental conditions and chosen technology)
Dans tous les cas, la tension de la batterie peut être aisément calculée pour le dimensionnement du nombre de cellules et du nombre de branche du convertisseur DC/DC. Prenons l'exemple d'un convertisseur DC/DC entrelacé à cinq branches. In all cases, the battery voltage can be easily calculated for the dimensioning of the number of cells and the number of branches of the DC/DC converter. Let us take the example of an interlaced DC/DC converter with five branches.
Ainsi, pendant la phase de la descente (pendant laquelle la puissance fournie par la batterie est faible), il est possible afin d'adapter le rapport cyclique du convertisseur au point de fonctionnement de la batterie de ne commander que quatre branches sur les cinq du convertisseur DC/DC entrelacé. Dans ce cas, avec un rapport cyclique d'environ 25% permettant de garantir une ondulation de courant nulle (typiquement inférieure à 3% de l'ondulation de courant obtenue avec un convertisseur DC/DC standard à inductance équivalente), il est possible de contrôler différentes tensions UDc du bus DC en fonction des mesures des tensions de la batterie Ubatt indiquées dans le tableau ci-après :
Figure imgf000010_0001
Thus, during the descent phase (during which the power supplied by the battery is low), it is possible, in order to adapt the duty cycle of the converter to the operating point of the battery, to control only four branches out of the five of the interlaced DC/DC converter. In this case, with a duty cycle of approximately 25% making it possible to guarantee zero current ripple (typically less than 3% of the current ripple obtained with a standard DC/DC converter with equivalent inductance), it is possible to check different DC bus voltages U D c according to the battery voltage measurements Ubatt indicated in the table below:
Figure imgf000010_0001
Tableau 1 : Tension UDc permettant de garantir une ondulation de courant nulle (ou quasi- nulle) en fonction de la tension de la batterie en commandant quatre branches d'un convertisseur DC/DC entrelacé lors des fonctionnements à faible charge (descente). Table 1: Voltage U D c ensuring zero (or almost zero) current ripple as a function of the battery voltage by controlling four branches of an interleaved DC/DC converter during low-load operation (dip) .
Pendant la phase d'atterrissage, la puissance prélevée sur la batterie est beaucoup plus importante. La tension délivrée sera plus faible à cause de la chute de courant ohmique dans la batterie. Ainsi, en utilisant les cinq branches du convertisseur DC/DC entrelacé, et avec un rapport cyclique d'environ 40% permettant de garantir une ondulation de courant nulle (typiquement inférieure à 3% de l'ondulation de courant obtenue avec un convertisseur DC/DC standard à inductance équivalente), il est possible de contrôler les différentes tensions du bus DC indiquées dans le tableau ci-après en fonction des mesures des tensions de la batterie d'accumulateurs :
Figure imgf000011_0001
During the landing phase, the power taken from the battery is much greater. The voltage delivered will be lower due to the ohmic current drop in the battery. Thus, by using the five branches of the interlaced DC/DC converter, and with a duty cycle of approximately 40% making it possible to guarantee zero current ripple (typically less than 3% of the current ripple obtained with a DC/DC converter standard DC with equivalent inductance), it is possible to control the various DC bus voltages indicated in the table below according to the measurements of the storage battery voltages:
Figure imgf000011_0001
Tableau 2 : Tension UDc permettant de garantir une ondulation de courant nulle (ou quasi- nulle) en fonction de la tension de la batterie en commandant cinq branches d'un convertisseur DC/DC entrelacé lors des fonctionnements à forte charge (atterrissage).Table 2: Voltage U D c ensuring zero (or almost zero) current ripple as a function of the battery voltage by controlling five branches of an interleaved DC/DC converter during heavy load operation (landing) .
