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Patent Searching and Data


Title:
HYBRID PROPULSION SYSTEM FOR AN AIRCRAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/207256
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a hybrid propulsion system for an aircraft, comprising an internal combustion engine (1) and a dedicated electrical power circuit, which are connected in parallel to a transmission system (5) for rotating a propeller (7), characterized in that it further comprises a decoupling free wheeling unit (60) between the internal combustion engine (1) from the transmission system (5).

Inventors:
CHESNEAU, Gaetan (Rond-Point René Ravaud -Réau, MOISSY-CRAMAYEL, 77550, FR)
Application Number:
FR2019/050977
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
April 25, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SAFRAN (2 Boulevard du Général Martial Valin, PARIS, 75015, FR)
International Classes:
B64D27/24; B60K6/442; B64D15/12; B64D41/00; F01K23/00
Foreign References:
EP2404775A22012-01-11
EP2974964A12016-01-20
US20140290208A12014-10-02
US20100094492A12010-04-15
US20040155468A12004-08-12
EP1892168A12008-02-27
EP2144811A12010-01-20
EP2962885A12016-01-06
Attorney, Agent or Firm:
AHNER, Philippe (BREVALEX, 95 rue d'Amsterdam, PARIS CEDEX 8, 75378, FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Système de propulsion hybride pour un aéronef comportant un moteur à combustion interne (1) et un circuit de puissance électrique dédié, reliés en parallèle à un système de transmission (5) pour entraîner une hélice (7) en rotation,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre une roue libre de découplage (6, 60) entre le moteur à combustion interne et le système de transmission.

2. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon la revendication 1, l'aéronef comportant un circuit électrique conventionnel pour alimenter des équipements électriques embarqués,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre un convertisseur (13) relié au circuit de puissance électrique dédié et apte à alimenter les équipements électriques embarqués.

3. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon la revendication 1 ou 2,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit électrique (14) de dégivrage intégré sur les bords d'attaque des ailes, le circuit électrique de dégivrage étant relié au circuit de puissance électrique dédié.

4. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que le circuit de puissance électrique dédié comporte en outre une batterie (11) rechargeable par branchement sur un réseau d'alimentation électrique externe à l'aéronef.

5. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon les revendications 2 et 4, caractérisé en ce que le convertisseur (13) est réversible et en ce que la recharge de la batterie est effectuée via le convertisseur.

6. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre un système de récupération d'énergie thermique (16) à partir du moteur à combustion interne pour alimenter électriquement le circuit de puissance électrique dédié.

7. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon la revendication 6,

caractérisé en ce que le système de récupération d'énergie thermique (16) est une machine à cycle organique de Rankine.

8. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre un réservoir additionnel (3) de carburant pour alimenter le moteur à combustion interne.

9. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une quelconque des revendications 1 à 8,

caractérisé en ce que la roue libre de découplage (60, 70) comprend :

- une première machine électrique (61) couplée mécaniquement au système de transmission (5),

- une deuxième machine électrique (64) couplée mécaniquement au moteur à combustion interne (1),

- une ligne de transmission électrique (65, 66, 71) connectant la première machine électrique (61) à la deuxième machine électrique (64), et

- une unité de commande (67, 67A, 67B) configurée pour commander la première machine électrique (61) et la deuxième machine électrique (64) dans un mode couplé ou dans un mode découplé, dans le mode couplé, l'unité de commande (67, 67A, 67B) commandant la première machine électrique (61) de sorte qu'elle fonctionne en mode moteur et commandant la deuxième machine électrique (64) de sorte qu'elle fonctionne en mode générateur et, dans le mode découplé, l'unité de commande (67, 67A, 67B) commandant la première machine électrique (61) et la deuxième machine électrique (64) de sorte qu'elles soient inactives.

10. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon la revendication 9,

caractérisé en ce que l'unité de commande (67, 67A, 67B) est en outre configurée pour pouvoir commander la première machine électrique (61) et la deuxième machine électrique (64) dans un mode couplé inversé, dans lequel l'unité de commande (67, 67A, 67B) commande la première machine électrique (61) de sorte qu'elle fonctionne en mode générateur et commande la deuxième machine électrique (64) de sorte qu'elle fonctionne en mode moteur.

11. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une des revendications 9 et 10, l'aéronef comportant un circuit électrique conventionnel pour alimenter des équipements électriques embarqués,

caractérisé en ce que la deuxième machine électrique (64) est agencée pour être connectée électriquement au circuit électrique conventionnel.

12. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une des revendications 9 à 11,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit électrique de dégivrage (14) intégré sur les bords d'attaque des ailes, la deuxième machine électrique (64) étant connectée électriquement au circuit électrique de dégivrage (14).

13. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que l'unité de commande (67, 67A) est configurée, dans le mode couplé, pour commander la première machine électrique (61) dans un premier sens de rotation ou dans un deuxième sens de rotation. 14. Système de propulsion hybride pour un aéronef selon l'une des revendications 9 à 13,

caractérisé en ce que l'unité de commande (67, 67A) est configurée, dans le mode couplé, pour commander une vitesse de rotation de la première machine électrique (61).

15. Aéronef équipé d'un système de propulsion hybride, selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.

Description:
SYSTEME DE PROPULSION HYBRIDE POUR UN AERONEF

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne la propulsion d'aéronef, et plus particulièrement la propulsion hybride d'un aéronef.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La propulsion hybride d'un aéronef permet d'augmenter la puissance de l'aéronef par rapport à une propulsion purement thermique.

Par exemple, EP 2 144 811 divulgue une telle architecture de propulsion hybride. Cette architecture comporte un moteur à combustion interne, dont la puissance motrice entraîne une hélice. Le moteur à combustion interne coopère avec une machine électrique connectée à un stockeur d'énergie électrique via un réseau électrique dédié. La machine électrique peut être utilisée, dans un premier mode de fonctionnement, comme moteur électrique et, dans un second mode de fonctionnement, comme générateur électrique.

