L'invention concerne l'hybridation d'un système propulsif d'aéronef, et plus particulièrement la conception d'un système électrique interfacé avec l'aéronef et au moins une turbomachine permettant de fournir une propulsion hybride thermique/électrique.

De plus en plus de ces aéronefs fonctionnent avec des systèmes de propulsion hybride, c'est-à-dire avec un système comprenant une turbomachine, au moins un générateur électrique et au moins une batterie, car les systèmes purement électriques fonctionnant seulement à partir d'une batterie ne sont viables que pour le transport d'une charge sur une courte distance comme ceux sur le marché intra-urbain, l'autonomie des batteries, liée à la faible densité d'énergie des batteries par rapport à l'autonomie offerte par le carburant embarqué dans un réservoir d'un aéronef pour alimenter des turbomachines, n'étant pas suffisante pour les autres marchés, tel que le marché court-moyen courrier par exemple.

Objet et résumé de l’invention

L'invention vise à fournir un système électrique d'un aéronef interconnectant les sources d'énergie disponibles dans les turbomachines et le corps de l'aéronef et permettant de fournir ou de prélever une puissance contrôlée avec une ou plusieurs machines électriques sur les arbres haute pression et basse pression d'une turbomachine, d'assurer la compatibilité de l'ensemble de ces fonctions liées à la propulsion avec les fonctions de fournitures d'autre besoins énergétiques, et d'assurer une gestion optimisée de l'ensemble de ces prélèvements et fournitures d'énergies avec différentes sources d'énergies et moyens de stockage d'énergie.

Dans un premier objet de l'invention, il est proposé un aéronef à propulsion hybride thermique/électrique comprenant au moins une turbomachine, une première source électrique, une seconde source électrique munie de moyens de stockage d'énergie électrique, un réseau de distribution électrique non propulsif et un réseau de distribution électrique basse tension. Selon une caractéristique générale de l'invention, l'aéronef comprend en outre un réseau de distribution électrique propulsif, les trois réseaux étant électriquement alimentés par les première et seconde sources électriques et électriquement interconnectés par des convertisseurs statiques.

Le réseau de distribution électrique propulsif est destiné à alimenter les équipements de puissance importante, notamment les équipements liés au système propulsif. Ce réseau a le niveau de tension le plus élevé. L'utilisation de ce réseau de distribution uniquement pour les équipements de puissance importante permet de minimiser le courant à fournir, et par conséquent, permet de diminuer le nombre de câbles avec une section importante et ainsi de réduire l'encombrement et la masse dus aux câbles électriques.

Le réseau de distribution électrique propulsif est préférentiellement de type continu et d'un niveau de tension dépendant des puissances en jeu : 540 V, 750 V, 1000 V, 1500 V, 3000 V. Le niveau de tension est défini en fonction des paramètres suivants : puissance, courant, topologie et architecture électrique et masse. L'augmentation de la puissance électrique embarquée a un impact non négligeable sur la masse. Le choix de niveau de tension est de préférence le compromis optimum entre le rendement énergétique et la masse du système électrique.

Le réseau de distribution électrique non propulsif est destiné à alimenter en électricité les équipements de puissance intermédiaire, c'est- à-dire principalement les équipements liés au système non propulsif désignés également comme des charges « avion ». De préférence, ce réseau est de type continu.

Le réseau de distribution électrique non propulsif a un niveau de tension intermédiaire (par exemple 540 VDC) inférieur au niveau de tension du réseau de distribution électrique propulsif.

Le réseau de distribution électrique basse tension est destiné à alimenter en électricité les charges de faible puissance des turbomachines ou de l'avion. Ce réseau est typiquement de type continu, et par exemple de l'ordre de 28 VDC.