Ainsi, en activant ou non l'ensemble des branches du convertisseur DC/DC entrelacé afin d'adapter son rapport cyclique au point de fonctionnement recherché, il est possible de garantir une ondulation de courant nulle ou quasi-nulle au niveau du convertisseur de la batterie sur une large (c'est à dire au moins 90%, une tension batterie ayant typiquement une plage de fonctionnement de 560V à 365V et une ondulation de courant <3% pouvant être obtenue avec l'invention pour une tension batterie comprise entre 555 et 375V) plage de fonctionnement du système hybride de stockage et limiter ainsi la masse du filtrage DC en sortie du convertisseur DC/DC entrelacé 170. Comme précisé précédemment, on entend par ondulation de courant nulle ou quasi nulle une ondulation de courant inférieure à 3% de l'ondulation de courant qui aurait été obtenue avec un convertisseur DC/DC standard à inductance équivalente. Thus, by activating or not all the branches of the interlaced DC/DC converter in order to adapt its duty cycle to the desired operating point, it is possible to guarantee zero or almost zero current ripple at the level of the converter of the battery over a large (i.e. at least 90%, a battery voltage typically having an operating range of 560V to 365V and a current ripple <3% that can be obtained with the invention for a battery voltage of between 555 and 375V) operating range of the hybrid storage system and thus limit the mass of the DC filtering at the output of the interlaced DC/DC converter 170. % of the current ripple that would have been obtained with a standard equivalent inductance DC/DC converter.
On pourra noter que la plage de tension batterie est en fait plus importance que celle indiquée aux tableaux précités car une ondulation de courant de 3% correspond en pratique à un écart de 2% sur le rapport cyclique (23% à 27% ou 38% à 42%), ce qui fait que l'invention reste efficace sur une encore plus large plage de fonctionnement. It may be noted that the battery voltage range is in fact greater than that indicated in the aforementioned tables because a current ripple of 3% corresponds in practice to a difference of 2% on the duty cycle (23% to 27% or 38% at 42%), which means that the invention remains effective over an even wider operating range.
Le transitoire de puissance du convertisseur DC/DC entrelacé pour passer de la commande de quatre à cinq branches et inversement, et plus généralement de n-1 à n branches et inversement, se fait aisément par un arrêt rapide du convertisseur. Cela est possible sans dégrader les performances globales du système car lors de ce transitoire, la puissance, et donc l'énergie stockée dans les inductances du convertisseur DC/DC entrelacé est faible. Il est donc facile de décharger rapidement ces inductances pour modifier le déphasage de la commande des branches du convertisseur DC/DC entrelacé. En outre, la présence des super-condensateurs 162 et de leur convertisseur DC/DC 172 associé permet de fournir toute la puissance nécessaire pendant ce transitoire et ainsi empêcher toute dégradation de la tension en entrée du convertisseur DC/AC, et donc toute dégradation de la qualité de la tension du réseau électrique d'urgence. On décrira maintenant le principe de contrôle de l'optimisation de l'ondulation de courant dans le cas où l'énergie de recharge des super-condensateurs est fournie par le réseau électrique d'urgence pendant la phase de descente. The power transient of the interlaced DC/DC converter to go from controlling four to five branches and vice versa, and more generally from n−1 to n branches and vice versa, is easily done by a rapid stop of the converter. This is possible without degrading the overall performance of the system because during this transient, the power, and therefore the energy stored in the inductors of the interlaced DC/DC converter is low. It is therefore easy to quickly discharge these inductors to modify the phase shift of the control of the branches of the interlaced DC/DC converter. In addition, the presence of the super-capacitors 162 and their associated DC/DC converter 172 makes it possible to supply all the power necessary during this transient and thus prevent any degradation of the voltage at the input of the DC/AC converter, and therefore any degradation of the quality of the voltage of the emergency electrical network. We will now describe the principle of controlling the optimization of the current ripple in the case where the super-capacitor recharging energy is supplied by the emergency electrical network during the descent phase.
Le module de gestion d'énergie du système 206 délivre une consigne de courant Iq, qui est positif si la vitesse N de l'hélice 120 de l'éolienne de secours 12 est insuffisante et nulle dans le cas contraire. The energy management module of the system 206 delivers a current setpoint Iq, which is positive if the speed N of the propeller 120 of the emergency wind turbine 12 is insufficient and zero otherwise.