EP 2 962 885 divulgue une architecture de propulsion hybride parallèle qui permet un vol purement électrique dans lequel l'hélice de l'aéronef est entraînée en rotation par le moteur électrique tandis que le moteur à combustion interne est arrêté et découplé de l'hélice par l'ouverture d'un système d'embrayage.

Le découplage du moteur à combustion interne et de l'hélice est réalisé par un système d'embrayage qui est un dispositif lourd et complexe à gérer. Par exemple, le pilote de l'aéronef doit gérer l'embrayage en cas de panne du moteur à combustion interne. EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention vise à résoudre les problèmes de la technique antérieure en fournissant un système de propulsion hybride pour un aéronef comportant un moteur à combustion interne et un circuit de puissance électrique dédié, reliés en parallèle à un système de transmission pour entraîner une hélice en rotation,

caractérisé en ce qu'il comporte en outre une roue libre de découplage entre le moteur à combustion interne et le système de transmission.

Le moteur à combustion interne peut notamment être un moteur à combustion et explosion ou une turbomachine telle qu'un turbomoteur. En particulier, il peut être un turboréacteur à double flux.

Le découplage du moteur à combustion interne et de l'hélice étant réalisé par une roue libre, peut être de type passif. La roue libre peut notamment être mécanique. Il n'y a alors pas de fonction de pilotage complexe et source de panne pour réaliser ce découplage. Une roue libre mécanique est également un dispositif léger, par exemple par rapport à un embrayage. Elle offre une capacité de vol électrique efficace qui a pour effet d'améliorer la distance de point de posé et de décharger l'activité du pilote qui n'a alors pas d'embrayage à gérer en cas de panne du moteur à combustion interne.

Selon une caractéristique préférée, l'aéronef comportant un circuit électrique conventionnel pour alimenter des équipements électriques embarqués, le système de propulsion hybride pour un aéronef comporte en outre un premier convertisseur relié au circuit de puissance électrique dédié et apte à alimenter les équipements électriques embarqués.

L'utilisation d'un convertisseur relié au circuit de puissance électrique dédié permet de fournir à l'aéronef une source d'alimentation électrique alternative pour les équipements électriques, voire même de supprimer une batterie de secours du circuit d'alimentation électrique conventionnel. Le poids d'un convertisseur est faible par rapport à celui d'une batterie de secours, ce mode de réalisation permet donc un allègement de l'aéronef.

Selon une caractéristique préférée, le système de propulsion hybride pour un aéronef comporte en outre un circuit électrique de dégivrage intégré sur les bords d'attaque des ailes, le circuit électrique de dégivrage étant relié au circuit de puissance électrique dédié.

Ce mode de réalisation offre des capacités de vol en conditions givrantes grâce à l'alimentation électrique, via le circuit de puissance électrique dédié, du circuit électrique de dégivrage.

Selon une caractéristique préférée, le circuit de puissance électrique dédié comporte en outre une batterie rechargeable par branchement sur un réseau d'alimentation électrique externe à l'aéronef.

Ce mode de réalisation permet d'augmenter le rayon d'action de l'aéronef.

Selon une caractéristique préférée, le premier convertisseur est réversible et la recharge de la batterie est effectuée via ce convertisseur.

Selon une caractéristique préférée, le système de propulsion hybride pour un aéronef comporte en outre un système de récupération d'énergie thermique à partir du moteur à combustion interne pour alimenter électriquement le circuit de puissance électrique dédié.

Selon une caractéristique préférée, le système de récupération d'énergie thermique est une machine à cycle organique de Rankine.

Ce mode de réalisation permet de récupérer de l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement du moteur thermique et la convertir en énergie électrique.

Selon une caractéristique préférée, le système de propulsion hybride pour un aéronef comporte en outre un réservoir additionnel de carburant pour alimenter le moteur à combustion interne.

Ce mode de réalisation permet d'augmenter le rayon d'action de l'aéronef.

Dans un mode de réalisation particulier, la roue libre de découplage comprend :

- une première machine électrique couplée mécaniquement au système de transmission, - une deuxième machine électrique couplée mécaniquement au moteur à combustion interne,

- une ligne de transmission électrique connectant la première machine électrique à la deuxième machine électrique, et

- une unité de commande configurée pour commander la première machine électrique et la deuxième machine électrique dans un mode couplé ou dans un mode découplé, dans le mode couplé, l'unité de commande commandant la première machine électrique de sorte qu'elle fonctionne en mode moteur et commandant la deuxième machine électrique de sorte qu'elle fonctionne en mode générateur et, dans le mode découplé, l'unité de commande commandant la première machine électrique et la deuxième machine électrique de sorte qu'elles soient inactives.

À l'état inactif, les machines électriques ne génèrent ni couple mécanique ni puissance électrique. Elles opposent uniquement un couple résistant dû aux frottements et à l'inertie de leur partie tournante. Elles remplissent alors la fonction de roue libre. La roue libre de découplage de ce mode de réalisation peut ainsi être appelée « roue libre électrique ».

La roue libre électrique peut être autonome, c'est-à-dire fonctionner sans intervention humaine, en l'occurrence sans intervention du pilote de l'aéronef.

La roue libre électrique présente l'avantage de simplifier l'implémentation du moteur à combustion interne vis-à-vis du système de transmission et de l'hélice. En effet, le transfert de puissance du moteur à combustion interne vers le système de transmission par l'intermédiaire d'une ligne de transmission électrique permet une disposition du moteur à combustion interne indépendante du système de transmission. En l'occurrence, les axes de rotation de ces éléments ne nécessitent pas d'être alignés ou même parallèles.

