CA3279909C - Hybrid powered aircraft having an electromechanical distribution and protection junction - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un aéronef comprenant : - des groupes d'entraînement, - au moins unebatterie (B1,...,BM) des groupes d'entraînement, - au moins une source de génération électrique reliée à chaque batterie (B1,...,BM) et comprenant au moins un convertisseur électrique (E1,...,EN), et - une commande d'alimentation pour commander chaque source de génération électrique en fonction des besoins en puissance des groupes d'entraînement et pour traiter chaque batterie (B1,...,BM) de manière passive. Chaque convertisseur électrique (E1,...,EN) est relié à chaque batterie (B1,...,BM) via une jonction (102) respective incluant deux contacteurs ou relais électromécaniques et une diode. Chaque jonction (102) peut fonctionner exclusivement selon un état unidirectionnel dans lequel le courant circule du convertisseur électrique (E1,...,EN) vers la batterie (B1,...,BM), un état bidirectionnel et un état bloquant.

Description

Description Titre : Aeronef a source d’energie hybride et a jonction electromecanique de distribution et de protection Le domaine de I’invention se rapporte aux aeronefs, et plus particulierement aux aeronefs a motorisation electrique.

L’aeronautique connaTt actuellement de nombreuses evolutions liees aux contraintes environnementales, et notamment a I’exigence de reduction progressive des emissions de gaz a effets de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2). A ce titre, le developpement d’aeronefs a motorisation electrique apparait comme un reel progres.

L’architecture classique d’un aeronef a motorisation electrique integre au moins une source de generation electrique agencee pour alimenter des blocs de batteries- ou « battery packs » en anglais lesquels fournissent une puissance a des groupes d’entramement en fonction de leurs besoins.

Par exemple, dans le cas d’un avion a decollage et atterrissage verticaux electrique (aussi connu sous I’acronyme anglophone eVTOL pour « electric Vertical Take-Off and Landing »), les batteries sont combinees a des groupes d’entramement vertical et a des groupes d’entramement horizontal.

La multiplication des batteries permet notamment de repondre a des normes de securite imposant une redondance des composants pour garantir une continuity du vol et de l’atterrissage- ou « continued safe flight and landing » en anglais.

En particulier, dans le cas d’un aeronef a source d’energie hybride, la source de generation electrique comprend un generateur d’energie electrique a combustible, par exemple un turbomoteur ou une pile a combustible.

Le circuit d’alimentation des batteries peut etre configure de sorte que les batteries sont branchees les unes aux autres en parallele.

Un tel circuit est alors muni d’un systeme de protection par separation pour isoler les batteries les unes des autres en cas de defaillance, et notamment de court-circuit. L’activation d’unCA 3279909 WO 2024/153883 2 PCT/FR2024/050058 tel systeme de protection entraine toutefois une perte significative de puissance due a I’isolation d’une des batteries.

Une solution possible pour eviter la propagation d’une defaillance a I’ensemble des batteries tout en limitant I’eventuelle perte de puissance consiste a separer directement les batteries et a organiser Ie circuit d’alimentation en consequence.

Cependant, un tel principe de separation se trouve contrarie dans Ie cas d’un aeronef a source d’energie hybride.

En effet, un aeronef a source d’energie hybride a ceci de particulier que les batteries sont en general plus nombreuses que les sources de generation electrique pour des raisons de redondance, ce qui implique de connecter les batteries entre elles via des sources de generation electrique partagees.

Une telle interconnexion constitue un point de defaillance commun entre des batteries alimentees par une meme source de generation electrique.

Par ailleurs, chaque batterie est generalement couplee a un convertisseur electrique, par exemple un onduleur ou un redresseur.

De ce fait, la multiplication des batteries, et done des convertisseurs electriques, a un impact important sur Ie poids de I’aeronef et done sur sa consommation d’energie electrique lors d’un vol.

La presente invention vient ameliorer la situation.

A ce titre, I’invention se rapporte a un aeronef a source d’energie hybride comprenant : - au moins deux groupes d’entraTnement comprenant chacun un propulseur et un moteur electrique, - au moins une source d’energie electrique stockee agencee pour fournir de I’energie electrique a un ou plusieurs des moteurs electriques, - au moins une source de generation electrique comprenant un generateur electrique a combustible et reliee a chaque source d’energie electrique stockee, et - une commande d’alimentation agencee pour emettre une commande de puissance a I’au moins une source de generation electrique en fonction desCA 3279909 WO 2024/153883 3 PCT/FR2024/050058 besoins en puissance des groupes d’entrafnement, I’au moins une source d’energie electrique stockee etant agencee pour fournir de I’energie electrique en fonction de la difference entre les besoins en puissance des groupes d’entraTnement et la puissance fournie par I’au moins une source de generation electrique sur la base de la commande de puissance, I’au moins une source de generation electrique etant en outre propre a recharger I’au moins une source d’energie electrique stockee de sorte que chaque source d’energie electrique stockee est traitee de maniere passive.

Chaque source de generation electrique comprend au moins un convertisseur electrique, lequel est relie a chaque source d’energie electrique stockee via une jonction respective incluant un premier contacteur ou relais electromecanique, un deuxieme contacteur ou relais electromecanique et une diode.

La commande d’alimentation est agencee pour commander Ie fonctionnement de chaque jonction selon un ensemble d’etats constitue de : un etat unidirectionnel dans lequel Ie courant circule du convertisseur electrique vers la source d’energie electrique stockee, un etat bidirectionnel dans lequel Ie courant circule dans les deux sens et un etat bioquant dans lequel la circulation du courant est bloquee.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, au moins une jonction comprend un circuit electrique au sein duquel Ie premier contacteur ou relais electromecanique est branche en serie avec la diode, laquelle presente un sens passant du convertisseur electrique vers la source d’energie electrique stockee, et Ie deuxieme contacteur ou relais electromecanique est branche en parallele avec Ie premier contacteur ou relais electromecanique et la diode.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, au moins une source d’energie electrique stockee est une batterie.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, les groupes d’entrafnement comprennent au moins un groupe d’entrafnement de decollage et au moins un groupe d’entraTnement de croisiere.