Avantageusement, l'aéronef peut comprendre en outre un système électrique principal monté dans le corps de l'aéronef et, pour la ou chaque turbomachine de l'aéronef, un système électrique local monté dans la turbomachine.

de préférence, le système électrique local comprend une première machine électrique mécaniquement couplée à un arbre basse pression de la turbomachine, au moins une seconde machine électrique mécaniquement couplée à un arbre haute pression de la turbomachine, des convertisseurs de puissance, tels que des convertisseurs alternatif- continu réversibles, et une unité électronique de commande locale configurée pour commander l'alimentation des charges locales de la turbomachine en fonction des sources électriques disponibles de l'aéronef, les première et seconde machines électriques étant des premières sources électriques lorsqu'elles fonctionnent en mode générateur et des charges locales lorsqu'elles fonctionnent en mode moteur, notamment pour le démarrage.

La première machine électrique peut être mécaniquement couplée à un arbre basse pression de la turbomachine en liaison directe ou par le biais d'une boite de réduction, c'est-à-dire d'un système d'engrenages.

Par sources électriques disponibles, on entend les sources électriques délivrant un courant d'alimentation.

Les convertisseurs de puissance permettent de piloter les moteurs pendant les phases de fonctionnement en mode moteur et assurer la régulation de la tension réseau pendant les phases de génération d'énergie électrique.

Le système électrique local peut avantageusement comprendre une prise électrique permettant le raccordement d'une source électrique externe.

La prise électrique du système électrique local permet de faire tourner la turbomachine munie de ce système électrique local à basse vitesse par exemple sans démarrer la turbomachine, à l'aide d'un outillage au sol.

La prise électrique peut être associée à un convertisseur alternatif-continu dans le cas où la source électrique externe couplée à la prise électrique n'est pas continue.

Avantageusement, le système électrique local peut comprendre un premier boîtier de distribution électrique local raccordé au réseau de distribution électrique basse tension, un second boîtier de distribution électrique local raccordé au réseau de distribution électrique propulsif, les premier et second boîtiers de distribution électrique locaux assurant les interconnexions entre les sources électriques de l'aéronef et les interconnexions entre les charges locales de la turbomachine ou avec les charges du système électrique principal.

Avantageusement, le système électrique local peut comprendre en outre un convertisseur de courant unidirectionnel entre le second boîtier de distribution électrique local et le premier boîtier de distribution électrique local afin de permettre l'alimentation des charges locales basse tension.

Le système électrique local peut avantageusement comprendre en outre un moyen de stockage d'énergie local associé à un convertisseur continu/continu.

De préférence, le système électrique principal comprend deux premiers sous-systèmes et un second sous-système de secours, chaque premier sous-système comprenant un premier boîtier de distribution électrique principal raccordé au réseau de distribution électrique basse tension, un deuxième boîtier de distribution électrique principal raccordé au réseau de distribution électrique propulsif, un troisième boîtier de distribution électrique principal raccordé au réseau de distribution électrique non propulsif, les boîtiers de distribution électrique principaux assurant les interconnexions entre les sources électriques de l'aéronef disponibles, les charges du système électrique principal et les sous- systèmes électriques.

Avantageusement, chaque premier sous-système électrique peut comprendre en outre un convertisseur unidirectionnel entre le troisième boîtier de distribution électrique principal et le premier boîtier de distribution électrique principal, et un convertisseur bidirectionnel entre le deuxième boîtier de distribution électrique principal et le troisième boîtier de distribution électrique principal, afin de permettre l'alimentation des charges dans différentes configurations.

De préférence, chaque premier sous-système électrique comprend une machine électrique auxiliaire mécaniquement couplée à un groupe auxiliaire de puissance et associée à convertisseur de puissance alternatif-continu réversible, et une unité électronique de commande principale configurée pour commander l'alimentation des charges du premier sous-système en fonction des sources électriques disponibles de l'aéronef, la machine électrique auxiliaire étant une première source électrique lorsqu'elle fonctionne en mode générateur et une charge locale lorsqu'elle fonctionne en mode moteur.

Avantageusement, chaque premier sous-système électrique peut comprendre une prise électrique permettant le raccordement d'une source électrique externe pour assurer les fonctions d'alimentation de l'aéronef et des moteurs lorsqu'aucune source électrique interne à l'aéronef n'est disponible.

