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WO2020174165A1 - Architecture propulsive hybride-électrique et procédé de dissipation d'énergie électrique dans une telle architecture - Google Patents

Architecture propulsive hybride-électrique et procédé de dissipation d'énergie électrique dans une telle architecture Download PDF

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WO2020174165A1
WO2020174165A1 PCT/FR2020/050343 FR2020050343W WO2020174165A1 WO 2020174165 A1 WO2020174165 A1 WO 2020174165A1 FR 2020050343 W FR2020050343 W FR 2020050343W WO 2020174165 A1 WO2020174165 A1 WO 2020174165A1
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WO
WIPO (PCT)
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storage means
electrical energy
electrical
electric
charge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2020/050343
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Klonowski
Thomas BARRACO
Camel SERGHINE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Helicopter Engines SAS
Original Assignee
Safran Helicopter Engines SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Helicopter Engines SAS filed Critical Safran Helicopter Engines SAS
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Priority to JP2021549542A priority patent/JP7374203B2/ja
Priority to CA3131251A priority patent/CA3131251A1/fr
Priority to CN202080021848.6A priority patent/CN113573942A/zh
Priority to US17/433,545 priority patent/US12391124B2/en
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Definitions

  • the invention relates to a hybrid-electric propulsion architecture for a multi-rotor rotary wing aircraft, an aircraft comprising such a hybrid-electric propulsion architecture and a method of dissipating electric energy in such a hybrid electric propulsion architecture.
  • thermoelectric power A hybrid propulsion architecture of an aircraft, commonly called series hybridization, with generation of thermoelectric power is known from the state of the art.
  • a hybrid propulsion architecture 10 generally comprises:
  • an electric generator 14 coupled to the internal combustion engine so that in operation the internal combustion engine 12 drives the electric generator 14,
  • a rectifier 16 connected to the electric generator 14 and configured to convert an alternating current delivered by the electric generator 14 into a direct current, means 18a, 18b, 18c, 18d of the direct current into alternating current,
  • 18b, 18c, 18d electric motors 22a, 22b, 22c, 22d connected to the conversion means 18a, 18b, 18c, 18d so that in operation the conversion means 18a, 18b, 18c, 18d power the electric motors 22a, 22b, 22c, 22d in alternating current, and propellers 24a, 24b, 24c, 24d coupled to electric motors 22a, 22b, 22c, 22d so that in operation the electric motors 22a, 22b, 22c, 22d drive the propellers 24a, 24b, 24c, 24d.
  • the electrical network 20 generally comprises a high voltage direct current bus (known by the acronym HVDC from the English expression “High Voltage Discret Current”).
  • HVDC high voltage direct current bus
  • the architecture 10 can also include a storage unit 26, for example a battery, to absorb the excess electrical energy from the HVDC bus or provide additional energy during the transient phases.
  • a storage unit 26 absorbs this excess electrical energy in order to protect the components of the HVDC bus.
  • an electric propulsion chain composed by the conversion means 18a, 18b , 18c, 18d, the electric motors 22a, 22b, 22c, 22d and the propellers 24a, 24b, 24c, 24d make it possible to fly a multi-rotary wing aircraft.
  • An aircraft comprising such a hybrid propulsion architecture is multi-rotors, which makes it possible to have additional degrees of freedom, compared to conventional aircraft, as regards the controllability of the aircraft, for example braking, the strategy of avoidance, the change of direction, or the tilting of the rotors.
  • the hybrid propulsion architecture 10 of FIG. 1 also comprises an energy recovery system 28 on the HVDC bus of the electrical network 20.
  • the energy recovery system 28 is generally used when the storage unit 26 is fully charged. , and in transient phases, called “regeneration”, that is to say when there is a return of electrical energy coming from the loads located downstream which return towards the storage unit 26 and the electric generator 14 coupled to the internal combustion engine 12. This occurs in particular when a propeller 24a, 24b, 24c, 24d brakes and rejects electrical energy on the HVDC bus.
  • the energy recovery system protects the electronic components arranged upstream, such as transistors.
  • the energy recovery system 28 generally consists of an electrical resistance 30 converting electrical energy into thermal energy and of a chopper 32 making it possible to define a voltage threshold from the moment when it is useful to absorb the peak voltage. This energy recovery system is therefore a dissipative circuit, since it dissipates electrical energy in a calorific manner.
  • the object of the invention is to propose a solution making it possible to remedy at least some of these drawbacks.
  • the present invention proposes a management of the electrical energy allowing the elimination of the energy recovery system of the prior art.
  • the present invention therefore proposes to lighten the hybrid propulsion architecture by managing the electrical energy of the HVDC bus, so as to eliminate the electrical equipment used to dissipate the “overflow” of electrical energy on the HVDC bus which would have. as a consequence a rise in voltage in a dangerous manner for static components, such as transistors, and passive components, such as filtering or decoupling capacitors.
  • the invention relates to a hybrid electric propulsion architecture for a multi-rotor rotary wing aircraft, comprising:
  • an electric generator coupled to the internal combustion engine so that in operation the internal combustion engine drives the electric generator
  • a rectifier connected to the electric generator and configured to convert an alternating current delivered by the electric generator into a direct current
  • HVDC high voltage direct current
  • electrical energy storage means connected to the electrical network in parallel to the electrical generator
  • propellers coupled to electric motors so that in operation the electric motors drive the propellers
  • the architecture being characterized in that the electric generator is a motor-generator, and in operation the internal combustion engine drives the electric generator in generator mode,
  • the storage means are configured to recover the electrical energy, in that during a regeneration of electrical energy on the high voltage direct current bus of the electrical network, depending on the state of charge of the storage means, the rectifier is configured to recover electrical energy,
  • the electrical generator in that during a regeneration of electrical energy on the high-voltage direct current bus of the electrical network, depending on the state of charge of the storage means, the electrical generator is configured to operate in motor mode so that in operation the electric generator recovers the electric energy.
  • the present invention allows a management of the electrical energy allowing the elimination of the energy recovery system of the prior art.
  • this architecture allows good regulation of the HVDC bus of the electrical network and good stability, without integrating an energy recovery system.
  • the mass of the architecture according to the invention is therefore optimized, and does not depend on the electrical energy which will be dissipated.
  • the architecture according to the invention does not include an energy recovery system in the form of a resistive dissipation circuit. This advantageously makes it possible to reduce the weight and the volume of the architecture according to the invention, such a circuit generally being very heavy and bulky.
  • the storage means when the state of charge of the storage means is less than 60%, the storage means are configured to recover electrical energy; when the state of charge of the storage means is between 60% and 80%, the storage means and the rectifier are configured to recover electrical energy; and when the state of charge of the storage means is greater than 80%, the electric generator operating in motor mode is configured to recover electric energy.
  • the electrical network can be bidirectional. In other words, the current can flow in both directions in the electrical network, for example from the rectifier to the electric propulsion chains, or vice versa.
  • the conversion means may comprise one or a plurality of inverters.
  • the conversion means and the rectifier can be configured to be current reversible. This advantageously allows power absorption on the HVDC bus, without necessarily needing a dissipative circuit.
