FR3153777A1 - Architecture électrique à piles à combustibles alimentant un réseau propulsif et un réseau non-propulsif ; aéronef la comportant. - Google Patents

Architecture électrique à piles à combustibles alimentant un réseau propulsif et un réseau non-propulsif ; aéronef la comportant. Download PDF

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Abstract

Architecture électrique pour véhicule, comprenant un réseau électrique propulsif (10L, 10R) et un réseau électrique non propulsif (20), le réseau électrique propulsif comprenant au moins un premier ensemble de pile à combustible (30L, 30R) et un moteur électrique de propulsion (1L, 1R) relié au premier ensemble de pile à combustible comprenant au moins une première pile à combustible (31L, 31R) et des premiers équipements électriques auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R), le réseau électrique non-propulsif comprenant un deuxième ensemble de pile à combustible (40L, 40R) comprenant au moins une deuxième pile à combustible (41L, 41R) et des deuxièmes équipements électriques auxiliaires (42L, 42R). L’architecture comprend au moins une unité électronique de pilotage reliée aux ensembles de piles à combustible (30L, 30R, 40L, 40R) pour commander ceux-ci sélectivement dans deux phases de démarrage et une phase de fonctionnement nominal. Aéronef comprenant une telle architecture. FIGURE DE L’ABREGE : Fig. 1