Par exemple, au moins un groupe d’entrafnement de decollage est un groupe d’entrafnement de decollage/atterrissage vertical et au moins un groupe d’entrafnement de croisiere est un groupe d’entrafnement horizontal.CA 3279909 WO 2024/153883 4 PCT/FR2024/050058 Dans un ou plusieurs modes de realisation, Ie generateur d’energie electrique a combustible d’au moins une source de generation electrique est un turbomoteur et chaque convertisseur electrique de la source de generation electrique est un convertisseur de courant alternatif-continu.

Le turbomoteur peut etre alimente par du carburant, du biocarburant ou de I’essence synthetique.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, le generateur d’energie electrique a combustible d’au moins une source de generation electrique est une pile a combustible et chaque convertisseur electrique de la source de generation electrique est un convertisseur de courant continu-continu.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, I’aeronef est agence pour fonctionner au moins selon un mode turbo dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraTnement necessitent une fourniture de puissance en provenance de I’au moins une source de generation electrique et de I’au moins une source d’energie electrique stockee, et dans lequel la commande d’alimentation commande chaque jonction selon I’etat unidirectionnel.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, I’aeronef est agence pour fonctionner au moins selon un mode economie d’energie dans lequel la commande d’alimentation commande chaque jonction selon I’etat bioquant.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, I’aeronef est agence pour fonctionner au moins selon un mode de charge dans lequel la commande d’alimentation emet une commande de puissance a I’au moins une source de generation electrique pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraTnement tout en chargeant I’au moins une source d’energie electrique stockee.

Typiquement, dans le mode de charge, la commande d’alimentation commande sequentiellement chaque jonction en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation etant agencee pour mettre en oeuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur electrique a une source d’energie electrique stockee respective, en commandant chaque jonction entre un convertisseur electrique et une source d’energie electrique stockee associes selon I’etat unidirectionnel et en commandant toute autre jonction selon I’etatCA 3279909 WO 2024/153883 5 PCT/FR2024/050058 bloquant, et ce jusqu’a ce que chaque source d’energie electrique stockee soit chargee.

Avantageusement, I’aeronef comprend une pluralite de sources d’energie electrique stockee et, dans Ie mode de charge, la commande d’alimentation commande sequentiellement chaque jonction en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation etant agencee pour mettre en oeuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur electrique a plusieurs sources d’energie electrique stockee respectives, en commandant chaque jonction entre un convertisseur electrique et une source d’energie electrique stockee associes selon I’etat bidirectionnel et en commandant toute autre jonction selon I’etat bloquant, et ce jusqu’a ce que chaque source d’energie electrique stockee soit chargee.

Dans un ou plusieurs modes de realisation, I’aeronef est agence pour fonctionner au moins selon un mode tampon dans lequel la commande d’alimentation emet une commande de puissance a I’au moins une source de generation electrique pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraTnement via I’au moins une source d’energie electrique stockee, et dans lequel la commande d’alimentation commande sequentiellement chaque jonction en une ou plusieurs phases d’alimentation, la commande d’alimentation etant agencee pour mettre en oeuvre chaque phase d’alimentation en associant chaque convertisseur electrique a une source d’energie electrique stockee respective, en commandant chaque jonction entre un convertisseur electrique et une source d’energie electrique stockee associes selon I’etat unidirectionnel et en commandant toute autre jonction selon I’etat bloquant, et ce jusqu’a ce que les besoins en puissance des groupes d’entraTnement soient satisfaits.

D’autres caracteristiques, details et avantages apparaTtront a la lecture de la description detaillee ci-apres, et a I’analyse des dessins annexes sur lesquels : [Fig. 1] represente une vue schematique de I’architecture electrique d’un aeronef selon I’invention comprenant une unique source de generation electrique, [Fig. 2] represente une vue schematique de I’architecture electrique d’un aeronef selon I’invention comprenant deux sources de generation electrique,CA 3279909 WO 2024/153883 6 PCT/FR2024/050058 [Fig. 3] illustre un circuit d’alimentation de batteries par des convertisseurs electriques via des jonctions au sein de l’architecture electrique d’un aeronef selon I’invention, [Fig. 4] illustre les etats possibles d’une jonction, [Fig. 5] illustre schematiquement Ie circuit electrique d’une jonction, [Fig. 6] illustre Ie circuit d’alimentation de la [Fig. 3] dans un mode de fonctionnement dit « mode turbo » de I’aeronef, [Fig. 7] illustre Ie mode turbo de la [Fig. 6] dans Ie cas ou une defaillance apparaTt au niveau d’une batterie, [Fig. 8] illustre Ie mode turbo de la [Fig. 6] dans Ie cas ou une defaillance apparait au niveau d’un convertisseur electrique, [Fig. 9] illustre Ie circuit d’alimentation de la [Fig. 3] dans un mode de fonctionnement dit « mode economie d’energie >> de I’aeronef, [Fig. 10] illustre Ie circuit d’alimentation de la [Fig. 3] dans un mode de fonctionnement dit « mode de charge » ou dans un mode de fonctionnement dit « mode tampon » de I’aeronef, et [Fig. 11] illustre Ie mode de charge ou Ie mode tampon de la [Fig. 10] dans un cas particulier.

La [Fig. 1] illustre un aeronef 2 comprenant une commande d’alimentation 4, une pluralite de groupes d’entraTnement 6, 8, 10, 12, 14 et 16, une pluralite de sources d’energie electrique stockee 18, 20, 22 et 24 ainsi qu’une source de generation electrique 26.