Pendant la descente, lors d'un appel de puissance d'un actionneur supérieure à la puissance que peut délivrer la génératrice, le module de gestion d'énergie du système va délivrer une consigne de courant Iq positif pour fournir la puissance nécessaire au système. Ce prélèvement de puissance aura pour effet de faire chuter la tension en sortie du convertisseur DC/DC entrelacé en dessous de la consigne. During the descent, when a power demand from an actuator exceeds the power that the generator can deliver, the system's energy management module will deliver a positive current setpoint Iq to supply the power necessary for the system. This power withdrawal will have the effect of causing the output voltage of the interlaced DC/DC converter to drop below the setpoint.
Cette consigne a été préalablement définie par le module d'optimisation 212 en fonction du point de fonctionnement comme explicité précédemment (descente avec un fonctionnement sur quatre branches et un rapport cyclique théorique d'environ 25% ou atterrissage avec un fonctionnement sur cinq branches et un rapport cyclique d'environ 40%) et en fonction de la tension Ubatt mesurée aux bornes de la batterie, en entrée du convertisseur DC/DC entrelacé. This setpoint was previously defined by the optimization module 212 as a function of the operating point as explained above (descent with operation on four branches and a theoretical duty cycle of approximately 25% or landing with operation on five branches and a duty cycle of around 40%) and as a function of the voltage Ubatt measured at the terminals of the battery, at the input of the interlaced DC/DC converter.
Le module de gestion d'énergie de stockage 208 comprend deux modes de fonctionnement dont le séquencement sera décrit en référence aux figures 3 et 4. The storage energy management module 208 comprises two modes of operation, the sequencing of which will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
Dans un premier mode (iq >0 : Mode fourniture de puissance), lorsque la tension mesurée en entrée du convertisseur DC/ AC devient inférieure à la consigne, le module de gestion d'énergie de stockage va générer des consignes de puissance pour les deux convertisseurs DC/DC de telle sorte que les super-condensateurs 162 puissent fournir instantanément l'ensemble de la puissance impulsionnelle, et la batterie d'accumulateurs 160 une faible partie de la puissance en fonction de la durée de l'impulsion de puissance. Connaissant les tensions des éléments de stockage, il est facile de déduire les consignes de courants Ibat et Iscap à envoyer aux deux modules de commande 200, 202 des deux convertisseurs DC/DC.In a first mode (iq >0: Power supply mode), when the voltage measured at the input of the DC/AC converter becomes lower than the setpoint, the storage energy management module will generate power setpoints for the two DC/DC converters so that the super-capacitors 162 can instantaneously supply all of the pulsed power, and the accumulator battery 160 a small part of the power depending on the duration of the power pulse. Knowing the voltages of the storage elements, it is easy to deduce the current setpoints Ibat and Iscap to be sent to the two control modules 200, 202 of the two DC/DC converters.
Le cas de fonctionnement pendant l'atterrissage correspond à ce premier mode de fonctionnement, avec la batterie qui fournit la puissance moyenne du système de stockage hybride. Ce mode de fonctionnement peut également être utilisé lors de la descente si l'on ne souhaite pas prélever de la puissance sur le réseau d'urgence de l'aéronef pour recharger les super-condensateurs. The case of operation during landing corresponds to this first mode of operation, with the battery supplying the average power of the hybrid storage system. This mode of operation can also be used during the descent if it is not desired to draw power from the emergency network of the aircraft to recharge the super-capacitors.
Le séquencement relatif à ce premier mode de fonctionnement est illustré à la figure 4. Si, pendant la descente, la puissance demandée par la ou les charges 14 chute en dessous de la puissance que peut délivrer la génératrice du réseau électrique d'urgence (P<PTGS), alors la vitesse N va augmenter et cela aura alors pour conséquence d'annuler la consigne de courant Iq. The sequencing relating to this first operating mode is illustrated in figure 4. If, during the descent, the power demanded by the load(s) 14 drops below the power that can be delivered by the generator of the emergency electrical network (P<P T GS), then the speed N will increase and this will then have the consequence of canceling the current setpoint Iq.