Un autre avantage de la roue libre électrique est qu'elle permet de s'affranchir d'un réducteur mécanique dans le système de transmission, la première machine électrique pouvant être agencée pour tourner à une vitesse de rotation souhaitée pour l'hélice, indépendamment de la vitesse de rotation de la deuxième machine électrique entraînée par le moteur à combustion interne. Les machines électriques sont agencées pour pouvoir transmettre la puissance délivrée par le moteur à combustion interne au système de transmission. À titre d'exemple, elles peuvent être chacune aptes à délivrer une puissance de 80 kW. Les machines électriques peuvent être de différents types. Elles peuvent être des machines à courant continu ou des machines à courant alternatif. En l'occurrence, la première machine électrique peut être une machine synchrone à aimant permanent et la deuxième machine électrique peut être un machine asynchrone. Avantageusement, la deuxième machine électrique peut être configurée pour fonctionner en permanence sur son point optimal de fonctionnement déterminé en fonction de la puissance électrique requise, ce qui maximise le rendement.

La roue libre de découplage peut comprendre, en outre, un dispositif de commutation placé sur la ligne de transmission électrique et agencé pour pouvoir connecter la première machine électrique à la deuxième machine électrique ou les isoler électriquement l'une de l'autre. L'unité de commande peut alors commander le dispositif de commutation à la place ou en plus des machines électriques. En tout état de cause, l'unité de commande commande les machines électriques au moins de façon indirecte.

Dans une première variante de réalisation, le dispositif de commutation comprend une matrice de commutation comportant une première entrée/sortie pour chaque phase de la première machine électrique et une deuxième entrée/sortie pour chaque phase de la deuxième machine électrique. La matrice de commutation peut être agencée pour pouvoir connecter chaque première entrée/sortie à l'une des deuxièmes entrées/sorties ou à aucune de ces phases.

Dans une deuxième variante de réalisation, le dispositif de commutation comprend un premier convertisseur électrique connecté par une première entrée/sortie à la première machine électrique, un deuxième convertisseur électrique connecté par une première entrée/sortie à la deuxième machine électrique, et un bus électrique connectant une deuxième entrée/sortie du premier convertisseur électrique à une deuxième entrée/sortie du deuxième convertisseur électrique. À titre d'exemple, le premier convertisseur peut être un convertisseur AC/DC, le deuxième convertisseur peut être un convertisseur DC/AC et le bus électrique peut être un bus électrique continu.

Selon une forme particulière de réalisation, l'unité de commande est en outre configurée pour pouvoir commander la première machine électrique et la deuxième machine électrique dans un mode couplé inversé. Dans ce mode, l'unité de commande commande la première machine électrique de sorte qu'elle fonctionne en mode générateur et commande la deuxième machine électrique de sorte qu'elle fonctionne en mode moteur.

Cette forme de réalisation permet de démarrer le moteur à combustion interne au moyen du circuit de puissance électrique dédié. En particulier, le circuit de puissance électrique dédié peut comporter un générateur/moteur électrique connecté électriquement à un stockeur d'énergie électrique tel qu'une batterie électrochimique. Le générateur/moteur électrique peut alors fonctionner en mode moteur afin de fournir la puissance mécanique nécessaire au démarrage du moteur à combustion interne. Un avantage est qu'un démarreur dédié n'est pas nécessaire.

Toujours selon une forme particulière de réalisation, lorsque l'aéronef comporte un circuit électrique conventionnel pour alimenter des équipements électriques embarqués, la deuxième machine électrique peut être agencée pour être connectée électriquement au circuit électrique conventionnel.

Ainsi, la deuxième machine électrique, lorsqu'elle fonctionne en mode couplé, peut être utilisée comme source d'énergie électrique pour le circuit électrique conventionnel. La présence d'un générateur dédié pour alimenter le circuit électrique conventionnel n'est alors pas nécessaire.

Le cas échéant, la deuxième machine électrique peut être connectée au circuit électrique conventionnel par l'intermédiaire d'un deuxième convertisseur électrique agencé pour adapter la tension délivrée par la deuxième machine électrique à la tension requise par le circuit électrique conventionnel. Par ailleurs, une batterie électrique peut être connectée en parallèle à la deuxième machine électrique et/ou à une entrée ou une sortie du deuxième convertisseur électrique.

Selon une forme particulière de réalisation, la deuxième machine électrique peut être connectée au circuit de puissance électrique dédié.

Selon encore une autre forme particulière de réalisation, le système de propulsion hybride comporte un circuit électrique de dégivrage intégré sur les bords d'attaque des ailes. La deuxième machine électrique peut alors être connectée électriquement au circuit électrique de dégivrage intégré.

Toujours selon une forme particulière de réalisation, l'unité de commande peut en outre être configurée, dans le mode couplé, pour commander la première machine électrique dans un premier sens de rotation ou dans un deuxième sens de rotation.

Le sens de rotation de la première machine électrique peut être commandé indépendamment du sens de rotation de la deuxième machine électrique. Cette possibilité d'inversion permet de réaliser une fonction de freinage aérodynamique à l'aide de l'hélice.

Dans une autre forme particulière de réalisation, l'unité de commande peut en outre être configurée, dans le mode couplé, pour commander une vitesse de rotation de la première machine électrique.

Cette forme de réalisation présente l'avantage de permettre la suppression du mécanisme permettant de faire varier le calage du pas collectif des pales de l'hélice.

L'invention concerne aussi un aéronef équipé d'un système de propulsion hybride, tel que précédemment présenté.

L'aéronef équipé du système de propulsion hybride présente des avantages analogues à ceux précédemment présentés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, décrit en référence aux figures dans lesquelles :

La figure 1 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un premier mode de réalisation de l'invention.

La figure 2 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.

La figure 3 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un troisième mode de réalisation de l'invention.

La figure 4 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.

La figure 5 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un cinquième mode de réalisation de l'invention.

Les figures 6a à 6f représentent des modes de fonctionnement du système de propulsion hybride selon un mode de réalisation de l'invention.