Typiquement, les deux groupes d’entraTnement 6 et 8 sont des groupes d’entraTnement de croisiere sollicites lors de la phase du vol situee entre Ie decollage et I’atterrissage, tandis que les quatre groupes d’entraTnement 10, 12, 14 et 16 sont des groupes d’entraTnement de decollage sollicites lors de la phase de decollage.

A titre d’exemple, I’aeronef 2 peut etre un avion a decollage et atterrissage verticaux electrique- ou eVTOL-, auquel cas les quatre groupes d’entraTnementCA 3279909 WO 2024/153883 7 PCT/FR2024/050058 de decollage 10, 12, 14 et 16 sont des groupes d’entraTnement vertical et les deux groupes d’entraTnement de croisiere 6 et 8 sont des groupes d’entraTnement horizontal.

Dans I’exemple illustre sur la [Fig. 1], Ie groupe d’entraTnement de croisiere 6 comprend un convertisseur de courant continu-alternatif 30, un moteur electrique 32 et un propulseur 34.

De meme, Ie groupe d’entraTnement de croisiere 8 comprend un convertisseur de courant continu-alternatif 38, un moteur electrique 40 et un propulseur 42.

Le convertisseur de courant continu-alternatif 30 (respectivement 38) peut aussi etre appele « onduleur >> - ou « inverter » dans la litterature anglophone - et est agence pour generer un courant alternatif a partir d’un courant continu.

Le propulseur 34 (respectivement 42), qui correspond par exemple a une helice, est agence pour permettre a I’aeronef 2 de se deplacer dans une direction sensiblement horizontale.

En regime de vol, le propulseur 34 (respectivement 42) consomme une puissance de I’ordre de 150 kilowatts (kW).

Le groupe d’entraTnement de croisiere 6 (respectivement 8) est relie en entree a un commutateur 36 (respectivement 44) qui permet de relier cette entree a la sortie du groupe d’entraTnement de decollage 10 (respectivement 14) ou a celle du groupe d’entraTnement de decollage 12 (respectivement 16).

Le groupe d’entraTnement de decollage 10 (respectivement 12, 14 et 16) comprend une helice 46 (respectivement 50, 54 et 58) entraTnee par un moteur electrique 62 (respectivement 66, 70 et 74) et une helice 48 (respectivement 52, 56 et 60) entraTnee par un moteur electrique 64 (respectivement 68, 72 et 76).

Dans le cadre de I’invention, les helices 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 et 60 sont considerees comme des propulseurs, au meme titre que les propulseurs 34 et 42.

Les moteurs electriques 62 et 64 (respectivement 66 et 68, 70 et 72, 74 et 76) sont respectivement alimentes par des convertisseurs de courant continualternatif 78 et 80 (respectivement 82 et 84, 86 et 88, 90 et 92).

Les convertisseurs de courant continu-alternatif 78 et 80 (respectivement 82 et 84,CA 3279909 WO 2024/153883 8 PCT/FR2024/050058 86 et 88, 90 et 92) sont relies a un bus electrique du groupe d’entraTnement de decollage 10 (respectivement 12, 14 et 16).

La source d’energie electrique stockee 18 (respectivement 20, 22 et 24) est agencee pour stacker de I’energie electrique afin d’en fournir au groupe d’entraTnement de decollage 10 (respectivement 12, 14 et 16) en fonction des besoins en puissance de celui-ci.

Par ailleurs, les sources d’energie electrique stockee 18 et 20 (respectivement 22 et 24) sont egalement agencees pour fournir de I’energie electrique au groupe d’entraTnement de croisiere 6 (respectivement 8) via Ie commutateur 36 (respectivement 44).

Pour ce faire, la source d’energie electrique stockee 18 (respectivement 20, 22 et 24) est reliee, par Ie bus electrique du groupe d’entraTnement de decollage 10 (respectivement 12, 14 et 16), aux convertisseurs de courant continu-alternatif 78 et 80 (respectivement 82 et 84, 86 et 88, 90 et 92).

Par ailleurs, Ie bus electrique de chacun des groupes d’entraTnement de decollage 10 et 12 (respectivement 14 et 16) est relie a une sortie respective de ces derniers a laquelle peut etre selectivement relie Ie commutateur 36 (respectivement 44).

La source d’energie electrique stockee 18 (respectivement 20, 22 et 24) est typiquement un bloc de batteries- ou « battery packs » en anglais -, c’est-a-dire de batteries d’accumulateurs electriques destines chacun au stockage d’energie electrique.

En variante, les sources d’energie electrique stockee 18, 20, 22 et 24 peuvent etre des supercondensateurs ou une combinaison de batteries et de supercondensateurs.

Dans la suite de la description, par souci de concision, la source d’energie electrique stockee 18 (respectivement 20, 22 et 24) est appelee batterie 18 (respectivement 20, 22 et 24).

Typiquement, les batteries 18, 20, 22 et 24 delivrent ensemble une puissance de I’ordre de 800 kilowatts (kW) a 100% de leurs capacites respectives.

La source de generation electrique 26 est agencee pour generer de I’energie electrique et alimenter chacune des batteries 18, 20, 22 et 24.

Pour ce faire, la source de generation electrique 26 presente plusieurs bus electriques de distribution.CA 3279909 WO 2024/153883 9 PCT/FR2024/050058 Dans I’exemple de la [Fig. 1], la source de generation electrique 26 est reliee a une premiere entree et a une deuxieme entree de chacun des groupes d’entraTnement de decollage 10, 12, 14 et 16 respectivement via un premier bus electrique de distribution et un deuxieme bus electrique de distribution.

Les bus electriques de distribution permettent de relier chaque groupe d’entraTnement de decollage 10, 12, 14 et 16 a la batterie respectivement associee 18, 20, 22 et 24.