Le module de gestion d'énergie des éléments de stockage peut alors passer dans un second mode (Iq = 0 (ou N supérieur à un seuil) ET Uscap < Uscap_seuil : Mode récupération de puissance) dans lequel les super-condensateurs ne sont pas chargés de façon optimale pour fournir le prochain appel de puissance ou ont été déchargés lors de la phase précédente.The storage element energy management module can then switch to a second mode (Iq = 0 (or N greater than a threshold) AND Uscap < Uscap_threshold: Power recovery mode) in which the super-capacitors are not charged optimally to supply the next power demand or have been discharged during the previous phase.
Dans ce mode, le convertisseur DC/DC 172 des super-condensateurs 162 va passer en mode chargeur en appliquant une consigne de courant (ou de puissance) fonction de l'état de charge des super-condensateurs. Le temps de montée de la consigne de courant (ou de puissance) de ce convertisseur DC/DC des super-condensateurs peut être contrôlée afin de ne pas solliciter brusquement la batterie d'accumulateurs 160 ou la génératrice 122. In this mode, the DC/DC converter 172 of the super-capacitors 162 will switch to charger mode by applying a current (or power) setpoint depending on the state of charge of the super-capacitors. The rise time of the current (or power) setpoint of this DC/DC converter of the super-capacitors can be controlled so as not to suddenly stress the storage battery 160 or the generator 122.
Ce prélèvement de puissance va faire chuter la tension en entrée du convertisseur DC/ AC en dessous de sa consigne. Le module d'énergie de stockage va alors générer des consignes de puissance pour le convertisseur DC/DC entrelacé 170 et le convertisseur DC/AC 18. La consigne de puissance de la batterie d'accumulateurs 160 va rester figée à l'état initial alors que le convertisseur DC/AC 18 fournira le reste de la puissance. Celui-ci fonctionnera alors en mode redresseur (Iq<0) pour prélever de l'énergie sur le réseau électrique d'urgence et ainsi recharger les super-condensateurs 162. Une fois les super-condensateurs chargés (Uscap > Uscap_seuil), les deux convertisseurs 170, 18 s'arrêteront jusqu'au prochain appel de puissance des charges du réseau d'urgence de l'aéronef. This power draw will cause the input voltage of the DC/AC converter to drop below its setpoint. The storage energy module will then generate power setpoints for the interlaced DC/DC converter 170 and the DC/AC converter 18. The power setpoint for the storage battery 160 will remain fixed in the initial state then that the DC/AC converter 18 will provide the rest of the power. This will then operate in rectifier mode (Iq<0) to draw energy from the emergency electrical network and thus recharge the super-capacitors 162. Once the super-capacitors are charged (Uscap > Uscap_threshold), the two converters 170, 18 will stop until the next call for power from the loads of the emergency network of the aircraft.
Connaissant la tension et la phase du réseau, il est facile de déduire la consigne de courants iq<0 à envoyer au module de commande 204 du convertisseur DC/AC. Knowing the voltage and the phase of the network, it is easy to deduce the current setpoint iq<0 to be sent to the control module 204 of the DC/AC converter.
Le séquencement relatif à ce second mode de fonctionnement est illustré à la figure 5.The sequencing relating to this second operating mode is illustrated in figure 5.
Ainsi, l'invention permet de réduire la masse et/ou le coût du système de stockage hybride par l'utilisation d'un système de stockage hybride optimisé pour répondre aux besoins des cycles de puissance de la génération d'un aéronef en mode d'urgence. Les supercondensateurs sont optimisés pour fournir les fortes puissances transitoires correspondant à la commande d'actionneurs, et la masse de la batterie (voire son coût par l'utilisation d'une technologie plus simple) pour fournir une puissance constante. La masse de la batterie est alors définie par sa densité d'énergie et n'est plus limitée par sa densité de puissance. De même, le coût et la masse du convertisseur DC/DC de la batterie sont réduits par l'entrelacement (réduction du filtre de sortie et suppression d'une partie du filtre d'entrée côté batterie). Thus, the invention makes it possible to reduce the mass and/or the cost of the hybrid storage system by the use of a hybrid storage system optimized to meet the needs of the power cycles of the generation of an aircraft in d mode. 'emergency. Supercapacitors are optimized to provide the high transient powers corresponding to the control of actuators, and the mass of the battery (even its cost by the use of simpler technology) to provide constant power. The mass of the battery is then defined by its energy density and is no longer limited by its power density. Similarly, the cost and mass of the battery DC/DC converter are reduced by interlacing (reduction of the output filter and removal of part of the input filter on the battery side).