Les figures 7a et 7b représentent des exemples de missions de vol de l'aéronef équipé d'un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un mode de réalisation de l'invention.

Les figures 8a et 8b représentent des exemples de missions de vol de l'aéronef équipé d'un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un mode de réalisation de l'invention.

La figure 9 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un sixième mode de réalisation de l'invention.

La figure 10 représente un système de propulsion hybride pour un aéronef, selon un septième mode de réalisation de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Selon un premier mode de réalisation préféré, représenté de manière schématique à la figure 1, un système de propulsion hybride pour un aéronef comporte un moteur à combustion interne 1 qui est alimenté en carburant provenant d'un réservoir de carburant 2. Dans l'exemple représenté, le moteur est un moteur à piston, mais d'autres types de moteur à combustion sont envisageables dans le cadre de l'invention. Il s'agit par exemple d'un turbomoteur tel qu'un turboréacteur à double flux.

Seuls les éléments utiles à la compréhension de l'invention sont décrits et représentés.

Selon une variante, un réservoir additionnel de carburant 3 est en outre prévu et est relié au réservoir 2.

Le moteur 1 entraîne un premier arbre de transmission 4 relié à un réducteur mécanique 5. La liaison entre le premier arbre de transmission 4 et le réducteur mécanique 5 est réalisé par l'intermédiaire d'une roue libre 6.

Le réducteur mécanique 5 est d'autre part relié à une hélice 7.

Le système de propulsion hybride comporte un circuit de puissance électrique dédié comportant un générateur/moteur électrique 10 électriquement relié à un stockeur d'énergie électrique, de type stockeur électrochimique, par exemple une batterie 11. Le générateur/moteur électrique 10 est également relié mécaniquement à un second arbre de transmission 12 lui-même relié au réducteur mécanique 5.

La chaîne électrique du système de propulsion est ainsi en parallèle de la chaîne thermique du système de propulsion.

Le système de propulsion hybride comporte aussi un organe de couplage 20, par exemple une courroie, pour coupler le premier arbre de transmission 4 avec un troisième arbre de transmission 21.

Le troisième arbre de transmission 21 est relié à un circuit d'alimentation électrique conventionnel des différents systèmes de bord de l'aéronef. Le circuit d'alimentation électrique conventionnel comporte un générateur 22 auquel est relié le troisième arbre de transmission 21. Le générateur 22 délivre par exemple un courant continu en sortie du circuit d'alimentation électrique vers un circuit de distribution électrique conventionnel, non représenté, qui est relié aux différents systèmes de bord de l'aéronef.

Le circuit d'alimentation électrique conventionnel comporte également une batterie de secours 23 qui est reliée en sortie du circuit d'alimentation électrique conventionnel pour délivrer elle aussi par exemple un courant continu.

Le fonctionnement du système de propulsion hybride est le suivant. Lorsque le moteur à combustion interne 1 fonctionne, l'hélice 7 est entraînée en rotation par le moteur 1. Lorsque le moteur 1 est à l'arrêt, il n'entraîne plus en rotation l'hélice 7, qui peut néanmoins continuer de tourner librement grâce à la roue libre 6.

De même, lorsque le générateur/moteur électrique 10 fonctionne en tant que moteur, il entraîne en rotation l'hélice 7. Ce cas peut être simultané ou non avec le fonctionnement du moteur 1. Lorsque le générateur/moteur 10 ne fonctionne plus en tant que moteur, mais en tant que générateur électrique, la rotation de l'hélice 7 entraîne le générateur qui recharge la batterie 11.

L'architecture hybride parallèle permet ainsi un vol purement électrique plus efficace. Le vol purement électrique correspond au cas où l'hélice est entraînée en rotation par le moteur électrique 10 mais est découplée du moteur à combustion interne qui est à l'arrêt. Le vol purement électrique permet par exemple d'aider le pilote à atterrir en sécurité en cas de panne du moteur à combustion interne.

Le découplage du moteur à combustion interne et de l'hélice étant réalisé par une roue libre, est de type passif. Il n'y a pas de fonction de pilotage complexe et source de panne pour réaliser ce découplage. La roue libre est également un dispositif léger, par exemple par rapport à un embrayage. Elle offre une capacité de vol électrique efficace qui a pour effet d'améliorer la distance de point de posé et de décharger l'activité du pilote qui n'a alors pas d'embrayage à gérer en cas de panne du moteur à combustion interne.

La figure 2 représente de manière schématique un deuxième mode de réalisation de l'invention, qui comporte tous les éléments du premier mode de réalisation de l'invention. Pour faciliter la compréhension, ces éléments reçoivent les mêmes références numériques qu'à la figure 1.

Le deuxième mode de réalisation comporte en outre un convertisseur de tension 13 relié au circuit de puissance électrique dédié. Plus précisément, le convertisseur 13 est relié en sortie du générateur/moteur électrique 10 et en sortie de la batterie 11. Une sortie du convertisseur 13 est reliée au circuit de distribution électrique conventionnel destiné à alimenter les différents systèmes de bord de l'aéronef.

Le convertisseur 13 est un convertisseur continu/continu, qui délivre en sortie un courant continu apte à alimenter le circuit de distribution électrique conventionnel.

Ainsi, la batterie de secours 23 peut être de capacité plus réduite, voire même supprimée, par rapport au premier mode de réalisation. Le poids du convertisseur 13 est inférieur à celui de la batterie de secours 23, ce mode de réalisation permet donc un allègement de l'aéronef.

La figure 3 représente de manière schématique un troisième mode de réalisation de l'invention, qui comporte tous les éléments du deuxième mode de réalisation de l'invention. Pour faciliter la compréhension, ces éléments reçoivent les mêmes références numériques qu'aux figures 1 et 2.