Dans I’exemple de la [Fig. 1], la source de generation electrique 26 comprend deux convertisseurs electriques 94 et 96 ainsi qu’un generateur d’energie electrique a combustible 98.

Plus particulierement ici, les convertisseurs electriques 94 et 96 sont des convertisseurs de courant alternatif-continu tandis que Ie generateur d’energie electrique a combustible 98 est un turbomoteur, par exemple un generateur a turbine - ou turbogenerateur.

Le convertisseur de courant alternatif-continu 94 est relie aux premieres entrees respectives des groupes d’entraTnement de decollage 10, 12, 14 et 16.

Ainsi, le convertisseur de courant alternatif-continu 94 definit le point de depart de chaque premier bus electrique de distribution reliant la source de generation electrique 26 respectivement aux premieres entrees des groupes d’entraTnement de decollage 10, 12, 14 et 16.

De meme, le convertisseur de courant alternatifcontinu 96 est relie aux deuxiemes entrees respectives des groupes d’entraTnement de decollage 10, 12, 14 et 16.

Ainsi, le convertisseur de courant alternatif-continu 96 definit le point de depart de chaque deuxieme bus electrique de distribution reliant la source de generation electrique 26 respectivement aux deuxiemes entrees des groupes d’entraTnement de decollage 10, 12, 14 et 16.

Le convertisseur de courant alternatif-continu 94 (respectivement 96) peut aussi etre appele « redresseur » - ou « rectifier » dans la litterature anglophone - et est agence pour generer un courant continu a partir d’un courant alternatif.

Typiquement, le turbomoteur 98 peut delivrer une puissance de I’ordre de 300 kilowatts (kW) a 100% de sa capacite.

II doit etre note que la source de generation electrique 26 peut fonctionner aussi bien a courant continu qu’a courant alternatif, auquel cas les convertisseur 94 etCA 3279909 WO 2024/153883 10 PCT/FR2024/050058 96 sont, selon Ie cas, des convertisseurs de courant alternatif-continu ou des convertisseurs de courant continu-continu - ou « DC-to-DC converter » dans la litterature anglophone.

La source de generation electrique 26 peut ainsi etre basee sur un turbomoteur alimente par un reservoir de carburant conventionnel, de biocarburant ou d’essence synthetique (aussi connue sous Ie terme anglophone « synthetic fuel » ou « synfuel »).

Dans un tel cas, les convertisseurs electriques 94 et 96 sont des convertisseurs de courant alternatif-continu.

En variante, la source de generation electrique 26 peut etre basee sur une source d’energie a base d’hydrogene, comme une pile a combustible.

Dans un tel cas, les convertisseurs electriques 94 et 96 sont des convertisseurs de courant continu-continu.

Dans Ie cadre de I’invention, de telles sources d’energie sont considerees comme des generateurs d’energie electrique a combustible.

La commande d’alimentation 4 est un appareil basse tension agence pour commander, d’une part, la source de generation electrique 26 et, d’autre part, les commutateurs 36 et 44, ainsi que divers elements de protection non representes sur la [Fig. 1].

L’architecture electrique de I’aeronef 2 permet d’avoir une reelle hybridation des batteries 18, 20, 22 et 24, et non une simple juxtaposition.

Ainsi, selon les besoins en puissance, les batteries 18, 20, 22 et 24 et la source de generation electrique 26 peuvent fonctionner de concert.

Les batteries 18, 20, 22 et 24 sont des batteries conventionnelles dont Ie fonctionnement est regi par un systeme de controle classique (plus connu sous Ie sigle anglophone BMS pour « Battery Management System >>).

Un tel systeme permet de realiser des fonctions telles que la surveillance de parametres - tension, temperature, etat de charge, etat de sante, etc. -, la prevention de tout risque de sortie de la plage de fonctionnement prevue - surtension, surintensite, surchauffe, etc. - ou encore I’optimisation des capacites de la batterie.

Dans Ie contexte de I’invention, aucune autre intelligence, notamment logicielle ou materielle, n’est necessaire.

Par consequent, les batteries 18, 20, 22 et 24 sont traitees de maniere passive dans Ie sens ou leur integration ne requiert aucuneCA 3279909 WO 2024/153883 11 PCT/FR2024/050058 adaptation particuliere en dehors de la maniere, detaillee ci-apres, dont les batteries 18, 20, 22 et 24 sont reliees aux convertisseurs electriques 94 et 96.

Du point de vue du reste de I’architecture electrique de l’aeronef 2, les batteries 18, 20, 22 et 24 sont vues comme de simples tampons d’energie - au sens ici du terme anglophone « buffer ».

Cela va a rencontre des solutions existantes dans lesquelles : soit un element est specifiquement prevu pour optimiser Ie fonctionnement des batteries et joue un role de commande, soit un element est prevu pour compenser une eventuelle defaillance des batteries, mais en alternance exclusive, c’est-a-dire sans que les batteries et cet element soient susceptibles de fonctionner simultanement.

Dans Ie mode de realisation illustre sur la [Fig. 1], l’aeronef 2 comprend une unique source de generation electrique, a savoir la source de generation electrique 26.

Toutefois, il doit etre compris ici que l’aeronef 2 peut comprendre une pluralite de sources de generation electrique.

A titre d’exemple, la [Fig. 2] represente un mode de realisation dans lequel l’aeronef 2 comprend deux sources de generation electrique 26 et 28.

La source de generation electrique 26 (respectivement 28) comprend un convertisseur electrique 94 (respectivement 96) et un generateur electrique a combustible 98 (respectivement 100).

Dans I’exemple de la [Fig. 2], Ie generateur electrique a combustible 98 (respectivement 100) est un turbomoteur et Ie convertisseur electrique 94 (respectivement 96) est un convertisseur de courant alternatif-continu.