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Système de stockage hybride (16) pour un réseau électrique d'urgence d'un aéronef comportant en parallèle une batterie d'accumulateurs (160) et un banc de super-condensateurs (162), la batterie d'accumulateurs et le banc de super-condensateurs étant associés chacun à un convertisseur DC/DC (170, 172) dont le rapport cyclique est commandé par un système de contrôle (20) comportant un module de gestion d'énergie de stockage (208) pour gérer le transfert d'énergie entre la batterie d'accumulateurs et le banc de super-condensateurs afin de maintenir une tension de consigne déterminée UDc de bus DC en entrée d'un convertisseur de puissance DC/AC (18) délivrant une tension pour le réseau électrique d'urgence et un module d'optimisation de la tension de bus DC (212) recevant une tension Ubatt de la batterie d'accumulateurs et délivrant la tension de consigne déterminée UDc pour le module de gestion d'énergie de stockage, caractérisé en ce que le convertisseur DC/DC associé à la batterie d'accumulateurs est un convertisseur DC/DC entrelacé dont le nombre de branches et le rapport cyclique de commande sont déterminés par le module d'optimisation de la tension de bus DC (212) afin de garantir une ondulation de courant nulle pendant une phase de descente dans laquelle le module d'optimisation de la tension de bus DC (212) est configuré pour contrôler les tensions du bus UDc suivantes en fonction des tensions Ubatt aux bornes de la batterie d'accumulateurs:
Figure imgf000015_0001
et pendant une phase d'atterrissage dans laquelle le module d'optimisation de la tension de bus DC (212) est configuré pour contrôler les tensions du bus UDc suivantes en fonction des tensions Ubatt aux bornes de la batterie d'accumulateurs:
Figure imgf000015_0002
[Claim 1] A hybrid storage system (16) for an emergency electrical network of an aircraft comprising in parallel a battery of accumulators (160) and a bank of super-capacitors (162), the battery of accumulators and the bank of super-capacitors being each associated with a DC/DC converter (170, 172) whose duty cycle is controlled by a control system (20) comprising a storage energy management module (208) to manage the transfer of energy between the accumulator battery and the bank of super-capacitors in order to maintain a determined setpoint voltage U D c of the DC bus at the input of a DC/AC power converter (18) delivering a voltage for the emergency electrical network and a DC bus voltage optimization module (212) receiving a voltage Ubatt from the storage battery and delivering the determined setpoint voltage U D c for the storage energy management module , characterized in that the DC/DC converter associated Attached to the storage battery is an interleaved DC/DC converter whose number of branches and control duty cycle are determined by the DC bus voltage optimization module (212) to ensure zero current ripple during a fall phase in which the DC bus voltage optimization module (212) is configured to control the following bus voltages U D c as a function of the voltages Ubatt at the terminals of the storage battery:
Figure imgf000015_0001
and during a landing phase in which the DC bus voltage optimization module (212) is configured to control the following bus voltages U D c as a function of the voltages Ubatt at the terminals of the storage battery:
Figure imgf000015_0002
[Revendication 2] Système de stockage hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de gestion d'énergie de stockage (208) est configuré pour que la batterie d'accumulateurs (160) délivre une énergie continue nécessaire aux appels de puissance de l'aéronef pendant une phase de croisière et que le banc de supercondensateurs (162) fournisse une énergie impulsionnelle nécessaire aux appels de puissances de l'aéronef pendant les phases de descente et d'atterrissage. [Claim 2] Hybrid storage system according to claim 1, characterized in that the storage energy management module (208) is configured so that the accumulator battery (160) delivers a continuous energy necessary for the power calls of the aircraft during a cruising phase and that the bank of supercapacitors (162) provides pulse energy necessary for the power calls of the aircraft during the descent and landing phases.