Le troisième mode de réalisation comporte en outre un circuit électrique 14 de dégivrage des bords d'attaque des ailes relié au circuit de puissance électrique dédié. Le circuit électrique de dégivrage est relié en sortie du générateur/moteur électrique 10 et en sortie de la batterie 11. Le circuit électrique de dégivrage comporte des tapis chauffants intégrés sur les bords d'attaque des ailes.

Ce mode de réalisation offre des capacités de vol en conditions givrantes.

A la figure 3, ce mode de réalisation intègre le convertisseur 13 du deuxième mode de réalisation. Il est à noter cependant que ce mode de réalisation peut également ne pas intégrer le convertisseur 13.

La figure 4 représente de manière schématique un quatrième mode de réalisation de l'invention, qui comporte tous les éléments du troisième mode de réalisation de l'invention. Pour faciliter la compréhension, ces éléments reçoivent les mêmes références numériques qu'aux figures précédentes.

Le quatrième mode de réalisation comporte en outre un système 15 relié au circuit de puissance électrique dédié, pour recharger la batterie 11 par branchement via une prise de parc sur un réseau d'alimentation électrique externe à l'aéronef, lorsque celui-ci est au sol.

Ce mode de réalisation permet d'augmenter le rayon d'action de l'aéronef en maximisant la valorisation de l'énergie électrique contenu dans la batterie 11 durant un vol purement électrique ou hybride. Ces modes de fonctionnement sont décrits dans la suite.

Selon une variante, le convertisseur 13 est de type réversible et la prise de parc est reliée au convertisseur 13. Quand la connexion de la prise de parc au réseau d'alimentation électrique externe est détectée et qu'une charge de la batterie 11 est requise, alors la charge est effectuée depuis la prise de parc vers la batterie 11 via le convertisseur 13. De même, la prise de parc peut aussi être reliée à la batterie de secours 23. Quand la connexion de la prise de parc au réseau d'alimentation électrique externe est détectée et qu'une charge de la batterie de secours 23 est requise, alors la charge est effectuée depuis la prise de parc vers la batterie de secours 23.

A la figure 4, ce mode de réalisation intègre le convertisseur 13 du deuxième mode de réalisation et le circuit électrique 14 de dégivrage des bords d'attaque des ailes du troisième mode de réalisation. Il est à noter cependant que ce mode de réalisation peut également ne pas intégrer ces deux éléments, ou intégrer seulement l'un des deux.

La figure 5 représente de manière schématique un cinquième mode de réalisation de l'invention, qui comporte tous les éléments du quatrième mode de réalisation de l'invention. Pour faciliter la compréhension, ces éléments reçoivent les mêmes références numériques qu'aux figures précédentes.

Le cinquième mode de réalisation comporte en outre un circuit thermodynamique 16 relié au moteur à combustion interne 1 pour récupérer de l'énergie thermique contenue dans les gaz d'échappement du moteur thermique et la convertir en énergie électrique pour l'injecter dans le circuit de puissance électrique dédié. Le circuit thermodynamique 16 est relié électriquement au générateur/moteur électrique 10, à la batterie 11, au convertisseur 13 et au circuit électrique 14 de dégivrage.

Le circuit thermodynamique 16 comporte un module ORC d'après l'anglais « Organic Rankine Cycle ». Il s'agit d'une machine à cycle organique de Rankine.

A la figure 5, ce mode de réalisation intègre les éléments des deuxième, troisième et quatrième modes de réalisation. Il est à noter cependant que ce mode de réalisation peut également ne pas intégrer ces trois éléments, ou intégrer seulement un ou deux des trois.

Les figures 6a à 6f représentent des modes de fonctionnement possibles du système de propulsion hybride selon la présente invention. Le troisième mode de réalisation a plus particulièrement été représenté dans ces figures, mais les modes de fonctionnement sont transposables à tous les modes de réalisation précédemment décrits.

A la figure 6a, un mode d'augmentation de puissance, ou mode hybride, comporte le fonctionnement simultané d'une part de la chaîne thermique du système de propulsion pour entraîner en rotation l'hélice et alimenter le générateur 22 et d'autre part de la chaîne électrique du système de propulsion pour entraîner en rotation l'hélice. Le générateur/moteur électrique 10 fonctionne ici en moteur et est alimenté par la batterie 11. La puissance fournie pour entraîner l'hélice est ainsi augmentée, ce qui peut être utile lors des phases de décollage ou de montée de l'aéronef.

La batterie 11 peut également alimenter le circuit électrique de dégivrage 14.

A la figure 6b, un mode de recharge électrique comporte le fonctionnement simultané d'une part de la chaîne thermique du système de propulsion pour entraîner en rotation l'hélice et alimenter le générateur 22 et d'autre part de la chaîne électrique du système de propulsion pour recharger la batterie 11. Le générateur/moteur électrique 10 fonctionne ici en générateur et recharge la batterie 11.

Le générateur/moteur électrique 10 peut également alimenter le circuit électrique de dégivrage 14, si besoin. Le mode de recharge électrique peut être utilisé en phase de croisière de l'aéronef.

A la figure 6c, un mode de maintien comporte le fonctionnement simultané d'une part de la chaîne thermique du système de propulsion pour entraîner en rotation l'hélice et alimenter le générateur 22 et d'autre part de la chaîne électrique du système de propulsion pour alimenter le convertisseur 13 et le circuit électrique de dégivrage 14 si besoin. Le générateur/moteur électrique 10 fonctionne ici en générateur.

Le mode de maintien peut être utilisé lorsque la batterie 11 est complètement chargée, par exemple en phase de croisière ou en phase de descente ou encore d'atterrissage de l'aéronef.

A la figure 6d, un mode planeur comporte l'arrêt simultané d'une part de la chaîne thermique du système de propulsion et d'autre part du générateur/moteur électrique 10. Seule la batterie 11 alimente le convertisseur 13 pour alimenter électriquement les systèmes embarqués de l'aéronef. La batterie 11 peut également alimenter le circuit électrique de dégivrage 14 si besoin.