Typiquement, les generateurs electriques a combustible 98 et 100 peuvent chacun delivrer une puissance de I’ordre de 150 kilowatts (kW) a 100% de leurs capacites respectives.

La encore, chacune des sources de generation electrique 26 et 28 peut etre basee sur un turbomoteur alimente par un reservoir de carburant conventionnel, de biocarburant ou d’essence synthetique.

En variante, une source d’energie alimentee par un reservoir d’hydrogene, comme une pile a combustible, peut etre utilisee.

L’architecture electrique globale de l’aeronef 2 a ete decrite en reference a la [Fig. 1] eta la [Fig. 2],CA 3279909 WO 2024/153883 12 PCT/FR2024/050058 Comme detaille precedemment, l’aeronef 2 comprend au moins une source de generation electrique-une unique source de generation electrique 26 sur la [Fig. 1], deux sources de generation electrique 26 et 28 sur la [Fig. 2] - agencee pour alimenter une ou plusieurs sources d’energie electrique stockee - quatre batteries 18, 20, 22 et 24 sur la [Fig. 1] et la [Fig. 2].

L’aeronef 2 est un aeronef a source d’energie hybride et comprend generalement a ce titre plus de batteries que de sources de generation electrique.

Par ailleurs, Ie point de depart de chaque bus electrique de distribution de chaque source de generation electrique est defini par un convertisseur electrique - ici les convertisseurs de courant alternatif-continu 94 et 96- de sorte que Ie nombre de convertisseurs electriques est reduit et que Ie poids de l’aeronef 2 s’en trouve allege.

En d’autres termes, les convertisseurs electriques sont au niveau des sources de generation electrique et non au niveau des batteries.

A titre d’illustration, les architectures electriques respectivement representees sur la [Fig. 1] et la [Fig. 2] ne comprennent que deux convertisseurs electriques 94 et 96 pour quatre batteries 18, 20, 22 et 24.

Toutefois, cet avantage relatif au poids de l’aeronef 2 a une contrepartie : les batteries 18, 20, 22 et 24 sont connectees entre elles via la ou les sources de generation electrique 26 et 28.

Par consequent, tout court-circuit survenant au niveau d’une source de generation electrique ou d’une batterie est susceptible de se propager.

Pour resoudre ce problems, la Demanderesse propose Ie circuit d’alimentation represente sur la [Fig. 3].

Dans la suite de la description, on s’interesse desormais a la maniere dont les convertisseurs electriques sont relies aux batteries.

La [Fig. 3] illustre un circuit d’alimentation d’une ou plusieurs sources d’energie electrique stockee B1,...,BM par un ou plusieurs convertisseurs electriques E1,...,EN.

Ici, M est un entier naturel non nul correspondant au nombre de sources d’energie electrique stockee tandis que N est un entier naturel non nul correspondant au nombre de convertisseurs electriques.CA 3279909 WO 2024/153883 13 PCT/FR2024/050058 On comprend que Ie circuit d’alimentation decrit ici est une generalisation de la partie de I’architecture electrique de la [Fig. 1] ou de la [Fig. 2] relative aux convertisseurs electriques 94 et 96 et aux batteries 18, 20, 22 et 24.

Ainsi, en prenant M = 4 et N = 2, on retrouve la meme configuration que celle de la [Fig. 1] ou de la [Fig. 2], les sources d’energie electrique stockee B1, B2, B3 et B4 correspondant respectivement aux batteries 18, 20, 22 et 24 ; les convertisseurs electriques E1 et E2 correspondant respectivement aux convertisseurs electriques 94 et 96.

Par souci de concision, les source d’energie electrique stockee B1,...,BM sont respectivement appelees batteries B1,...,BM ci-apres. II doit etre note qu’il est possible qu’un seul convertisseur electrique soit present dans I’architecture electrique de I’aeronef 2, auquel cas N = 1.

Sans perte de generality, on considere dans la suite de la description qu’il y a une pluralite de convertisseurs electriques E1,...,EN et une pluralite de batteries B1,...,BM.

Comme illustre sur la [Fig. 3], chaque convertisseur electrique E1,...,EN est relie a chaque batterie B1,...,BM par une jonction 102 respective.

Par consequent, Ie circuit d’alimentation comprend autant de jonctions qu’il y a de paires possibles formees d’un convertisseur electrique E1,...,EN et d’une batterie B1,...,BM, soit NxM jonctions 102.

Comme illustre sur la [Fig. 4], la jonction 102 est agencee pour fonctionner exclusivement selon trois etats possibles : un etat unidirectionnel, un etat bidirectionnel et un etat bioquant.

Plus specifiquement, Ie fonctionnement de chaque jonction 102 est pilote par la commande d’alimentation 4.

Dans I’etat unidirectionnel, la jonction 102 permet au courant de circuler du convertisseur electrique vers la batterie.

Bien entendu, Ie courant ne peut alors pas circuler dans Ie sens oppose, c’est-a-dire de la batterie vers Ie convertisseur electrique.

Dans I’etat bidirectionnel, la jonction 102 permet au courant de circuler dans les deux sens, a savoir du convertisseur electrique vers la batterie mais aussi de la batterie vers Ie convertisseur electrique.CA 3279909 WO 2024/153883 14 PCT/FR2024/050058 Enfin, dans I’etat bioquant, la jonction 102 bloque la circulation du courant, dans un sens comme dans I’autre.

II doit etre compris ici que la jonction 102 ne peut fonctionner que selon ces trois etats.

En particulier, la commande d’alimentation 4 ne peut pas commander la jonction 102 pour fonctionner dans un etat dans lequel Ie courant ne pourrait circuler que de la batterie vers Ie convertisseur electrique.

La jonction 102 comprend un premier contacteur, un deuxieme contacteur et une diode.

La [Fig. 5] illustre un mode de realisation de la jonction 102.

Le premier contacteur 104 est branche en serie avec la diode 106.