  • the electric generator can be a synchronous electric machine.
  • the electric generator can be an asynchronous electric machine.
  • the internal combustion engine can be configured to consume the electrical energy recovered by the electrical generator operating in motor mode.
  • the invention also relates to a multi-rotor rotary wing aircraft, comprising a hybrid electric propulsion architecture according to the invention.
  • the invention also relates to a method of dissipating electric energy in a hybrid electric propulsion architecture according to the invention, comprising the steps consisting of:
  • the recovery of the electrical energy is carried out by the means of storage.
  • the state of charge of the storage means when the state of charge of the storage means is intermediate, for example between 60% and 80%, the recovery of the electrical energy is carried out by the storage means and the rectifier.
  • the state of charge of the storage means when the state of charge of the storage means is high, for example greater than 80%, the recovery of the electrical energy is carried out by the operating electric generator. in motor mode.
  • the method when the state of charge of the storage means is greater than 80%, prior to the step of recovering the electrical energy by the electrical generator operating in motor mode, the method comprises a step consisting in a defluxing of the electric motors. This advantageously makes it possible to directly avoid the reinjection of electrical energy.
  • the method when the state of charge of the storage means is greater than 80%, prior to the step of recovering the electric energy by the electric generator operating in motor mode, the method comprises a step consisting in recovering the electrical energy by the rectifier.
  • the method when the state of charge of the storage means is greater than 80%, prior to the step of recovering the electric energy by the electric generator operating in motor mode, the method comprises a step consisting in increasing the electrical voltage of the high voltage direct current bus of the electrical network. This advantageously makes it possible to avoid an increase in the electromotive force of the electric motors.
  • FIG. 1 represents a hybrid electric propulsion architecture of an aircraft according to the prior art
  • FIG. 2 represents a hybrid electric propulsion architecture of an aircraft according to the invention
  • FIG. 3 is a flowchart of a method of dissipating electric energy in a hybrid electric propulsion architecture according to the invention.
  • FIG. 2 represents an electric hybrid propulsion architecture 100 of an aircraft, for example of the helicopter or airplane type, with multi-rotor rotary wings according to the invention.
  • the architecture 100 can be integrated into an aircraft the weight of which is less than 5000 kg, with an on-board mechanical power of between 50 kW and 2000 kW.
  • An internal combustion engine 112 such as a turbomachine, for example an auxiliary power unit (APU, acronym of the English expression “Auxiliary Power Unit”), is coupled to an electric generator 114.
  • the electric generator 114 is driven by the internal combustion engine 112.
  • the electric generator 114 is a motor-generator, that is to say it is able to operate both in generator mode and in motor mode. In other words, the electric generator 114 can operate in generator mode, in particular when it is driven by the internal combustion engine 112, or in engine mode.
  • the electric generator 114 can be a synchronous or asynchronous electric machine. Thus, the electric generator 114 is a reversible electric machine.
  • the electrical generator 114 enables bidirectional conversion of mechanical-electrical energy, i.e., mechanical-to-electrical conversion and electrical-to-mechanical conversion.
  • the electric generator 114 can generate a polyphase, for example three-phase electric current as shown in FIG. 2.
  • the rotational speed NI of the rotor shaft of the internal combustion engine 112 connected to the electric generator 114 can be controlled by means of control 102 (EECU, from the English expression "Electronic Engine Control Unit”).
  • control 102 can control parameters of the internal combustion engine 112, such as the fuel mass flow ("weight flow"), denoted WF, on the basis of the speed of rotation NI and other parameters, such as the frequency NI * of the electric generator 114 or an anticipation of the load W1 *, W2 *, W3 *, W4 * for each electric propulsion chain.
  • a starter 104 can be connected to the electric generator 114 by an auxiliary gearbox 106.
  • the starter 104 provides, for example, a direct current of 28 V.
  • a control unit 108 can control the starter 104.
  • the starter 104. can be connected via a switch 110 to a battery 128, for example 28 V direct current.
  • the switch 110 makes it possible to connect the starter 104 to the battery 128, and therefore to the 28 V direct current network 129.
  • a rectifier 116 is connected to an input to the electric generator 114 and configured to convert the alternating current delivered by the electric generator 114 to direct current.
  • the rectifier 116 can be reversible in current.
  • a capacitor 130 can be arranged in parallel with the electric generator 114.
  • An electrical network 120 connects in parallel an output of rectifier 116 to inputs of conversion means 118a, 118b, 118c, 118d.
  • the converting means 118a, 118b, 118c, 118d are configured to convert direct current to alternating current.
  • the converting means 118a, 118b, 118c, 118d may include converters from direct current to alternating current.
  • the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d can comprise inverters.
  • DC means direct current (from the English expression “Direct Current”) and AC means alternating current (from the English expression “Alternative Current”).
  • Each inverter can comprise three inverter arms respectively delivering the three phases 119, 121, 123 (referenced only for the conversion means 118d) of alternating current to each of the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d.
  • the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d, and in particular the inverters, can be current reversible.
  • a capacitor 136a, 136b, 136c, 136d can be arranged in parallel with each of the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d.
  • the electrical network 120 can be bidirectional, that is to say that the electric current can pass from the rectifier 116 to the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d, and in the opposite direction.
  • Electric motors 122a, 122b, 122c, 122d are connected to the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d.
  • the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d are supplied with alternating current by the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d.
  • the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d can be polyphase synchronous motors. These motors can be of different types, such as induction motors or variable reluctance motors. These motors can be of the single-stator and multi-rotor type. This advantageously makes it possible to reduce the mass and the volume of the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d.
  • the connection between the electric generator 114 and the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d is operated in direct current, at a relatively high voltage, so as to improve the stability of the electric network 120 and the power management.
  • the rectifier 116 thus makes it possible to ensure the conversion of the alternating current delivered by the electric generator 120 into direct current, while the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d ensure the conversion of this direct current into alternating current intended for the motors.
  • electric 122a, 122b, 122c, 122d are examples of the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d.
  • Propellers 124a, 124b, 124c, 124d are coupled to the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d. In operation, the propellers 124a, 124b, 124c, 124d are driven by the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d.
  • the propellers 124a, 124b, 124c, 124d can be coaxial counter-rotating propellers.
  • the propeller (s) 124a, respectively 124b, 124c, 124d form an electric propulsion chain 125a, respectively 125b, 125c, 125d.
  • the speed of rotation W1, W2, W3, W4 of the shaft connecting the electric motor 122a, 122b, 122c, 122d and the propellers 124a, 124b, 124c, 124d , via a gearbox 134a, 134b, 134c, 134d can be controlled by control means 132a, 132b, 132c, 132d.
  • the voltage Ul, U2, U3, U4 coming from the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d to supply each electric motor 122a, 122b, 122c, 122d can be controlled by control means 132a, 132b, 132c, 132d.
  • control means 132a, 132b, 132c, 132d can control parameters of the conversion means 118a, 118b, 118c, 118d, such as the voltage U1, U2, U3, U4 of the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d and the switching frequency setpoints (also called “duty cycles”), denoted Fl, F2, F3, F4, on the basis of the speed of rotation W1, W2, W3, W4 and the voltage Ul , U2, U3, U4 of electric motors 122a, 122b, 122c, 122d, and other parameters, such as load anticipation W1 *, W2 *, W3 *, W4 *.