[Revendication 3] Système de stockage hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que le module de gestion d'énergie de stockage (208) est configuré pour opérer selon deux modes de fonctionnement, le premier dans lequel le banc de supercondensateurs (162) et la batterie d'accumulateurs (172) fournissent de l'énergie au réseau électrique d'urgence et le second dans lequel le banc de super-condensateurs (162) est rechargé en prélevant de l'énergie sur le réseau électrique d'urgence ou la batterie d'accumulateurs. [Claim 3] Hybrid storage system according to claim 1, characterized in that the storage energy management module (208) is configured to operate according to two modes of operation, the first in which the bank of supercapacitors (162) and the storage battery (172) provide power to the emergency power grid and the second in which the bank of supercapacitors (162) is recharged by drawing power from the emergency power grid or the accumulator battery.
[Revendication 4] Système de stockage hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur DC/DC entrelacé associé à la batterie d'accumulateurs comporte n branches (n>=3) et en ce que le rapport cyclique de commande est adapté selon que n ou n-1 branches sont activées. [Claim 4] Hybrid storage system according to Claim 1, characterized in that the interlaced DC/DC converter associated with the accumulator battery comprises n branches (n>=3) and in that the duty cycle of control is adapted depending on whether n or n-1 branches are activated.
[Revendication 5] Système de stockage hybride selon la revendication 4, caractérisé en ce que le convertisseur DC/DC entrelacé est configuré pour être arrêté lors du passage de la commande de n-1 à n branches et inversement, le convertisseur DC/DC (172) du banc de super-condensateurs (162) fournissant la puissance nécessaire pendant cet arrêt pour éviter toute dégradation de la qualité de la tension du réseau électrique d'urgence. [Claim 5] Hybrid storage system according to Claim 4, characterized in that the interleaved DC/DC converter is configured to be stopped when the command passes from n-1 to n branches and vice versa, the DC/DC converter ( 172) of the bank of super-capacitors (162) supplying the necessary power during this shutdown to avoid any deterioration in the quality of the voltage of the emergency electrical network.
[Revendication 6] Système de stockage hybride selon la revendication 1, caractérisé en ce que le convertisseur DC/DC entrelacé associé à la batterie d'accumulateurs est un hacheur élévateur entrelacé à cinq branches. [Claim 6] Hybrid storage system according to claim 1, characterized in that the interleaved DC/DC converter associated with the accumulator battery is an interleaved step-up chopper with five branches.
[Revendication 7] Système de stockage hybride selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour garantir l'ondulation de courant nulle pendant la phase de la descente, le convertisseur DC/DC entrelacé (170) est configuré pour que seules quatre branches sur ses cinq branches soient commandées avec un rapport cyclique d'environ 25%. [Claim 7] Hybrid storage system according to claim 6, characterized in that, in order to guarantee zero current ripple during the phase of the descent, the interleaved DC/DC converter (170) is configured so that only four branches on its five branches are driven with a duty cycle of approximately 25%.
[Revendication 8] Système de stockage hybride selon la revendication 6, caractérisé en ce que, pour garantir l'ondulation de courant nulle pendant la phase d'atterrissage, le convertisseur DC/DC entrelacé (170) est configuré pour que ses cinq branches soient commandées avec un rapport cyclique d'environ 40%. [Claim 8] Hybrid storage system according to claim 6, characterized in that, to guarantee zero current ripple during the landing phase, the interleaved DC/DC converter (170) is configured so that its five branches are controlled with a duty cycle of approximately 40%.
[Revendication 9] Système de stockage hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que réseau électrique d'urgence de l'aéronef est une éolienne de secours. [Claim 9] Hybrid storage system according to any one of Claims 1 to 8, characterized in that the aircraft's emergency electrical network is an emergency wind turbine.
[Revendication 10] Réseau électrique d'urgence d'un aéronef comportant un système de stockage hybride selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.[Claim 10] An aircraft emergency electrical network comprising a hybrid storage system according to any one of claims 1 to 9.
[Revendication 11] Aéronef comportant un réseau électrique d'urgence selon la revendication 10. [Claim 11] Aircraft comprising an emergency electrical network according to claim 10.
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