A la figure 6e, un mode de redémarrage du moteur à combustion interne comporte le fonctionnement de la chaîne électrique du système de propulsion pour entraîner en rotation l'hélice. Le générateur/moteur électrique 10 fonctionne ici en moteur et est alimenté par la batterie 11. La batterie 11 alimente également le convertisseur 13 et le circuit électrique de dégivrage 14 si besoin.

Dans ce mode, le moteur à combustion interne est en phase de démarrage, par le biais d'un démarreur dédié non représenté.

A la figure 6f, un mode purement électrique comporte l'arrêt du moteur à combustion interne et le fonctionnement de la chaîne électrique du système de propulsion pour entraîner l'hélice en rotation.

La batterie 11 alimente le générateur/moteur électrique 10 et peut alimenter le convertisseur 13 et le circuit électrique de dégivrage 14 si besoin.

Le mode purement électrique permet d'augmenter le rayon d'action en cas d'utilisation nominale (hors panne moteur) ou d'améliorer la distance d'un point de posé en cas de panne moteur. Ce mode de fonctionnement est particulièrement intéressant énergétiquement à cause du non entrainement du moteur à combustion interne grâce à la roue libre.

Les figures 7a et 7b représentent deux exemples de missions de vol de l'aéronef dans lesquelles les différents modes de fonctionnement du système de propulsion hybride précédemment présentés sont utilisés. Les figures 7a et 7b représentent des phases successives de décollage 100, montée 200, croisière 300, descente 400 et atterrissage 500 de l'aéronef, en fonction du temps. La phase de croisière correspond à une altitude de croisière souhaitée ALT.

La figure 7a représente une mission de vol de l'aéronef sans défaillance du moteur à combustion interne.

En phases de décollage et de montée de l'aéronef, le mode d'augmentation de puissance est utilisé.

Au début de la phase de croisière de l'aéronef, quand l'aéronef atteint l'altitude souhaitée, le mode de recharge électrique est utilisé. Lorsque la recharge de la batterie 11 est terminée, le mode de maintien est utilisé. Le mode de maintien est utilisé en phases de croisière, de descente et d'atterrissage de l'aéronef.

En variante, le mode purement électrique est utilisé en phases de descente et d'atterrissage de l'aéronef. Il peut aussi être utilisé en phase de roulage, ou taxiage, de l'aéronef.

La figure 7b représente une mission de vol de l'aéronef avec différents cas de défaillance du moteur à combustion interne.

Si une défaillance du moteur à combustion interne survient pendant la phase de montée de l'aéronef, le système de propulsion hybride passe en mode purement électrique. L'aéronef entame alors une phase de descente puis d'atterrissage.

Si une défaillance du moteur à combustion interne survient à la fin de la phase de montée de l'aéronef, et si par exemple l'énergie contenue dans la batterie 11 a été complètement utilisée, le système de propulsion hybride passe en mode planeur. L'aéronef entame alors une phase de descente puis d'atterrissage.

Si une défaillance du moteur à combustion interne survient pendant la phase de croisière de l'aéronef, mais après la recharge de la batterie 11, ou à la fin de la phase de croisière, le système de propulsion hybride passe en mode purement électrique. L'aéronef entame alors une phase de descente puis d'atterrissage.

Les figures 8a et 8b représentent deux autres exemples de missions de vol de l'aéronef dans lesquelles les différents modes de fonctionnement du système de propulsion hybride précédemment présentés sont utilisés. Les figures 8a et 8b représentent des phases successives de décollage 100, montée 200, croisière 300, descente 400 et atterrissage 500 de l'aéronef, en fonction du temps. La phase de croisière correspond à une altitude de croisière souhaitée maximale ALT1 et une altitude de croisière souhaitée minimale ALT2.

La figure 8a représente une mission de vol de l'aéronef sans défaillance du moteur à combustion interne.

En phases de décollage et de montée de l'aéronef, le mode d'augmentation de puissance est utilisé.

Par rapport à la figure 7a, la phase de montée dure plus longtemps, de sorte que l'aéronef atteint l'altitude maximale ALT1.

Lorsque l'altitude maximale ALT1 est atteinte, le système de propulsion hybride passe en mode planeur. L'aéronef perd progressivement de l'altitude, et lorsque qu'il atteint l'altitude minimale souhaitée ALT2, le système de propulsion hybride passe en mode de redémarrage du moteur à combustion interne.

Après redémarrage du moteur à combustion interne, le système de propulsion hybride passe en mode de recharge électrique.

Après la recharge complète de la batterie 11, le système de propulsion hybride passe en mode d'augmentation de puissance.

Comme précédemment, ce mode est conservé jusqu'à ce que l'altitude maximale ALT1 soit atteinte.

Ensuite, le mode planeur puis le mode redémarrage du moteur à combustion interne, et le mode d'augmentation de puissance peuvent être utilisés successivement, pendant toute la phase de croisière de l'aéronef, de sorte qu'il demeure entre les altitudes maximale ALT1 et minimale ALT2. Le mode de maintien est ensuite utilisé en phase d'atterrissage de l'aéronef.

La figure 8b représente une mission de vol avec différents cas de défaillance du moteur à combustion interne.

Une défaillance du moteur à combustion interne peut survenir pendant la phase de montée ou la phase de croisière de l'aéronef.

Quelle que soit la phase de vol de l'aéronef, si une défaillance du moteur à combustion interne survient, le système de propulsion hybride passe en mode planeur. L'aéronef entame alors une phase de descente puis d'atterrissage.