  • Storage means 126 are connected to the electrical network 120 in parallel to the electrical generator 114, so as to absorb a surplus of electrical energy coming from the HVDC bus of the electrical network 120.
  • the storage means 126 can also be configured to temporarily supply power to the electrical networks.
  • electric motors 122a, 122b, 122c, 122d by supplementing or replacing the electric generator 114.
  • the storage means 126 can be of the electrochemical type, of the electrostatic type, for example capacitive, or of the mechanical type.
  • the electrical energy storage means 126 may comprise one or a plurality of batteries, one or a plurality of capacitors, or one or a plurality of super-capacitors.
  • a pre-charge circuit 138 of the HDVC bus of the electrical network 120 can also be integrated so as to pre-charge the HDVC bus.
  • the SOI step represents a step of regenerating electrical energy on the HVDC bus of the electrical network 120.
  • a surplus of electrical energy is emitted from at least one of the electric propulsion chains 125a, 125b, 125c, 125d in the direction of the HVDC bus of the electrical network 120.
  • this excess electrical energy is represented by the arrows 11, 12, 13, 14, corresponding to the electrical intensity respectively of each chain of electric propulsion 125a, 125b, 125c, 125d.
  • only one, or more, or all of the electric propulsion chains can regenerate electric energy.
  • Step S02 represents a step of acquiring the state of charge of the storage means 126. During this step S02, it is determined whether the state of charge of the storage means 126 is low, intermediate, or high. .
  • a low state of charge of the storage means 126 can correspond to a state of charge less than 40%, preferably less than 50%, and more preferably less than 60%.
  • An intermediate state of charge of the storage means 126 may correspond to a state of charge of between 40% and 90%, preferably between 50% and 80%, and more preferably between 60% and 80%.
  • the intermediate state of charge of the storage means 126 can also correspond to any range of values between 40% and 90%, for example between 40% and 80%, or between 50% or 60% or 70 % or 80% and 90%, or between 70% and 80%.
  • a high state of charge of the storage means 126 may correspond to a state of charge greater than 80%, preferably greater than 90%.
  • Step S10 represents a step of recovering the electric energy regenerated on the HVDC bus of the electric network 120 by the storage means 126, and in particular only by the storage means 126.
  • This step S10 is carried out when the state charge of the storage means 126 is low, for example less than 60%.
  • the recovery of electrical energy can be carried out by the storage means 126, and in particular only by the storage means 126.
  • this recovery d electrical energy is represented by the arrow IR126.
  • the storage means 126 advantageously comprise capacitive elements, of the super-capacitor type.
  • Step S20 represents a step of recovering the electric energy regenerated on the HVDC bus of the electric network 120 by the storage means 126 and the rectifier 116. This step S20 is carried out when the storage means 126 are in a state of. intermediate charge, for example when the state of charge of the storage means 126 is between 60% and 80%.
  • This step S20 can also be carried out when the storage means 126 are in a thermal state which does not allow full recharging of the storage means 126, that is to say when the storage means 126 are in a thermal state which risks a unnecessary overheating of the constituent elements.
  • This step S20 is a management of the high frequency electrical energy so as to allow protection of the static components of the transistor type.
  • the term “high frequency” corresponds to frequencies at the level of the currents on the HVDC bus of the electrical network 120 being greater than 1 kHz.
  • Absorption of the over-current is carried out by the capacitive components integrated into the storage means 126 on the one hand, and via the rectifier 116 on the other hand.
  • the rectifier 116 absorbs the over-current, denoted IR116 in FIG. 2, and converts it into current with a strong reactive component, that is to say into current with a large variation in the current Id received by the rectifier 116 of the generator.
  • electric 114 in the Park landmark This has the consequences of degrading the performance of the electric machine, formed by the electric generator 114, by degrading the power factor of the electric machine. This advantageously makes it possible to absorb the excess electrical energy while degrading the efficiency of the electrical machine, but without adding an energy recovery circuit as in the architectures according to the prior art.
  • the electric machine and therefore the electric generator 114, can be a synchronous or asynchronous machine.
  • the degradation of performance results in voluntary defluxing, that is to say that the magnetic field created in the stator is opposed to the magnetic field of the rotating magnets. This results in a magnetic loss and an increase in temperature at the magnets of the synchronous machine.
  • the increase in the intensity Id in the generator increases by a few percent the electromagnetic torque applied to the mechanical transmission, the turbine thus contributing to the absorption of the excess of electric power.
  • the performance degradation is due to an increase in slip, i.e. an increase in the difference between the frequency of rotation of the asynchronous machine and the frequency of the stator currents (i.e. the frequency of the currents stator of the asynchronous machine).
  • this variation in slip results in rotor heating of the synchronous machine (i.e. heating of the rotor of the synchronous machine) during long phases of absorption of electrical power.
  • Step S30 represents a step of recovering the electric energy regenerated on the HVDC bus of the electric network 120 by the electric generator 114 operating in motor mode. This step S30 is carried out when the storage means 126 are almost fully loaded, or even fully loaded, that is to say when the state of charge of the storage means 126 is high, for example greater than 80%, preferably. greater than 90%.
  • This step S30 is also a management of the high frequency electrical energy.
  • the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d return electrical energy to the HVDC bus of the electrical network 120, this means that the motors electric motors 122a, 122b, 122c, 122d must brake very quickly, or that several electric motors are no longer controlled, that is to say that the torque setpoint of the electric motors is zero and their propeller is still turning, and that at the same time the other electric motors are, on the contrary, in full acceleration. This happens for example when the aircraft has to change direction, or in the case of an avoidance maneuver.
  • the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d are defluxed, that is to say that the intensity Id or Iq supplied by the electric generator 114 is modified according to the angle of the mark, in order to reduce the electromotive force (known by the acronym FEM) and directly avoid the re-injection of electrical energy.
  • FEM electromotive force
  • avoiding the reinjection of electrical energy is not always possible in certain cases, for example when the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d overheat too much, preventing defluxing, or if a Decentralized control of the electric motors is used making the acquisition of the state of charge of the storage means 126 difficult.
  • the management of the electrical energy is carried out by the electrical energy generation part of the architecture 100.
  • the parameters of the management of the electrical energy can be the defluxing of the synchronous machine or a variation of the slip.
  • the recovery of the electrical energy is carried out by the electrical generator 114 operating in motor mode.
  • the quadrant of the electric generator 114 can be changed, by switching it to motor mode, which imposes a torque on the internal combustion engine 112, which thus becomes a consumer of electric energy.
  • the voltage of the HVDC bus of the electrical network 120 can be increased, by anticipating the setpoints on the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d, and more precisely by increasing the speed of rotation of the rotor shaft of the motor 112 at internal combustion so as to guard against the increase in the electromotive force of the electric motors 122a, 122b, 122c, 122d. This also helps reduce Joule losses.