La diode 106 est disposee de sorte que le sens passant va du convertisseur electrique vers la batterie.

Le deuxieme contacteur 108 est branche en parallele avec le premier contacteur 104 et la diode 106.

La jonction 102 est dans I’etat unidirectionnel lorsque le premier contacteur 104 est ferme et que le deuxieme contacteur 108 est ouvert.

La jonction 102 est dans I’etat bidirectionnel lorsque le premier contacteur 104 et le deuxieme contacteur 108 sont fermes.

La jonction 102 est dans I’etat bioquant lorsque le premier contacteur 104 et le deuxieme contacteur 108 sont ouverts.

La position - ouverte ou fermee - de chacun des contacteurs 104 et 108 est controlee par la commande d’alimentation 4.

En variante, chacun des contacteurs 104 et 108 peut etre remplace par un relais electromecanique.

Comme detaille ci-apres, le circuit d’alimentation propose, et notamment (’utilisation des jonctions 102, s’adapte aussi bien au fonctionnement nominal de I’aeronef 2 qu’en cas de defaillance, c’est-a-dire lorsqu’une batterie au moins est indisponible ou lorsqu’un convertisseur electrique au moins est indisponible.

La [Fig. 6] illustre un mode de fonctionnement de I’aeronef 2 - ou mode turbo - dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraTnement, et plus exactement de leurs moteurs electriques respectifs, sont tres eleves au point que les batteries B1,...,BM et la ou les sources de generation electrique, done lesCA 3279909 WO 2024/153883 15 PCT/FR2024/050058 convertisseurs electriques E1,...,EN, sont sollicitees au maximum de leurs capacites.

La commande d’alimentation 4 commande alors chaque jonction 102 pour fonctionner selon I’etat unidirectionnel.

Ainsi, chaque convertisseur electrique E1,...,EN alimente chaque batterie B1,...,BM.

En cas de defaillance, parexemple un court-circuit, au niveau d’une des batteries B1,...,BM, celle-ci ne peut se propager aux autres batteries B1 BM puisque Ie courant genere par un court¬ circuit est bloque par chaque jonction 102 a laquelle est reliee la batterie defaillante. II en est de meme dans Ie cas ou la defaillance apparait au niveau d’un convertisseur electrique : Ie courant genere par un court-circuit ne peut circuler d’une batterie vers Ie convertisseur electrique defaillant.

Dans un cas comme dans I’autre, la commande d’alimentation 4 peut ensuite isoler I’element defaillant.

Pour ce faire, la commande d’alimentation 4 commande les jonctions 102 reliees a I’element defaillant pour les faire passer de I’etat unidirectionnel a I’etat bioquant.

Dans Ie cas, illustre sur la [Fig. 7], ou une defaillance apparait au niveau de la batterie B1, la commande d’alimentation 4 isoIe la batterie B1 en faisant passer toutes les jonctions 102 via lesquelles les convertisseurs electriques E1,...,EN sont relies a la batterie B1 de I’etat unidirectionnel a I’etat bioquant.

Par ailleurs, etant donne qu’une batterie, ici la batterie B1, n’est plus alimentee, I’energie electrique qui lui etait originellement destinee peut etre distribute aux autres batteries, ici les batteries B2,...,BM.

On comprend que Ie circuit d’alimentation est suffisamment flexible pour mettre en oeuvre une allocation dynamique de la puissance et ainsi fournir de I’energie electrique a une batterie dont les besoins sont plus eleves que ceux des autres.

Dans Ie cas, illustre sur la [Fig. 8], ou une defaillance apparait au niveau du convertisseur electrique E1, la commande d’alimentation 4 isoIe Ie convertisseur electrique E1 en faisant passer toutes les jonctions 102 via lesquelles Ie convertisseur electrique E1 est relie aux batteries B1,...,BM de I’etat unidirectionnel a I’etat bioquant.CA 3279909 WO 2024/153883 16 PCT/FR2024/050058 La [Fig. 9] ilIustre un mode de fonctionnement de I’aeronef 2 - ou mode economie d’energie - dans lequel aucune puissance n’est requise de la part de la ou des sources degeneration electrique, done des convertisseurs electriques E1,...,EN.

La commande d’alimentation 4 commande alors chaque jonction 102 pour fonctionner selon I’etat bioquant.

En cas de defaillance, par exemple un court¬ circuit, au niveau d’une des batteries B1,...,BM ou d’un des convertisseurs electriques E1,...,EN, celle-ci ne peut se propager puisque Ie courant genere par un court-circuit est bloque par chaque jonction 102.

La [Fig. 10] illustre un mode de fonctionnement de I’aeronef 2 - ou mode de charge - dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraTnement, et plus exactement de leurs moteurs electriques respectifs, sont faibles au point que les convertisseurs electriques E1,...,EN alimentent les groupes d’entraTnement en energie electrique via les batteries B1,...,BM tout en chargeant ces dernieres.

Pour ce faire, chaque convertisseur electrique E1,...,EN est respectivement associe a une batterie parmi les batteries B1,...,BM.

La commande d’alimentation 4 commande alors chaque jonction 102 de sorte que la jonction 102 entre un convertisseur electrique et la batterie qui lui est associee soit dans I’etat unidirectionnel, et que les autres jonctions 102 - e’esta-dire chaque jonction 102 entre un convertisseur electrique et une batterie qui ne sont pas associes- soient dans I’etat bioquant.

Lorsque les N batteries associees chacune a un convertisseur electrique sont chargees, les convertisseurs electriques E1,...,EN, se voient tous attribuer une nouvelle batterie a charger et ainsi de suite.

Les batteries B1,...,BM sont ainsi sequentiellement chargees N a la fois au maximum par phase de charge - ou iteration.