Chaque premier sous-système électrique peut avantageusement comprendre en outre un moyen de stockage d'énergie associé à un convertisseur continu/continu formant une seconde source électrique.

Le moyen de stockage peut être mutualisé pour les besoins d'hybridation turbomachine et de charges non propulsives ou ségrégué pour en dédier une partie aux charges non propulsives et une partie à l'hybridation. Le moyen de stockage est également utilisé pour permettre des reconfigurations sans coupure des charges (Fonction No Break Power Transfer).

Le convertisseur, par exemple un convertisseur continu/continu, permet de maintenir la tension constante du côté réseau malgré une variation importante du côté stockeur et permet d'assurer la charge du stockeur si cette source d'énergie est une batterie. Cette architecture offre l'opportunité d'adapter le niveau de tension au niveau du réseau pour assurer le mode de partage de puissance, aussi appelé en anglais « sharing power mode ».

De préférence, le second sous-système électrique comprend un premier boîtier de distribution électrique de secours raccordé au réseau de distribution électrique basse tension, un second boîtier de distribution électrique de secours raccordé au réseau de distribution électrique non propulsif, les boîtiers de distribution électrique de secours étant alimentés par lesdites au moins une première et/ou seconde sources électriques lorsqu'au moins l'une d'entre elles est disponible, et les boîtiers de distribution électrique de secours assurant les interconnexions entre les sources électriques de l'aéronef disponibles et les charges du second sous- système électrique.

Avantageusement, les premier et second boîtiers de distribution électrique de secours peuvent être alimentés chacun par un générateur de secours ou par une autre source électrique en liaison directe avec le boîtier de distribution électrique de secours.

Avantageusement, le second sous-système électrique peut comprendre une unité électronique de commande de secours configurée pour commander l'alimentation des charges du second sous-système en fonction des sources électriques disponibles de l'aéronef.

Brève description des dessins.

L'invention sera mieux comprise à la lecture faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel la figure unique représente une architecture électrique d'un aéronef selon un mode de réalisation de l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation

Sur la figure unique est représentée une architecture électrique d'un aéronef à propulsion hybride thermique/électrique selon un mode de réalisation de l'invention.

L'aéronef 1 comprend un corps 2 comportant un fuselage et deux ailes, et deux turbomachines 3. Le corps 2 de l'aéronef 1 comprend un système électrique principal 4 dont les composants sont montés dans le corps 2 de l'aéronef 1, et chaque turbomachine 3 comprend un système électrique local 5 dont les composants sont montés dans une nacelle de la turbomachine 3.

Par ailleurs, l'aéronef 1 comprend un réseau de distribution électrique non propulsif 6, un réseau de distribution électrique basse tension 7 et un réseau de distribution électrique propulsif 8 électriquement interconnectés par des convertisseurs statiques.

Les trois réseaux de distribution électrique 6 à 8 sont transverses par rapport aux systèmes électriques 4 et 5, c'est-à-dire que chacun des trois réseaux de distribution électrique 6 à 8 est implanté dans le système électrique principal 4 et dans les systèmes électriques locaux 5. Ainsi, chacun des trois réseaux de distribution électrique 6 à 8 connecte le système électrique principal 4 aux systèmes électriques locaux 5.

Le réseau de distribution électrique propulsif est destiné à alimenter les équipements de puissance importante, notamment les équipements liés au système propulsif. Ce réseau a le niveau de tension le plus élevé. Le réseau de distribution électrique propulsif est de préférence de type continu et d'un niveau de tension dépendant des puissances en jeu et qui peut être de l'ordre de plusieurs centaines de volts à plusieurs milliers de volts.

Le réseau de distribution électrique non propulsif est destiné à alimenter en électricité les équipements de puissance intermédiaire, c'est- à-dire principalement les équipements liés au système non propulsif désignés également comme des charges « avion ». De préférence, ce réseau est de type continu. Le réseau de distribution électrique non propulsif a un niveau de tension intermédiaire (par exemple 540 VDC) inférieur au niveau de tension du réseau de distribution électrique propulsif.