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Abstract

Architecture (100) propulsive hybride électrique pour un aéronef à voilure tournante multi‐rotors, comprenant : un générateur électrique (114) entraîné par un moteur (112) à combustion interne, et configuré pour fonctionner en mode moteur, un redresseur (116) configuré pour convertir un courant alternatif délivré par le générateur électrique en courant continu, un réseau électrique (120) comportant un bus de courant continu haute tension (HVDC), des moyens de stockage (126) d'énergie électrique reliés au réseau électrique, lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus HVDC, en fonction de l'état de charge des moyens de stockage (126) : les moyens de stockage sont configurés pour récupérer l'énergie électrique, les moyens de stockage et le redresseur sont configurés pour récupérer l'énergie électrique, et le générateur électrique fonctionnant en mode moteur est configuré pour récupérer l'énergie électrique.

Description

DESCRIPTION
TITRE : ARCHITECTURE PROPULSIVE HYBRIDE-ELECTRIQUE ET PROCÉDÉ DE
DISSIPATION D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE DANS UNE TELLE ARCHITECTURE
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne une architecture propulsive hybride-électrique pour un aéronef à voilure tournante multi-rotors, un aéronef comportant une telle architecture propulsive hybride-électrique et un procédé de dissipation d'énergie électrique dans une telle architecture propulsive hybride électrique.
Arrière-plan technique
L'état de la technique comporte notamment les demandes de brevet FR-A1-3 056 555, US-A1-2018/162379, US-A1-2016/070266, DE-A1-10 2010 031540 et EP-A1-2 684 798.
Il est connu de l'état de la technique une architecture propulsive hybride d'un aéronef, communément appelée hybridation série, avec une génération de puissance thermoélectrique.
Comme représenté sur la figure 1, une architecture propulsive hybride 10 comporte généralement :
un moteur 12 à combustion interne,
un générateur électrique 14 accouplé au moteur à combustion interne de sorte qu'en fonctionnement le moteur 12 à combustion interne entraîne le générateur électrique 14,
un redresseur 16 relié au générateur électrique 14 et configuré pour convertir un courant alternatif délivré par le générateur électrique 14 en un courant continu, des moyens de conversion 18a, 18b, 18c, 18d du courant continu en courant alternatif,
un réseau électrique 20 reliant le redresseur 16 aux moyens de conversion 18a,
18b, 18c, 18d, des moteurs électriques 22a, 22b, 22c, 22d reliés au moyens de conversion 18a, 18b, 18c, 18d de sorte qu'en fonctionnement les moyens de conversion 18a, 18b, 18c, 18d alimentent les moteurs électriques 22a, 22b, 22c, 22d en courant alternatif, et des hélices 24a, 24b, 24c, 24d accouplées aux moteurs électriques 22a, 22b, 22c, 22d de sorte qu'en fonctionnement les moteurs électriques 22a, 22b, 22c, 22d entraînent les hélices 24a, 24b, 24c, 24d.
En outre, le réseau électrique 20 comporte généralement un bus de courant continu haute tension (connu sous l'acronyme HVDC de l'expression anglaise « High Voltage Discret Current »).
L'architecture 10 peut également comporter une unité de stockage 26, par exemple une batterie, pour absorber le surplus d'énergie électrique du bus HVDC ou assurer un complément énergétique lors des phases transitoires. En particulier, lorsqu'il y a un renvoi d'énergie électrique sur le bus HVDC, l'unité de stockage 26 absorbe ce surplus d'énergie électrique afin de protéger les composants du bus HVDC.
Dans une telle architecture, à partir d'une source de carburant fossile, le moteur 12 à combustion interne, et via une conversion mécanique-électrique, par le générateur électrique 14, une chaîne de propulsion électrique composée par les moyens de conversion 18a, 18b, 18c, 18d, les moteurs électriques 22a, 22b, 22c, 22d et les hélices 24a, 24b, 24c, 24d permet de faire voler un aéronef à multi-voilures tournantes.
Un aéronef comportant une telle architecture propulsive hybride est multi-rotors, ce qui permet d'avoir des degrés de liberté supplémentaires, par rapport aux aéronefs conventionnels, en ce qui concerne la pilotabilité de l'aéronef, par exemple le freinage, la stratégie d'évitement, le changement de direction, ou encore le basculement des rotors.
Toutefois, une telle architecture a une masse embarquée importante, et il est nécessaire d'assurer une gestion des risques électriques dans le contexte particulier de l'environnement embarqué aéronautique.
En effet, cette architecture doit nécessairement intégrer des équipements électriques, qui sont lourds et imposants, pour permettre une bonne régulation du bus HVDC du réseau électrique 20 et une bonne stabilité. L'architecture propulsive hybride 10 de la figure 1 comprend également un système de récupération d'énergie 28 sur le bus HVDC du réseau électrique 20. Le système de récupération d'énergie 28 est généralement utilisé lorsque l'unité de stockage 26 est complètement chargée, et dans des phases transitoires, dites de « régénération », c'est-à-dire lorsqu'il y a un renvoi d'énergie électrique provenant des charges situées en aval qui reviennent en direction de l'unité de stockage 26 et du générateur électrique 14 couplé au moteur 12 à combustion interne. Ceci se produit notamment lorsqu'une hélice 24a, 24b, 24c, 24d freine et rejette de l'énergie électrique sur le bus HVDC. En effet, ce renvoi d'énergie électrique se produit lorsque la force électromotrice générée dans les moteurs électriques 22a, 22b, 22c, 22d, dits les moteurs de propulsion, est supérieure à la tension du bus HVDC et que les moyens de conversion 18a, 18b, 18c, 18d sont réversibles en courant. Le système de récupération d'énergie permet une protection des composants électroniques disposés en amont, tels que des transistors. Le système de récupération d'énergie 28 est généralement constitué d'une résistance électrique 30 convertissant l'énergie électrique en énergie thermique et d'un hacheur 32 permettant de définir un seuil de tension à partir du moment où il est utile d'absorber le pic de tension. Ce système de récupération d'énergie est donc un circuit dissipatif, puisqu'il permet une dissipation de l'énergie électrique de façon calorifique.
Cependant, la masse de ce système peut être relativement imposante et est dépendante de l'énergie qui sera dissipée.
L'invention a pour objectif de proposer une solution permettant de remédier à au moins certains de ces inconvénients.
En particulier, la présente invention propose une gestion de l'énergie électrique permettant la suppression du système de récupération d'énergie de l'art antérieur. La présente invention propose donc d'alléger l'architecture propulsive hybride par une gestion de l'énergie électrique du bus HVDC, de manière à supprimer des équipements électriques utilisés pour dissiper le « trop plein » d'énergie électrique sur le bus HVDC qui aurait pour conséquence une élévation de la tension de manière dangereuse pour les composants statiques, tels que des transistors, et les composants passifs, tels que les condensateurs de filtrages ou de découplage.