La figure 9 représente de manière schématique un sixième mode de réalisation de l'invention. Le système de propulsion hybride selon ce sixième mode de réalisation comporte tous les éléments du système de propulsion hybride selon le cinquième mode de réalisation, représenté à la figure 5, hormis ceux du circuit d'alimentation électrique conventionnel, c'est-à-dire le générateur 22 et la batterie de secours 23. Par souci de concision et de facilité de compréhension, les éléments identiques reçoivent les mêmes références numériques qu'aux figures 1 à 5.

Le système de propulsion hybride selon ce sixième mode de réalisation comporte une roue libre 6 appelée « roue libre électrique » 60. La roue libre électrique 60 comprend une première machine électrique 61 couplée mécaniquement au réducteur mécanique 5 par l'intermédiaire d'un quatrième arbre de transmission 62, un commutateur 63, une deuxième machine électrique 64 couplée mécaniquement au moteur à combustion interne 1 par l'intermédiaire du premier arbre de transmission 4, une première ligne de transmission électrique 65 connectant la première machine électrique 61 à une première entrée/sortie du commutateur 63, une deuxième ligne électrique 66 connectant la deuxième machine électrique 64 à une deuxième entrée sortie du commutateur 63, une unité de commande 67 et un convertisseur électrique 68 dont une entrée est connectée entre la deuxième machine électrique 64 et la deuxième entrée/sortie du commutateur 63.

La première machine électrique 61 est agencée pour fournir un couple mécanique au réducteur mécanique 5 lorsqu'elle est alimentée électriquement par la ligne de transmission électrique 65. Elle fonctionne alors en mode moteur. De préférence, la première machine électrique 61 est réversible. Autrement dit, elle est agencée pour délivrer un courant électrique sur la ligne de transmission électrique 65 lorsqu'elle est entraînée en rotation par le réducteur mécanique 5. Elle fonctionne alors en mode générateur. La machine électrique 61 peut notamment être une machine synchrone à aimant permanent ou une machine asynchrone. Elle délivre par exemple en mode moteur une puissance mécanique de 80 kW.

De manière symétrique, la deuxième machine électrique 64 est agencée pour délivrer un courant électrique sur la ligne de transmission électrique 66 lorsqu'elle est entraînée en rotation par le moteur à combustion interne 1. Elle fonctionne alors en mode générateur. De préférence, la deuxième machine électrique 64 est également réversible. Autrement dit, elle est agencée pour fournir un couple mécanique au moteur à combustion interne 1 lorsqu'elle est alimentée électriquement par la ligne de transmission électrique 66. La machine électrique 64 peut notamment être une machine synchrone à aimant permanent ou une machine asynchrone. Afin de tenir compte des différentes pertes, elle délivre par exemple en mode générateur une puissance électrique de 90 kW.

Le commutateur 63 est agencé pour pouvoir modifier la connexion électrique entre les machines électriques 61 et 64. En particulier, il peut consister en une matrice de commutation apte à connecter chaque phase de la première machine électrique 61 avec l'une des phases sélectionnée de la deuxième machine électrique 64 ou avec aucune de ces phases. La matrice de commutation comporte par exemple un nombre de premières entrées/sorties égale au nombre de phases de la première machine électrique 61 et un nombre de deuxièmes entrées/sorties égale au nombre de phases de la deuxième machine électrique 64, chaque première entrée/sortie étant apte à être connectée sur commande à l'une des deuxièmes entrées/sorties ou à aucune de ces deuxièmes entrées/sorties.

L'unité de commande 67 est configurée pour commander le commutateur 63. Elle commande ainsi, indirectement, les machines électriques 61 et 64 et leur mode de fonctionnement. Plus généralement, l'unité de commande 67 commande le mode de couplage de la roue libre électrique 60. L'unité de commande 67 est configurée pour commander la roue libre électrique 60 dans un mode couplé, dans un mode découplé ou dans un mode couplé inversé.

Dans le mode couplé, l'unité de commande 67 commande le commutateur 63 de sorte que la première machine électrique 61 fonctionne en mode moteur et que la deuxième machine électrique 64 fonctionne en mode générateur. L'unité de commande 67 peut piloter les tensions de phases des machines électriques 61, 64 en fonction de la puissance électrique fournie par la machine électrique 64 qui est en prise directe avec le moteur à combustion interne 1. Lorsque le moteur à combustion interne 1 est tournant et que le commutateur 63 connecte les phases de la deuxième machine électrique 64 avec les phases de la première machine électrique 61, la puissance électrique fournie par la machine électrique 64 est fonction de la puissance mécanique fournie par le moteur à combustion interne 1, au rendement près de la machine électrique 64 (typiquement environ égale à 85%). Lorsque le moteur à combustion interne 1 est arrêté, il ne fournit aucune puissance mécanique et le commutateur 63 déconnecte les machines électriques 61, 64 de sorte qu'aucun courant ne puisse circuler entre elles. Le mode couplé est notamment utilisé pour les modes de fonctionnement suivants du système de propulsion hybride : le mode hybride, le mode de recharge électrique et le mode de maintien, décrits respectivement en référence aux figures 6a à 6c. Dans le mode couplé, l'unité de commande 67 peut commander le commutateur 63 de sorte que la première machine électrique 61 tourne dans un premier sens de rotation ou dans un deuxième sens de rotation, contraire au premier sens de rotation. L'inversion du sens de rotation de la machine électrique 61 peut être effectuée indépendamment du sens de rotation du moteur à combustion interne 1. Cette inversion du sens de rotation permet de conférer à l'hélice 7 une fonction de freinage aérodynamique.

Dans le mode découplé, l'unité de commande 67 commande le commutateur 63 de sorte que la première machine électrique 61 et la deuxième machine électrique 64 soient inactives. Pour ce faire, le commutateur 63 peut laisser à l'état bloquant l'ensemble de ses éléments de commutation. Ainsi, les machines électriques 61, 64 ne sont plus connectées entre elles et chaque machine électrique n'effectue aucune conversion de puissance, le réducteur mécanique 5 étant libre de tourner indépendamment du moteur à combustion interne 1. Le mode découplé des machines électriques 61, 64 est utilisé pour le mode purement électrique du système de propulsion hybride.