Bien entendu, un convertisseur electrique E1,...,EN peut ne pas etre associe a une nouvelle batterie si Ie nombre de batteries restant a charger est strictement inferieur au nombre de convertisseurs electriques.

La [Fig. 10] illustre ainsi une iteration dans laquelle Ie convertisseur electrique E1 est associe a la batterie B1 et dans laquelle Ie convertisseur electrique EN est associe a la batterie BM.CA 3279909 WO 2024/153883 17 PCT/FR2024/050058 Si M est divisible par N, alors Ie nombre d’iterations necessaires pour charger I’ensemble des batteries B1,...,BM est de M/N.

En revanche, si M n’est pas divisible par N, Ie nombre d’iterations necessaires pour charger I’ensemble des batteries B1,...,BM est de [M/NJ+1, ou [-J est la fonction partie entiere.

Pour la derniere iteration, done pour charger un nombre de batteries egal au reste de la division euclidienne de M par N, il est possible d’utiliser tous les convertisseurs electriques afin de charger les batteries restantes plus rapidement.

La selection, a chaque iteration, des N batteries a charger peut dependre des niveaux de charge respectifs des batteries B1,...,BM, par exemple pour donner la priorite aux batteries dont Ie niveau de charge est Ie plus faible ou, a I’inverse, aux batteries dont Ie niveau de charge est Ie plus eleve.

Par ailleurs, la [Fig. 10] illustre egalement un autre mode de fonctionnement de I’aeronef 2 - ou mode tampon - dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraTnement, et plus exactement de leurs moteurs electriques respectifs, sont faibles, mais dans lequel les batteries B1,...,BM n’ont pas besoin d’etre chargees.

Les batteries B1,...,BM sont traitees de maniere passive, comme des tampons d’energie.

En d’autres termes, la puissance fournie par les convertisseurs electriques E1,...,EN transite simplement par les batteries B1,...,BM pour alimenter les groupes d’entraTnement.

D’une maniere similaire au mode de charge, la commande d’alimentation 4 met en oeuvre une ou plusieurs phases d’alimentation - ou iterations. A chaque iteration, chaque convertisseur electrique E1,...,EN est respectivement associe a une batterie parmi les batteries B1,...,BM.

La commande d’alimentation 4 commande alors chaque jonction 102 de sorte que la jonction 102 entre un convertisseur electrique et la batterie a laquelle il est associe soit dans I’etat unidirectionnel, et que les autres jonctions 102 - e’est-a-dire les jonctions 102 respectives entre un convertisseur electrique et les batteries auxquelles il n’est pas associe- soient dans I’etat bioquant.

Le mode tampon s’acheve lorsque les besoins en puissance des groupes d’entraTnement sont satisfaits.CA 3279909 WO 2024/153883 18 PCT/FR2024/050058 Dans I’exemple de la [Fig. 10], chaque convertisseur electrique est successivement associe a une batterie.

Toutefois, il est possible aussi d’associer, a chaque iteration, plusieurs batteries a chaque convertisseur electrique.

Ainsi, dans Ie cas illustre sur la [Fig. 11], chacun des convertisseurs electriques E1,...,EN est respectivement associe a un nombre P de batteries, ou P est un entier naturel superieur ou egal a 2.

En I’occurrence, Ie convertisseur electrique E1 est associe aux P premieres batteries, a savoir les batteries B1,...,BP, tandis que Ie convertisseur electrique EN est associe aux P dernieres batteries, a savoir les batteries BM-P+1,...,BM.

La commande d’alimentation 4 commande alors chaque jonction 102 de sorte que la jonction 102 entre un convertisseur electrique et une batterie qui lui est associee soit dans I’etat bidirectionnel, et que les autres jonctions 102 - c’est-adire chaque jonction 102 entre un convertisseur electrique et une batterie qui ne sont pas associes - soient dans un etat bioquant.

Ainsi, dans I’exemple de la [Fig. 11], la jonction 102 entre chacune des batteries B1,...,BP et Ie convertisseur electrique E1 est dans I’etat bidirectionnel.

De meme, la jonction 102 entre chacune des batteries BM-P+1,...,BM et Ie convertisseur electrique EN est dans I’etat bidirectionnel.

En revanche, la jonction 102 entre chacune des batteries B1,...,BP et les convertisseurs electriques autres que E1 est dans I’etat bioquant.

De meme, la jonction 102 entre chacune des batteries BM-P+1,...,BM et les convertisseurs electriques autres que EN est dans I’etat bioquant.

En d’autres termes, si on considers une batterie donnee, celle-ci est reliee aux N convertisseurs electriques E1 EN via N jonctions 102 respectives et, dans Ie cas de la [Fig. 11], ces N jonctions 102 sont commandees par la commande d’alimentation 4 comme suit : la jonction 102 entre la batterie donnee et Ie convertisseur electrique associe est dans I’etat bidirectionnel, tandis que les N-1 autres jonctions 102 sont dans I’etat bioquant.

Dans Ie mode de charge de I’aeronef 2, Ie mode de realisation de la [Fig. 11] presente I’avantage de reduire Ie temps de charge.CA 3279909 WO 2024/153883 19 PCT/FR2024/050058 L’etat bidirectionnel des jonctions 102 entre un convertisseur electrique et les P batteries auxquelles il est associe permet d’obtenir un flux croise - ou « cross¬ flow » en anglais - entre ces P batteries de maniere a ce qu’elles ne soient vues par Ie convertisseur electrique associe que comme une seule et unique batterie. 5 La consequence de la bidirectionnalite est que toute defaillance, par exemple un court-circuit, qui se produit au niveau d’une batterie se propage aux P-1 autres batteries associees au meme convertisseur electrique.

Get effet est toutefois circonscrit aux P batteries et ne se propage pas aux autres batteries du fait de l’etat bioquant des jonctions 102 par lesquelles ces autres batteries sont reliees 10 au convertisseur electrique auquel est associee la batterie defaillante.