Résumé de l'invention
À cet effet, l'invention concerne une architecture propulsive hybride électrique pour un aéronef à voilure tournante multi-rotors, comprenant :
un moteur à combustion interne,
un générateur électrique accouplé au moteur à combustion interne de sorte qu'en fonctionnement le moteur à combustion interne entraîne le générateur électrique,
un redresseur relié au générateur électrique et configuré pour convertir un courant alternatif délivré par le générateur électrique en un courant continu,
des moyens de conversion du courant continu en courant alternatif,
un réseau électrique reliant le redresseur aux moyens de conversion, le réseau électrique comportant un bus de courant continu haute tension (HVDC),
des moyens de stockage d'énergie électrique reliés au réseau électrique en parallèle au générateur électrique,
des moteurs électriques reliés aux moyens de conversion de sorte qu'en fonctionnement les moyens de conversion alimentent les moteurs électriques en courant alternatif,
des hélices accouplées aux moteurs électriques de sorte qu'en fonctionnement les moteurs électriques entraînent les hélices,
l'architecture étant caractérisée en ce que le générateur électrique est un moteur- générateur, et en fonctionnement le moteur à combustion interne entraîne le générateur électrique en mode générateur,
en ce que lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique, en fonction de l'état de charge des moyens de stockage, les moyens de stockage sont configurés pour récupérer l'énergie électrique, en ce que lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique, en fonction de l'état de charge des moyens de stockage, le redresseur est configuré pour récupérer l'énergie électrique,
et en ce que lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique, en fonction de l'état de charge des moyens de stockage, le générateur électrique est configuré pour fonctionner en mode moteur de sorte qu'en fonctionnement le générateur électrique récupère l'énergie électrique.
Avantageusement, la présente invention permet une gestion de l'énergie électrique permettant la suppression du système de récupération d'énergie de l'art antérieur. En effet, cette architecture permet une bonne régulation du bus HVDC du réseau électrique et une bonne stabilité, sans intégrer de système de récupération d'énergie. La masse de l'architecture selon l'invention est donc optimisée, et ne dépend pas de l'énergie électrique qui sera dissipée.
En particulier, contrairement aux architectures selon l'art antérieur, l'architecture selon l'invention ne comporte pas de système de récupération d'énergie sous la forme d'un circuit de dissipation résistif. Ceci permet avantageusement de réduire le poids et le volume de l'architecture selon l'invention, un tel circuit étant en général très lourd et volumineux.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque l'état de charges des moyens de stockage est inférieur à 60 %, les moyens de stockage sont configurés pour récupérer l'énergie électrique ; lorsque l'état de charges des moyens de stockage est compris entre 60 % et 80 %, les moyens de stockage et le redresseur sont configurés pour récupérer l'énergie électrique ; et lorsque l'état de charges des moyens de stockage est supérieur à 80 %, le générateur électrique fonctionnant en mode moteur est configuré pour récupérer l'énergie électrique. Le réseau électrique peut être bidirectionnel. Autrement dit, le courant peut passer dans les deux sens dans le réseau électrique, par exemple du redresseur aux chaînes de propulsion électrique, ou inversement.
Les moyens de conversion peuvent comprendre un ou une pluralité d'onduleurs.
Les moyens de conversion et le redresseur peuvent être configurés pour être réversibles en courant. Ceci permet avantageusement une absorption de puissance sur le bus HVDC, sans avoir nécessairement besoin d'un circuit dissipatif.
Le générateur électrique peut être une machine électrique synchrone. En variante, le générateur électrique peut être une machine électrique asynchrone.
Le moteur à combustion interne peut être configuré pour consommer l'énergie électrique récupérée par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur.
L'invention concerne également un aéronef à voilure tournante multi-rotors, comprenant une architecture propulsive hybride électrique selon l'invention.
L'invention concerne également un procédé de dissipation d'énergie électrique dans une architecture propulsive hybride électrique selon l'invention, comprenant les étapes consistant en :
une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique,
une acquisition de l'état de charge des moyens de stockage, et
une récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique, et en fonction de l'état de charge des moyens de stockage :
• la récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique est réalisée par les moyens de stockage, ou
• la récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique est réalisée par les moyens de stockage et le redresseur, ou • la récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique est réalisée par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lors de l'étape de récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique :
• la récupération de l'énergie électrique est réalisée par les moyens de stockage lorsque l'état de charges des moyens de stockage est inférieur à 60 %,
• la récupération de l'énergie électrique est réalisée par les moyens de stockage et le redresseur lorsque l'état de charges des moyens de stockage est compris entre 60 % et 80 %,
• la récupération de l'énergie électrique est réalisée par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur lorsque l'état de charges des moyens de stockage est supérieur à 80 %.
Autrement dit, lors de l'acquisition de l'état de charge des moyens de stockage, lorsque l'état de charge des moyens de stockage est faible, par exemple inférieur à 60 %, la récupération de l'énergie électrique est réalisée par les moyens de stockage. Lors de l'acquisition de l'état de charge des moyens de stockage, lorsque l'état de charge des moyens de stockage est intermédiaire, par exemple compris entre 60 % et 80 %, la récupération de l'énergie électrique est réalisée par les moyens de stockage et le redresseur. Lors de l'acquisition de l'état de charge des moyens de stockage, lorsque l'état de charge des moyens de stockage est élevé, par exemple supérieur à 80 %, la récupération de l'énergie électrique est réalisée par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque l'état de charges des moyens de stockage est supérieur à 80 %, préalablement à l'étape de récupération de l'énergie électrique par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur, le procédé comprend une étape consistant en un défluxage des moteurs électriques. Ceci permet avantageusement d'éviter directement la réinjection d'énergie électrique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque l'état de charges des moyens de stockage est supérieur à 80 %, préalablement à l'étape de récupération de l'énergie électrique par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur, le procédé comprend une étape consistant en une récupération de l'énergie électrique par le redresseur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque l'état de charges des moyens de stockage est supérieur à 80 %, préalablement à l'étape de récupération de l'énergie électrique par le générateur électrique fonctionnant en mode moteur, le procédé comprend une étape consistant en une augmentation de la tension électrique du bus de courant continu haute tension du réseau électrique. Ceci permet avantageusement d'éviter une augmentation de la force électromotrice des moteurs électriques.
Brève description des figures
La présente invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description d'un exemple non limitatif qui suit, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
[Fig. 1] la figure 1 représente une architecture propulsive hybride électrique d'un aéronef selon l'art antérieur,
[Fig. 2] la figure 2 représente une architecture propulsive hybride électrique d'un aéronef selon l'invention,
[Fig. 3] la figure 3 est un organigramme d'un procédé de dissipation d'énergie électrique dans une architecture propulsive hybride électrique selon l'invention.
Les éléments ayant les mêmes fonctions dans les différentes mises en œuvre ont les mêmes références dans les figures.
Description détaillée de l'invention La figure 2 représente une architecture propulsive hybride électrique 100 d'un aéronef, par exemple de type hélicoptère ou avion, à voilure tournante multi-rotors selon l'invention. Par exemple, l'architecture 100 peut être intégrée dans un aéronef dont le poids est inférieur à 5000 kg, avec une puissance mécanique embarquée comprise entre 50 kW et 2000 kW.