Dans le mode couplé inversé, l'unité de commande 67 commande le commutateur 63 de sorte que la première machine électrique 61 fonctionne en mode générateur et que la deuxième machine électrique 64 fonctionne en mode moteur. Le mode couplé inversé peut être utilisé afin de démarrer le moteur à combustion interne 1 à partir du générateur/moteur électrique 10. Il est donc possible de supprimer le démarreur dédié pour l'allumage du moteur à combustion interne 1.

Le convertisseur électrique 68 a pour fonction de convertir le courant électrique en sortie de la deuxième machine électrique 64 en un courant électrique compatible avec le circuit de distribution électrique conventionnel, de manière à pouvoir alimenter les différents systèmes de bord de l'aéronef. Dans l'exemple de réalisation de la figure 9, le convertisseur électrique 68 est un redresseur. Le type de convertisseur est toutefois adapté à la nature du courant électrique délivré par la deuxième machine électrique 64 et à celle du courant électrique requis dans le circuit de distribution électrique conventionnel. Il est à noter que le convertisseur électrique 68 est optionnel. Il ne participe pas à la fonction de couplage réalisée par la roue libre électrique 60, mais permet de profiter de la présence d'une énergie électrique pour l'alimentation de systèmes électriques embarqués.

Le courant électrique fourni en sortie de la deuxième machine électrique 64 pourrait également être utilisé pour alimenter le circuit électrique de dégivrage 14. Le cas échéant, le convertisseur électrique 13, le convertisseur électrique 63 ou un convertisseur électrique dédié pourrait être interposé entre la sortie de la deuxième machine électrique et le circuit électrique de dégivrage 14.

La figure 10 représente de manière schématique un septième mode de réalisation de l'invention. Le système de propulsion hybride selon ce septième mode de réalisation se distingue de celui de la figure 9 par sa roue libre électrique. La roue libre électrique 70 de ce septième mode de réalisation comprend, à la place du commutateur 63, deux convertisseurs électriques 63A, 63B et, à la place de l'unité de commandé 67, deux unités de commande 67A, 67B. En outre, le convertisseur électrique 68 est supprimé. La première machine électrique 61 est connectée à une première entrée/sortie du convertisseur électrique 63A par la ligne de transmission électrique 65 et la deuxième machine électrique est connectée à une première entrée/sortie du convertisseur électrique 63B par la deuxième ligne de transmission électrique 66. La deuxième entrée/sortie du convertisseur électrique 63A est connectée à la deuxième entrée/sortie du convertisseur électrique 63B par un bus électrique 71. Dans l'exemple de la figure 10, les convertisseurs électriques 63A, 63B sont des convertisseurs AC/DC et DC/AC, respectivement. Le bus électrique 71 est alors un bus continu agencé pour transmettre la puissance entre les machines électriques 61, 64 par un courant continu. Le convertisseur électrique 63A est commandé par l'unité de commande 67A et le convertisseur électrique 63B est commandé par l'unité de commande 67B. Chaque convertisseur électrique 63A, 63B est ainsi commandé par sa propre unité de commande 67A, 67B. Les unités de commande 67A, 67B pourraient néanmoins être réalisées au sein d'une seule unité physique. En outre, les unités de commande 67A, 67B peuvent communiquer entre elles, notamment en ce qui concerne le mode de couplage à appliquer.

De manière analogue au sixième mode de réalisation, les unités de commande 67A, 67B commandent les convertisseurs électriques 63A, 63B de sorte que la roue libre électrique 70 fonctionne dans le mode couplé, dans le mode découplé ou dans le mode couplé inversé.

Dans le mode couplé, l'unité de commande 67A commande avantageusement la machine électrique 61 par un asservissement en couple ou en régime et l'unité de commande 67B commande avantageusement la machine électrique 64 par un asservissement en tension. Le mode d'asservissement de la machine électrique 61 peut notamment dépendre de la phase de vol. L'asservissement en tension de la machine électrique 64 permet de fournir la puissance électrique réclamée par la machine électrique 61. Pour un asservissement en régime de la machine électrique 61, l'unité de commande 67A reçoit par exemple des positions angulaires de l'arbre de la machine électrique 61 ainsi que ses courants de phase. Elle peut générer en fonction de ces informations un signal de commande PWM (modulation en largeur d'impulsion) à destination du convertisseur électrique 63A pour chacune des phases de la machine électrique 61. Pour un asservissement en tension de la machine électrique 64, l'unité de commande 67B reçoit par exemple les valeurs de tension sur le bus électrique 71 et génère en fonction de ces valeurs un signal de commande PWM à destination du convertisseur électrique 63B pour chacune des phases de la machine électrique 64.

Dans le mode découplé, les unités de commande 67A, 67B peuvent commander les convertisseurs 63A, 63B de sorte à ce que leurs éléments de commutation soient à l'état bloqué. Ainsi, les machines électriques 61, 64 ne sont plus connectées entre elles.

Dans le mode couplé inversé, le fonctionnement des machines électriques 61, 64 est inversé. Ainsi, les unités de commande 67A, 67B et les convertisseurs électriques 63A, 63B peuvent également fonctionner de façon inversée l'un de l'autre.

Lorsque le bus électrique 71 est parcouru par un courant continu, il peut éventuellement être connecté au circuit de puissance électrique dédié.

Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et peuvent être combinées. En particulier, dans les sixième et septième modes de réalisation, décrits en référence aux figures 9 et 10, il est possible d'omettre l'un ou plusieurs des éléments suivants : le convertisseur 13, le circuit électrique de dégivrage 14, le système 15 pour recharger la batterie 11, le circuit thermodynamique 16 et le convertisseur électrique 68.