La configuration des jonctions 102 illustree sur la [Fig. 11] peut egalement s’appliquer au mode tampon, et pas seulement au mode de charge.

Claims

Revendications [Revendication 1] Aéronef (2) à source d’énergie hybride comprenant : - au moins deux groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) comprenant chacun un propulseur (34, 42, 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58, 60) et un moteur électrique (32, 40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76), - une pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) agencée pour fournir de l’énergie électrique à un ou plusieurs des moteurs électriques (32, 40, 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76), - au moins une source de génération électrique (26, 28) comprenant un générateur électrique à combustible (98, 100) et reliée à chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et - une commande d’alimentation (4) agencée pour émettre une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique (26, 28) en fonction des besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16), la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) étant agencée pour fournir de l’énergie électrique en fonction de la différence entre les besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) et la puissance fournie par l’au moins une source de génération électrique (26, 28) sur la base de la commande de puissance, l’au moins une source de génération électrique (26, 28) étant en outre propre à recharger la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) de sorte que chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) est traitée de manière passive, ledit aéronef (2) étant caractérisé en ce que chaque source de génération électrique (26, 28) comprend au moins un convertisseur électrique (94, 96), lequel est relié à chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) via une jonction (102) respective incluant un premier contacteur (104) ou relais électromécanique, un deuxième contacteur (108) ou relais électromécanique et une diode (106), et en ce que la commande d’alimentation (4) est agencée pour commander le fonctionnement de chaque jonction (102) selon un ensemble d’états constitué de : un état unidirectionnel dans lequel le courant circule du convertisseur électrique (94, 96) vers la source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), un état bidirectionnel dans lequel le courant circule dans les deux sens et un état bloquant dans lequel la circulation du courant est bloquée. 21 [Revendication 2] L’aéronef (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’au moins une jonction (102) comprend un circuit électrique au sein duquel le premier contacteur (104) ou relais électromécanique est branché en série avec la diode (106), laquelle présente un sens passant du convertisseur électrique (94, 96) vers la source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et le deuxième contacteur (108) ou relais électromécanique est branché en parallèle avec le premier contacteur (104) ou relais électromécanique et la diode (106). [Revendication 3] L’aéronef (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu’au moins une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) est une batterie. [Revendication 4] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) comprennent au moins un groupe d’entraînement de décollage (10, 12, 14, 16) et au moins un groupe d’entraînement de croisière (6, 8). [Revendication 5] L’aéronef (2) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu’au moins un groupe d’entraînement de décollage (10, 12, 14, 16) est un groupe d’entraînement de décollage/atterrissage vertical et au moins un groupe d’entraînement de croisière (6, 8) est un groupe d’entraînement horizontal. [Revendication 6] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur d’énergie électrique à combustible (98, 100) d’au moins une source de génération électrique (26, 28) est un turbomoteur et en ce que chaque convertisseur électrique (94, 96) de ladite source de génération électrique (26, 28) est un convertisseur de courant alternatif-continu. [Revendication 7] L’aéronef (2) selon la revendication 6, caractérisé en ce que le turbomoteur est alimenté par du carburant, du biocarburant ou de l’essence synthétique. [Revendication 8] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le générateur d’énergie électrique à combustible (98, 100) d’au moins une source de génération électrique (26, 28) est une pile à combustible et en ce que chaque convertisseur électrique (94, 96) de ladite source de génération électrique (26, 28) est un convertisseur de courant continu-continu. [Revendication 9] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode turbo dans lequel les besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) 22 nécessitent une fourniture de puissance en provenance de l’au moins une source de génération électrique (26, 28) et de la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et dans lequel la commande d’alimentation (4) commande chaque jonction (102) selon l’état unidirectionnel. [Revendication 10] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode économie d’énergie dans lequel la commande d’alimentation (4) commande chaque jonction (102) selon l’état bloquant. [Revendication 11] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode de charge dans lequel la commande d’alimentation (4) émet une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique (26, 28) pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) tout en chargeant la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24). [Revendication 12] L’aéronef (2) selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans le mode de charge, la commande d’alimentation (4) commande séquentiellement chaque jonction (102) en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation (4) étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur électrique (94, 96) à une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) respective, en commandant chaque jonction (102) entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) associés selon l’état unidirectionnel et en commandant toute autre jonction (102) selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) soit chargée. [Revendication 13] L’aéronef (2) selon la revendication 11, caractérisé en ce que, dans le mode de charge, la commande d’alimentation (4) commande séquentiellement chaque jonction (102) en une ou plusieurs phases de charge, la commande d’alimentation (4) étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase de charge en associant chaque convertisseur électrique à plusieurs sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) respectives, en commandant chaque jonction (102) entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) associés selon l’état bidirectionnel et en commandant toute autre jonction (102) selon 23 l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que chaque source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) soit chargée. [Revendication 14] L’aéronef (2) selon l’une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu’il est agencé pour fonctionner au moins selon un mode tampon dans lequel la commande d’alimentation (4) émet une commande de puissance à l’au moins une source de génération électrique (26, 28) pour satisfaire aux besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) via la pluralité de sources d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24), et dans lequel la commande d’alimentation (4) commande séquentiellement chaque jonction (102) en une ou plusieurs phases d’alimentation, la commande d’alimentation (4) étant agencée pour mettre en œuvre chaque phase d’alimentation en associant chaque convertisseur électrique (94, 96) à une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) respective, en commandant chaque jonction (102) entre un convertisseur électrique et une source d’énergie électrique stockée (18, 20, 22, 24) associés selon l’état unidirectionnel et en commandant toute autre jonction (102) selon l’état bloquant, et ce jusqu’à ce que les besoins en puissance des groupes d’entraînement (6, 8, 10, 12, 14, 16) soient satisfaits.