Un moteur 112 à combustion interne, telle qu'une turbomachine, par exemple un groupe auxiliaire de puissance (APU, acronyme de l'expression anglaise « Auxiliary Power Unit »), est accouplé à un générateur électrique 114. En fonctionnement, le générateur électrique 114 est entraîné par le moteur 112 à combustion interne.
Le générateur électrique 114 est un moteur-générateur, c'est-à-dire qu'il est apte à fonctionner à la fois en mode générateur et en mode moteur. Autrement dit, le générateur électrique 114 peut fonctionner en mode générateur, notamment lorsqu'il est entraîné par le moteur 112 à combustion interne, ou en mode moteur. Le générateur électrique 114 peut être une machine électrique synchrone ou asynchrone. Ainsi, le générateur électrique 114 est une machine électrique réversible. Le générateur électrique 114 permet une conversion bidirectionnelle de l'énergie mécanique-électrique, c'est-à-dire une conversion mécanique-électrique et une conversion électrique-mécanique. Le générateur électrique 114 peut générer un courant électrique polyphasé, par exemple triphasé comme représenté sur la figure 2. La vitesse de rotation NI de l'arbre du rotor du moteur 112 à combustion interne relié au générateur électrique 114 peut être contrôlée par des moyens de commande 102 (EECU, de l'expression anglaise « Electronic Engine Control Unit »). Ces moyens de commande 102 peuvent contrôler des paramètres du moteur 112 à combustion interne, tels que le débit massique carburant (« weight flow » en langue anglaise), noté WF, sur la base de la vitesse de rotation NI et d'autres paramètres, comme la fréquence NI* du générateur électrique 114 ou une anticipation de la charge W1*, W2*, W3*, W4* pour chaque chaîne de propulsion électrique.
Un démarreur 104 peut être relié au générateur électrique 114 par une boite de vitesse auxiliaire 106. Le démarreur 104 fournit, par exemple, un courant continu de 28 V. Une unité de commande 108 peut contrôler le démarreur 104. Le démarreur 104 peut être relié, via un interrupteur 110 à une batterie 128, par exemple de 28 V en courant continu. L'interrupteur 110 permet de connecter le démarreur 104 à la batterie 128, et donc au réseau 129 de 28 V en courant continu.
Un redresseur 116 est relié à une entrée au générateur électrique 114 et configuré pour convertir le courant alternatif délivré par le générateur électrique 114 en un courant continu. Le redresseur 116 peut être réversible en courant. Un condensateur 130 peut être agencé en parallèle au générateur électrique 114.
Un réseau électrique 120 relie en parallèle une sortie du redresseur 116 à des entrées de moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d.
Les moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d sont configurés pour convertir un courant continu en un courant alternatif. Les moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d peuvent comprendre des convertisseurs de courant continu en courant alternatif.
Les moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d peuvent comprendre des onduleurs. Sur la figure 2, DC signifie courant continu (de l'expression anglaise « Direct Current ») et AC signifie courant alternatif (de l'expression anglaise « Alternative Current »). Chaque onduleur peut comprendre trois bras d'onduleurs délivrant respectivement les trois phases 119, 121, 123 (référencées uniquement pour les moyens de conversion 118d) de courant alternatif à chacun des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d. Les moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d, et en particulier les onduleurs, peuvent être réversibles en courant. Un condensateur 136a, 136b, 136c, 136d peut être agencé en parallèle de chacun des moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d. Le réseau électrique 120 peut être bidirectionnel, c'est-à-dire que le courant électrique peut passer du redresseur 116 aux moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d, et dans le sens opposé.
Des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d sont reliés au moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d. En fonctionnement, les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d sont alimentés en courant alternatif par les moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d. Les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d peuvent être des moteurs synchrones polyphasés. Ces moteurs peuvent être de différents types, tels que des moteurs à induction ou des moteurs à réluctance variable. Ces moteurs peuvent être du type mono-stator et multi-rotors. Ceci permet avantageusement de réduire la masse et le volume des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d.
La liaison entre le générateur électrique 114 et les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d est opérée en courant continu, sous une tension relativement élevée, de manière à améliorer la stabilité du réseau électrique 120 et la gestion de puissance. Le redresseur 116 permet ainsi d'assurer la conversion du courant alternatif délivré par le générateur électrique 120 en en courant continu, tandis que les moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d assurent la conversion de ce courant continu en courant alternatif destiné aux moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d.
Des hélices 124a, 124b, 124c, 124d sont accouplées aux moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d. En fonctionnement, les hélices 124a, 124b, 124c, 124d sont entraînées par les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d. Les hélices 124a, 124b, 124c, 124d peuvent être des hélices contrarotatives coaxiales.
En particulier, les moyens de conversion 118a, respectivement 118b, 118c, 118d, le moteur électrique 122a, respectivement 122b, 122c, 122d, et la ou les hélices 124a, respectivement 124b, 124c, 124d, forment une chaîne de propulsion électrique 125a, respectivement 125b, 125c, 125d. Sur la figure 2, il y a donc quatre chaînes de propulsion électrique 125a, 125b, 125c, 125d.
Pour chaque chaîne de propulsion électrique 125a, 125b, 125c, 125d, la vitesse de rotation W1, W2, W3, W4 de l'arbre reliant le moteur électrique 122a, 122b, 122c, 122d et les hélices 124a, 124b, 124c, 124d, via une boite de vitesse 134a, 134b, 134c, 134d, peut être contrôlée par des moyens de commande 132a, 132b, 132c, 132d. De même, la tension Ul, U2, U3, U4 issue des moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d pour alimenter chaque moteur électrique 122a, 122b, 122c, 122d peut être contrôlée par des moyens de commande 132a, 132b, 132c, 132d. Ces moyens de commande 132a, 132b, 132c, 132d peuvent contrôler des paramètres des moyens de conversion 118a, 118b, 118c, 118d, tels que la tension Ul, U2, U3, U4 des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d et les consignes de fréquence de commutation (encore appelées « rapports cycliques »), notés Fl, F2, F3, F4, sur la base de la vitesse de rotation W1, W2, W3, W4 et de la tension Ul, U2, U3, U4 des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d, et d'autres paramètres, comme l'anticipation de la charge W1*, W2*, W3*, W4*. Des moyens de stockage 126 sont reliés au réseau électrique 120 en parallèle au générateur électrique 114, de manière à absorber un surplus d'énergie électrique provenant du bus HVDC du réseau électrique 120. Les moyens de stockage 126 peuvent aussi être configurés pour alimenter temporairement les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d en complétant ou en se substituant au générateur électrique 114. Les moyens de stockage 126 peuvent être du type électrochimique, du type électrostatique, par exemple capacitif, ou du type mécanique. En particulier, les moyens de stockage 126 d'énergie électrique peuvent comprendre une ou une pluralité de batteries, un ou une pluralité de condensateurs, ou un ou une pluralité de super-condensateurs.
Un circuit de pré-charge 138 du bus HDVC du réseau électrique 120 peut également être intégré de manière à pré-charger le bus HDVC.