Le réseau de distribution électrique basse tension est destiné à alimenter en électricité les charges de faible puissance des turbomachines ou de l'avion. Ce réseau est typiquement de type continu, et par exemple de l'ordre de 28 VDC.

Le système électrique principal 4 de l'aéronef 1 comprend deux sous-systèmes de base 10 et un sous-système de secours 11.

Chaque sous-système comprend une machine électrique auxiliaire 12 formant une première source électrique et un stockeur d'énergie 13 associé à un convertisseur continu-continu (DC/DC) 14 formant une seconde source électrique.

Le convertisseur DC/DC 14 permet de maintenir la tension constante du côté réseau malgré une variation importante du côté stockeur 13 et permet d'assurer la charge du stockeur 13 si cette source d'énergie est une batterie par exemple.

Le stockeur d'énergie 13 et son convertisseur DC/DC 14 peut être mutualisé pour les besoins d'hybridation de la turbomachine et les besoins pour les charges non propulsives ou bien ségrégé en deux parties pour en dédier une partie aux charges non propulsives et une partie à l'hybridation par exemple à l'aide de deux stockeurs d'énergie et deux convertisseurs DC/DC.

Chaque sous-système de base 10 comprend un boîtier de distribution électrique basse tension 15 raccordé au réseau de distribution électrique basse tension 7, un boîtier de distribution électrique propulsif 16 raccordé au réseau de distribution électrique propulsif 8 et un boîtier de distribution électrique non propulsif 17 raccordé au réseau de distribution électrique non propulsif 6.

Les boîtiers de distribution électrique 15 à 17 de chaque sous- système de base 10 assurent les interconnexions entre les sources électriques de l'aéronef disponibles comme par exemple les machines électriques auxiliaires 12 et les stockeurs d'énergies 13 du système électrique principal 4, les sous-systèmes électriques 10 et 11, les systèmes électriques locaux 5, et les charges non propulsives 18 et les charges basse tension 22 du système électrique principal 4.

Le boîtier de distribution électrique non propulsif 17 de chaque sous-système électrique de base 10 est électriquement raccordé à la machine électrique auxiliaire 12 via un convertisseur alternatif-continu (AC/DC) 19.

Chaque sous-système électrique de base 10 comprend en outre un premier convertisseur DC/DC 20 couplé entre le boîtier de distribution électrique propulsif 16 et le boîtier de distribution électrique non propulsif 17, et un second convertisseur DC/DC 21 couplé entre le boîtier de distribution électrique non propulsif 17 et le boîtier de distribution électrique basse tension 15. L'énergie fournie par la machine électrique auxiliaire 12 peut ainsi être transférée au boîtier de distribution électrique propulsif 16 via le premier convertisseur DC/DC 20 et au boîtier de distribution électrique basse tension 15 via le second convertisseur DC/DC 21 pour alimenter les charges basse tension 22 du système électrique principal 4.

Le premier convertisseur DC/DC 20 est bidirectionnel afin de pouvoir transférer de l'énergie électrique dans les deux sens entre le boîtier de distribution électrique propulsif 16 et le boîtier de distribution électrique non propulsif 17, c'est-à-dire entre le réseau de distribution électrique propulsif 8 et le réseau de distribution électrique non propulsif 6. Le second convertisseur DC/DC 21 en revanche est unidirectionnel en courant.

Dans une variante, le convertisseur AC/DC 19 peut être couplé entre la machine électrique auxiliaire 12 et le boîtier de distribution électrique propulsif 16, l'énergie délivrée par la machine électrique auxiliaire 12 pouvant être transférée au boîtier de distribution électrique non propulsif 17 via le premier convertisseur DC/DC 20, puis au boîtier de distribution électrique basse tension 15 via le second convertisseur DC/DC 21.