Afin de pouvoir absorber la surtension sur le bus HVDC du réseau électrique 120, notamment lors d'une phase de freinage des hélices 124a, 124b, 124c, 124d, et donc d'éviter la casse, par exemple des condensateurs du bus HVDC et des composants électroniques tels que des transistors bipolaires à grille isolée (connu sous l'acronyme IGBT de l'expression anglaise « Insulated Gâte Bipolar Transistor ») ou des transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (connu sous l'acronyme MOSFET de l'expression anglaise « Métal Oxyde Semi-conductor Field Effect Transistor »), un procédé de gestion des phases transitoires est mise en place.
Comme représenté sur la figure 3 qui représente les étapes d'un procédé de dissipation d'une énergie électrique dans une architecture 100 telle que décrite précédemment, la gestion des phases transitoires est fonction de l'état de charge des moyens de stockage 126. L'étape SOI représente une étape de régénération d'énergie électrique sur le bus HVDC du réseau électrique 120. Lors de cette phase de régénération, un surplus d'énergie électrique est émis depuis au moins l'une des chaînes de propulsion électrique 125a, 125b, 125c, 125d en direction du bus HVDC du réseau électrique 120. Sur la figure 2, ce surplus d'énergie électrique est représenté par les flèches 11, 12, 13, 14, correspondant à l'intensité électrique respectivement de chaque chaîne de propulsion électrique 125a, 125b, 125c, 125d. Bien entendu, seulement une, ou plusieurs, ou toutes les chaînes de propulsion électrique peuvent régénérer de l'énergie électrique.
L'étape S02 représente une étape d'acquisition de l'état de charge des moyens de stockage 126. Au cours de cette étape S02, il est déterminé si l'état de charge des moyens de stockage 126 est faible, intermédiaire, ou élevé.
Un état de charge faible des moyens de stockage 126 peut correspondre à un état de charge inférieur à 40 %, de préférence inférieur à 50 %, et plus préférentiellement inférieur à 60 %.
Un état de charge intermédiaire des moyens de stockage 126 peut correspondre à un état de charge compris entre 40 % et 90 %, de préférence compris entre 50 % et 80 %, et plus préférentiellement compris entre 60 % et 80 %. L'état de charge intermédiaire des moyens de stockage 126 peut également correspondre à n'importe quelle plage de valeur comprise entre 40 % et 90 %, par exemple comprise entre 40 % et 80 %, ou comprise entre 50 % ou 60 % ou 70 % ou 80 % et 90 %, ou comprise entre 70 % et 80 %.
Un état de charge élevé des moyens de stockage 126 peut correspondre à un état de charge supérieur à 80 %, de préférence supérieur à 90 %
L'étape S10 représente une étape de récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus HVDC du réseau électrique 120 par les moyens de stockage 126, et en particulier uniquement par les moyens de stockage 126. Cette étape S10 est réalisée lorsque l'état de charges des moyens de stockage 126 est faible, par exemple inférieur à 60 %. En particulier, lorsque les moyens de stockage 126 sont dans un état de charge inférieur à 60 %, par exemple compris entre 50 % et 60 %, la récupération d'énergie électrique peut être réalisée par les moyens de stockage 126, et en particulier uniquement par les moyens de stockage 126. Sur la figure 2, cette récupération d'énergie électrique est représentée par la flèche IR126.
Pour l'absorption de pics de puissance électrique à haute fréquence, les moyens de stockage 126 comprennent avantageusement des éléments capacitifs, du type super condensateurs.
L'étape S20 représente une étape de récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus HVDC du réseau électrique 120 par les moyens de stockage 126 et le redresseur 116. Cette étape S20 est réalisée lorsque les moyens de stockage 126 sont dans un état de charge intermédiaire, par exemple lorsque l'état de charges des moyens de stockage 126 est compris entre 60 % et 80 %.
Cette étape S20 peut également être réalisée lorsque les moyens de stockage 126 sont dans un état thermique ne permettant pas une pleine recharge des moyens de stockage 126, c'est-à-dire lorsque les moyens de stockage 126 sont dans un état thermique risquant une surchauffe inutile des éléments les constituant.
Cette étape S20 est une gestion de l'énergie électrique à haute fréquence de manière à permettre une protection des composants statiques du type transistors. La dénomination « haute fréquence » correspond à des fréquences au niveau des courants sur le bus HVDC du réseau électrique 120 étant supérieures à 1 kHz.
L'absorption du sur-courant est réalisée par les composants capacitifs intégrés dans les moyens de stockage 126 d'une part, et via le redresseur 116 d'autre part. Le redresseur 116 absorbe le sur-courant, noté IR116 sur la figure 2, et le convertit en courant avec une forte composante réactive, c'est-à-dire en courant avec une forte variation du courant Id reçu par le redresseur 116 du générateur électrique 114 dans le repère de Park. Ceci a pour conséquences de dégrader les performances de la machine électrique, formée par le générateur électrique 114, en dégradant le facteur de puissance de la machine électrique. Ceci permet avantageusement d'absorber le surplus d'énergie électrique en dégradant le rendement de la machine électrique, mais sans ajouter de circuit de récupération d'énergie comme dans les architectures selon l'art antérieur.
La machine électrique, et donc le générateur électrique 114, peut être une machine synchrone ou asynchrone.
Dans le cas d'une machine synchrone, la dégradation des performances se traduit par un défluxage volontaire, c'est-à-dire que le champ magnétique créé au stator est opposé au champ magnétique des aimants en rotation. Ceci se traduit par une perte magnétique et une augmentation de la température au niveau des aimants de la machine synchrone. De plus, dans le cas où la machine est dite saillante, l'augmentation de l'intensité Id dans la génératrice augmente de quelques pourcents le couple électromagnétique appliqué sur la transmission mécanique, la turbine contribuant ainsi à l'absorption de l'excès de puissance électrique.
Sur une machine asynchrone, la dégradation des performances est due à une augmentation du glissement c'est-à-dire à une augmentation de la différence entre la fréquence de rotation de la machine asynchrone et la fréquence des courants statoriques (i.e. la fréquence des courants du stator de la machine asynchrone). Comme les pertes Joules au rotor sont proportionnelles au glissement, cette variation de glissement se traduit par un échauffement rotorique de la machine synchrone (i.e. un échauffement du rotor de la machine synchrone) lors de longues phases d'absorption de puissance électrique.
L'étape S30 représente une étape de récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus HVDC du réseau électrique 120 par le générateur électrique 114 fonctionnant en mode moteur. Cette étape S30 est réalisée lorsque les moyens de stockage 126 sont presque entièrement chargés, voire entièrement chargés, c'est-à- dire lorsque l'état de charges des moyens de stockage 126 est élevé, par exemple supérieur à 80 %, de préférence supérieur à 90 %.
Cette étape S30 est également une gestion de l'énergie électrique à haute fréquence. Lorsque les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d renvoient de l'énergie électrique sur le bus HVDC du réseau électrique 120, cela signifie que les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d doivent freiner très rapidement, ou que plusieurs moteurs électriques ne sont plus pilotés, c'est-à-dire que la consigne en couple des moteurs électriques est nulle et que leur hélice tourne encore, et qu'au même moment les autres moteurs électriques sont, au contraire, en pleine accélération. Ceci arrive par exemple quand l'aéronef doit changer de direction, ou dans le cas d'une manœuvre d'évitement.
Dans ce cas, les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d sont défluxés, c'est-à-dire que l'intensité Id ou Iq fourni par le générateur électrique 114 est modifiée selon l'angle du repère, afin de diminuer la force électromotrice (connue sous l'acronyme FEM) et d'éviter directement la réinjection de l'énergie électrique. Toutefois, l'évitement de la réinjection de l'énergie électrique n'est pas toujours possible dans certains cas, par exemple lors d'un échauffement déjà trop important des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d empêchant le défluxage, ou si un contrôle décentralisé des moteurs électriques est utilisé rendant l'acquisition de l'état de charge des moyens de stockage 126 difficile. Dans ce cas, la gestion de l'énergie électrique s'effectue par la partie génération d'énergie électrique de l'architecture 100.
Lorsque le défluxage des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d est impossible ou insuffisant pour éviter la réinjection, une stratégie de gestion de l'énergie électrique via le redresseur 116, telle que décrite précédemment, peut y être associée. Dans ce cas, les paramètres de la gestion de l'énergie électrique peuvent être le défluxage de la machine synchrone ou une variation du glissement.
Lorsque le pic de puissance est très important, la récupération de l'énergie électrique est réalisée par le générateur électrique 114 fonctionnant en mode moteur. En effet, le quadrant du générateur électrique 114 peut être changé, en le passant en mode moteur, ce qui impose un couple au moteur 112 à combustion interne, qui devient ainsi consommateur d'énergie électrique.
De plus, la tension du bus HVDC du réseau électrique 120 peut être augmentée, en anticipant les consignes sur les moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d, et plus précisément en augmentant la vitesse de rotation de l'arbre du rotor du moteur 112 à combustion interne de sorte à se prémunir contre l'augmentation de la force électromotrice des moteurs électriques 122a, 122b, 122c, 122d. Ceci permet également de réduire les pertes Joules.

Claims

REVENDICATIONS
1. Architecture (100) propulsive hybride électrique pour un aéronef à voilure tournante multi-rotors, comprenant :
un moteur (112) à combustion interne,
un générateur électrique (114) accouplé au moteur (112) à combustion interne de sorte qu'en fonctionnement le moteur à combustion interne entraîne le générateur électrique,
un redresseur (116) relié au générateur électrique (114) et configuré pour convertir un courant alternatif délivré par le générateur électrique en un courant continu,
des moyens de conversion (118a, 118b, 118c, 118d) du courant continu en courant alternatif,
un réseau électrique (120) reliant le redresseur (116) aux moyens de conversion (118a, 118b, 118c, 118d), le réseau électrique (120) comportant un bus de courant continu haute tension,
des moyens de stockage (126) d'énergie électrique reliés au réseau électrique (120) en parallèle au générateur électrique (114),
des moteurs électriques (122a, 122b, 122c, 122d) reliés aux moyens de conversion (118a, 118b, 118c, 118d) de sorte qu'en fonctionnement les moyens de conversion alimentent les moteurs électriques en courant alternatif,
des hélices (124a, 124b, 124c, 124d) accouplées aux moteurs électriques (122a, 122b, 122c, 122d) de sorte qu'en fonctionnement les moteurs électriques entraînent les hélices,
l'architecture (100) étant caractérisée en ce que le générateur électrique (114) est un moteur-générateur, et en fonctionnement le moteur (112) à combustion interne entraîne le générateur électrique (114) en mode générateur,
en ce que lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120), en fonction de l'état de charge des moyens de stockage (126), les moyens de stockage (126) sont configurés pour récupérer l'énergie électrique,
en ce que lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120), en fonction de l'état de charge des moyens de stockage (126), le redresseur (116) est configuré pour récupérer l'énergie électrique,
et en ce que lors d'une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120), en fonction de l'état de charge des moyens de stockage (126), le générateur électrique (114) est configuré pour fonctionner en mode moteur de sorte qu'en fonctionnement le générateur électrique récupère l'énergie électrique.
2. Architecture (100) selon la revendication précédente, dans laquelle lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est inférieur à 60 %, les moyens de stockage (126) sont configurés pour récupérer l'énergie électrique,
lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est compris entre 60 % et 80 %, les moyens de stockage (126) et le redresseur (116) sont configurés pour récupérer l'énergie électrique,
et lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est supérieur à 80 %, le générateur électrique (114) fonctionnant en mode moteur est configuré pour récupérer l'énergie électrique.
3. Architecture (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les moyens de conversion (118a, 118b, 118c, 118d) et le redresseur (116) sont configurés pour être réversibles en courant.
4. Architecture (100) selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le générateur électrique (114) est une machine électrique synchrone ou asynchrone.
5. Aéronef à voilure tournante multi-rotors, comprenant une architecture propulsive hybride électrique selon l'une des revendications précédentes.
6. Procédé de dissipation d'énergie électrique dans une architecture (100) propulsive hybride électrique selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant les étapes consistant en :
une régénération d'énergie électrique sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120) (SOI),
une acquisition de l'état de charge des moyens de stockage (126) (S02), et une récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120), et en fonction de l'état de charge des moyens de stockage (126) :
• la récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120) est réalisée par les moyens de stockage (126) (S10), ou
• la récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120) est réalisée par les moyens de stockage (126) et le redresseur (116) (S20), ou
• la récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120) est réalisée par le générateur électrique (114) fonctionnant en mode moteur (S30).
7. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, lors de l'étape de récupération de l'énergie électrique régénérée sur le bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120) :
• la récupération de l'énergie électrique est réalisée par les moyens de stockage (126) lorsque l'état de charges des moyens de stockage est inférieur à 60 % (S10),
• la récupération de l'énergie électrique est réalisée par les moyens de stockage (126) et le redresseur (116) lorsque l'état de charges des moyens de stockage est compris entre 60 % et 80 % (S20), • la récupération de l'énergie électrique est réalisée par le générateur électrique (114) fonctionnant en mode moteur lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est supérieur à 80 % (S30).
8. Procédé selon la revendication précédente, comprenant, lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est supérieur à 80 %, préalablement à l'étape de récupération de l'énergie électrique par le générateur électrique (114) fonctionnant en mode moteur, une étape consistant en un défluxage des moteurs électriques (122a, 122b, 122c, 122d).
9. Procédé selon l'une des revendications 7 ou 8, comprenant, lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est supérieur à 80 %, préalablement à l'étape de récupération de l'énergie électrique par le générateur électrique (114) fonctionnant en mode moteur, une étape consistant en une récupération de l'énergie électrique par le redresseur (116).
10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant, lorsque l'état de charges des moyens de stockage (126) est supérieur à 80 %, préalablement à l'étape de récupération de l'énergie électrique par le générateur électrique (114) fonctionnant en mode moteur, une étape consistant en une augmentation de la tension électrique du bus de courant continu haute tension du réseau électrique (120).
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