La machine électrique auxiliaire 12 est mécaniquement liée au groupe auxiliaire de puissance. La machine électrique auxiliaire 12 et le convertisseur AC/DC 19 associé assure le démarrage du groupe auxiliaire de puissance et alimente les charges non propulsives 18 du système électrique principal 4, dites « charges avion », mais peut également fournir de la puissance complémentaire sur le réseau de distribution électrique propulsif 8.

Chaque sous-système électrique de base 10 comprend également une prise électrique 23 permettant le raccordement d'une source électrique externe pour assurer l'alimentation des différentes charges de l'aéronef 1 et des moteurs 3 lorsqu'aucune source électrique interne à l'aéronef 1 n'est disponible.

Le sous-système de secours 11 comprend un boîtier de distribution électrique de secours basse tension 24 raccordé au réseau de distribution électrique basse tension 7 et un boîtier de distribution électrique de secours non propulsif 25 raccordé au réseau de distribution électrique non propulsif 6. Les boîtiers de distribution électrique de secours 24 et 25 alimentent uniquement les charges de secours basse tension 26 et les charges de secours non propulsives 27 du système électrique principal 4.

Les boîtiers de distribution électrique de secours 24 et 25 sont alimentés par l'une des machines électriques 12 et l'un des stockeurs d'énergie 13 des deux sous-systèmes de base 10 lorsqu'au moins l'une de ces sources électrique est disponible. Les boîtiers de distribution électrique de secours assurent ainsi les interconnexions entre les sources électriques du système électrique principal 4 disponibles et les charges de secours 26 et 27. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure unique, le sous-système de secours comprend également un générateur de secours supplémentaire 28 électriquement raccordé au boîtier de distribution électrique de secours non propulsif 25 qui est électriquement couplé au boîtier de distribution électrique de secours basse tension 24 via un convertisseur DC/DC 29 unidirectionnel pour alimenter le boîtier de distribution électrique de secours basse tension 24.

Le générateur de secours supplémentaire 28 peut être entraîné par un moyen d'entraînement tel qu'une machine électrique auxiliaire 12 par exemple si le besoin de puissance est significatif, ou une éolienne de secours, ou « ram air turbine » en anglais, si la puissance requise est limitée.

Dans une variante, le générateur de secours supplémentaire 28 peut être remplacée par une autre source de bord avec une liaison directe au boîtier de distribution électrique de secours non propulsif 25, c'est-à- dire sans passer par un des boîtiers de distribution électrique 15 à 17 d'un sous-système de base 10. L'autre source de bord peut être un des stockeurs d'énergie 13 ou une partie de ces stockeurs, ou bien une des machines électriques auxiliaires 12.

Chaque système électrique local 5 comprend une première machine électrique 31 mécaniquement couplée à un arbre basse pression de la turbomachine 3 soit directement soit par le biais d'une boîte de réduction, c'est-à-dire d'un système d'engrenages, et une seconde machine électrique 32 mécaniquement couplée à un arbre haute pression de la turbomachine 3 soit directement soit par le biais d'une boîte de réduction, c'est-à-dire d'un système d'engrenages.

Dans une variante, chaque système électrique local 5 peut comprendre deux secondes machines électriques mécaniquement couplées à un arbre haute pression, ou bien une machine électrique comportant deux stators indépendants associés à deux convertisseurs AC/DC, ou encore une machine électrique comportant un seul stator associé à deux convertisseurs AC/DC.

Chaque système électrique local 5 comprend en outre un stockeur d'énergie 45 associé à un convertisseur électrique continu- continu 46. Les première et seconde machines électriques 31 et 32 des systèmes électriques locaux 5 forment une première source électrique de l'aéronef tandis que les stockeurs d'énergie 45 associé à leur convertisseur continu-continu 46 forment une seconde source électrique de l'aéronef.

Chaque système électrique local 5 comprend en outre un boîtier de distribution électrique local basse tension 33 raccordé au réseau de distribution électrique basse tension 7, un boîtier de distribution électrique local propulsif 34 raccordé au réseau de distribution électrique propulsif 8, et un boîtier de distribution électrique local non propulsif 35 raccordé au réseau de distribution électrique non propulsif 6.

Les boîtiers de distribution électrique locaux 33 à 35 assurent, avec les boîtiers de distribution électrique 15 à 17 des sous-systèmes de base 10, les interconnexions entre les sources électriques disponibles des turbomachines 3 ou de corps 2 de l'aéronef, telles que les machines électriques 12, 31 et 32 et les stockeurs d'énergie 13 et 45, et les interconnexions entre les charges locales propulsives 36, non propulsives 37 et basse tension 38 du système électrique local 5, ou avec les charges 18, 22, 26 et 27 du système électrique principal 4.

Les boîtiers de distribution électrique de secours 24 et 25 peuvent être également alimentés par l'une des machines électriques 31 32 des systèmes électrique locaux lorsqu'au moins l'une de ces sources électrique est disponible.

Chaque système électrique local 5 comprend également deux convertisseurs de puissance AC/DC réversibles 39 et 40 raccordés respectivement entre la première machine électrique 31 et le boîtier de distribution électrique local propulsif 34 et entre la seconde machine électrique 32 et le boîtier de distribution électrique local propulsif 34. Les convertisseurs de puissance AC/DC 39 et 40 sont configurés pour piloter les turbomachines 3 pendant les phases d'injection de puissance ou les phases de fonctionnement en mode moteur, comme la phase de démarrage et pour assurer la régulation de la tension du réseau de distribution électrique propulsif 8 pendant les phases de génération.

Chaque système électrique local 5 comprend également une prise électrique 41 permettant de faire tourner la turbomachine 3 à basse vitesse par exemple sans démarrer la turbomachine 3, à l'aide d'un outillage au sol. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure unique, la prise électrique 41 est couplée au boîtier de distribution électrique local propulsif 34 via un convertisseur AC/DC 42 pour le cas où la source électrique externe couplée à la prise électrique n'est pas continue.

Chaque système électrique local 5 comprend également un premier convertisseur DC/DC 43 unidirectionnel couplé entre le boîtier de distribution électrique local propulsif 34 et les charges locales propulsives 36 pour alimenter les charges locales propulsives à partir du réseau de distribution électrique propulsif 8, et un second convertisseur DC/DC 44 unidirectionnel entre le boîtier de distribution électrique local propulsif 34 et le boîtier de distribution électrique local basse tension 33 pour alimenter les charges locales basse tension 38 du système électrique local 5.

Chaque système de distribution électrique local 5 comprend une unité électronique de commande locale 50 configurée pour commander l'alimentation des charges locales 36 à 38 de la turbomachine 3 en fonction des sources électriques disponibles 12, 13, 31, 32 et 45 de l'aéronef 1.

Chaque sous-système électrique de base 10 comprend une unité électronique de commande de base 51 configurée pour commander l'alimentation des charges 18 et 22 du sous-système de base 10 en fonction des sources électriques disponibles 12, 13, 31, 32 et 54 de l'aéronef 1.

Enfin, chaque sous-système électrique de secours 11 comprend une unité électronique de commande de secours 52 configurée pour commander l'alimentation des charges de secours 26 et 27 en fonction des sources électriques disponibles 12, 13, 28, 31, 32 et 45 de l'aéronef 1.

L'invention offre ainsi un système électrique interfacé avec l'aéronef et la (ou les) turbomachine(s) permettant de fournir ou de prélever une puissance contrôlée avec une ou plusieurs machines électriques sur les arbres haute pression et basse pression de la turbomachine, assurer la compatibilité de l'ensemble de ces fonctions liées à la propulsion avec les fonctions de fournitures d'autre besoins énergétiques, et assurer une gestion optimisée de l'ensemble de ces prélèvements et fournitures d'énergies avec différentes sources d'énergies et moyens de stockage d'énergie en fonction d'un profil de mission. L'architecture électrique offre une certaine souplesse supplémentaire grâce à la possibilité donnée de prélever et d'injecter de l'énergie selon le mode de fonctionnement, ce qui permet de réduire la puissance embarquée au niveau de l'aéronef.