Description

Architecture électrique à piles à combustibles alimentant un réseau propulsif et un réseau non-propulsif ; aéronef la comportant.
La présente invention concerne le domaine des architectures électriques à pile à combustible dans le domaine des transports et plus particulièrement dans l’aéronautique.
ARRIERE PLAN DE L’INVENTION
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions, mais aussi à ceux en circulation, nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. Dans le but d’améliorer l'efficacité énergétique des avions, la Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre pour réduire l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion…
Dans ce but, il a été envisagé de remplacer, dans les avions, les moteurs thermiques de propulsion par des moteurs électriques de propulsion connectés à une pile à combustible alimentée en dihydrogène.
On rappelle qu’une pile à combustible comprend au moins un générateur électrochimique, un premier dispositif d’alimentation du générateur électrochimique en dihydrogène, un deuxième dispositif d’alimentation du générateur électrochimique en dioxygène, et un dispositif d’évacuation, hors du générateur électrochimique, de l’eau et de la chaleur produites. Le générateur électrochimique comporte deux électrodes à savoir une anode sur laquelle se produit une oxydation du dihydrogène qui est un combustible réducteur et une cathode sur laquelle se produit une réduction du dioxygène qui est un oxydant de sorte qu’entre les deux électrodes est engendré un transfert de charges électriques.
Il est généralement prévu :
  • un premier réseau électrique, dit propulsif, dédié à la propulsion de l’avion et comprenant la pile à combustible ; et
  • un deuxième réseau électrique, dit non-propulsif, dédié aux équipements électriques de bord non-propulsifs (ordinateurs et autres calculateurs, actionneurs de commande de vol, appareils de communication…).
En vol, la pile à combustible alimente à la fois les moteurs électriques de propulsion, les organes auxiliaires de la pile à combustible qui sont nécessaires au fonctionnement de la pile à combustible (compresseur d’air, recirculation d’hydrogène, refroidissement de la pile), et les équipements de bord non-propulsifs. Cependant, il est également nécessaire d’alimenter les équipements de bord non-propulsifs préalablement au démarrage de la pile à combustible et d’alimenter les organes auxiliaires de la pile en combustible pour permettre son démarrage. A cette fin, le réseau électrique non-propulsif comprend une batterie qui est rechargée par la pile à combustible une fois celle-ci démarrée.
Un inconvénient de ce système est que le réseau électrique non-propulsif est généralement un réseau électrique basse tension, typiquement 28 V, alors que la pile à combustible comporte des composants de puissance nécessitant une tension plus élevée. Il faut donc prévoir des convertisseurs de tension qui sont relativement lourds et qui ne servent qu’au démarrage.
En outre, la liaison électrique du réseau électrique non-propulsif avec la partie de puissance du réseau électrique propulsif fait naître un risque important d’une propagation de panne entre ces deux réseaux électriques. Il est également nécessaire que les deux réseaux ne se perturbent pas l’un l’autre.
OBJET DE L’INVENTION
L’invention a notamment pour but de fournir une architecture électrique pour un véhicule à pile à combustible remédiant au moins en partie aux inconvénients précités.
A cet effet, on prévoit, selon l’invention une architecture électrique pour véhicule, comprenant un réseau électrique propulsif et un réseau électrique non propulsif. Le réseau électrique propulsif comprend au moins un premier ensemble de pile à combustible et un moteur électrique de propulsion relié au premier ensemble de pile à combustible comprenant au moins une première pile à combustible et des premiers équipements électriques auxiliaires. Le réseau électrique non-propulsif comprend un deuxième ensemble de pile à combustible comprenant au moins une deuxième pile à combustible et des deuxièmes équipements électriques auxiliaires. L’architecture comprend au moins un élément de connexion/déconnexion entre le réseau électrique non propulsif et les premiers équipements auxiliaires et au moins une unité électronique de pilotage reliée aux ensembles de piles à combustible et à l’élément de connexion/déconnexion et agencée pour commander ceux-ci sélectivement : dans une première phase de démarrage dans lequel l’élément de connexion/déconnexion est dans un état bloquant et les deuxièmes équipements électriques auxiliaires sont alimentés pour démarrer le deuxième ensemble de pile à combustible ; dans une deuxième phase de démarrage dans laquelle l’élément de connexion/déconnexion est dans un état passant et le deuxième ensemble de pile à combustible alimente les premiers équipements auxiliaires pour démarrer le premier ensemble de pile à combustible ; puis dans une phase de fonctionnement nominal dans laquelle le premier ensemble de pile à combustible est autoalimenté et alimente le réseau électrique propulsif.
Ainsi, l’architecture comprend une première pile à combustible pour alimenter le réseau propulsif et une deuxième pile à combustible pour alimenter le réseau non-propulsif. Le réseau non-propulsif consommant moins de puissance que le réseau propulsif, la deuxième pile à combustible est moins puissante que la première pile à combustible. Néanmoins, la deuxième pile à combustible assure, outre l’alimentation du réseau électrique non-propulsif, une deuxième fonction à savoir l’alimentation des équipements électriques auxiliaires de la première pile à combustible pour permettre le démarrage de la première pile à combustible.
Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison :
  • le réseau électrique non-propulsif comprend une batterie alimentant les deuxièmes équipements électriques auxiliaires pendant la première phase de démarrage ;
  • le réseau électrique non propulsif comprend une prise externe de puissance pour alimenter les deuxièmes équipements électriques auxiliaires pendant la première phase de démarrage ;
  • ladite au moins une unité électronique de pilotage est agencée pour commander l’arrêt du moteur électrique de propulsion lors de la deuxième phase de démarrage et commander ultérieurement son alimentation lors de la phase de fonctionnement nominal ;
  • un convertisseur de tension est disposé entre la deuxième pile à combustible du deuxième ensemble de pile à combustible et les premiers équipements électriques auxiliaires de telle manière que le deuxième ensemble de pile à combustible alimente les premiers équipements auxiliaires via le convertisseur de tension lors de la deuxième phase de démarrage ;
  • les équipements électriques auxiliaires de chaque ensemble de pile à combustible comprennent au moins un premier moteur électrique auxiliaire mécaniquement relié à un deuxième organe de circulation de fluide disposé dans un circuit de combustible et un deuxième moteur électrique auxiliaire mécaniquement relié à un premier organe de circulation de fluide disposé dans un circuit d’oxygène ; les moteurs électriques auxiliaires étant électriquement reliés à une barre d’interconnexion interne à laquelle est également relié le premier élément de connexion/déconnexion ; de préférence, les équipements électriques auxiliaires de chaque ensemble de pile à combustible comprennent un troisième moteur électrique auxiliaire mécaniquement relié à un organe de gestion de refroidissement et électriquement relié à la barre d’interconnexion interne ;
  • le réseau électrique propulsif comprend une barre d’interconnexion reliée au premier ensemble de pile à combustible, à la barre d’interconnexion interne et au moteur électrique de propulsion ;
  • le réseau électrique non-propulsif comprend une barre d’interconnexion reliée à la deuxième de pile à combustible, aux deuxième équipements électriques auxiliaires et à l’élément de connexion/déconnexion.
L’invention concerne également un aéronef équipé d’une telle architecture.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers et non limitatifs de l’invention.
Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :
FIG. 1laFIG. 1est une vue schématique d’une architecture électrique d’avion bimoteur selon un premier mode de réalisation de l’invention ;
FIG. 2laFIG. 2est une vue schématique d’une architecture électrique d’avion bimoteur selon un deuxième mode de réalisation de l’invention ;
FIG. 3laFIG. 3est une représentation temporelle montrant la séquence d’échange de signaux lors du démarrage.
 DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
En référence à laFIG. 1, l’invention est ici décrite en application à un avion A comprenant un moteur électrique de propulsion 1L gauche entraînant en rotation une hélice 2L gauche, un moteur électrique de propulsion 1R droit entraînant en rotation une hélice 2R droite, un réseau électrique propulsif 10L gauche, un réseau électrique propulsif 10R droit, et un réseau électrique non propulsif 20. On a compris que les lettres L et R désignent les composants associés respectivement à la partie gauche et à la partie droite de l’avion A, cette notation étant conservée dans la suite de la description.
Le réseau électrique propulsif 10L relie électriquement un circuit électronique de puissance 3L du moteur électrique de propulsion 1L à des bornes d’une première pile à combustible 30L gauche. Le réseau électrique propulsif 10R relie électriquement un circuit électronique de puissance 3R du moteur électrique de propulsion 1R à des bornes d’une première pile à combustible 30R droite.
Chaque pile à combustible 30L et 30R comprend une pluralité de générateurs électrochimiques 31L et 31R reliés entre eux en série/parallèle, et des équipements électriques auxiliaires comprenant un premier dispositif d’alimentation 32L et 32R des générateurs électrochimiques 31L et 31R en dihydrogène, un deuxième dispositif d’alimentation 33L et 33R des générateurs électrochimiques 31L et 31R en dioxygène, et un dispositif de gestion 34L et 34R de la chaleur produites dans les générateurs électrochimiques 31L et 31R.
Chaque générateur électrochimique 31L et 31R comporte deux électrodes à savoir une anode pour produire une oxydation du dihydrogène et une cathode pour produire une réduction du dioxygène de sorte qu’entre les deux électrodes soit engendré un transfert de charges électriques créant une différence de potentiel aux bornes des générateurs électrochimiques 31L et 31R.
Le premier dispositif d’alimentation 32L et 32R comprend un premier moteur électrique auxiliaire 322L, 322R entraînant une pompe 321L, 321R. Le premier moteur électrique auxiliaire 322L, 322R a un circuit électronique de puissance 323L, 323R relié à une barre d’interconnexion interne 35L, 35R de la pile à combustible 30L, 30R. La pompe 321L, 321R du dispositif d’alimentation 32L, 32R est positionnée dans un circuit de dihydrogène qui est relié à un réservoir de dihydrogène sous pression non représenté et alimente les générateurs électrochimiques 31L et 31R du côté de l’anode. La pompe 321L, 321R permet de faire une recirculation du dihydrogène dans le circuit de dihydrogène. Le circuit de dihydrogène est connu en lui-même et peut également comprendre un filtre, un réchauffeur, un humidificateur, un séparateur, des vannes, des capteurs…
Le deuxième dispositif d’alimentation 33L et 33R comprend un deuxième moteur électrique auxiliaire 332L, 332R entrainant un compresseur 331L, 331R. Le deuxième moteur électrique auxiliaire 332L, 332R a un circuit électronique de puissance 333L, 333R relié à la barre d’interconnexion interne 35L, 35R. Le compresseur 331L, 331R du dispositif d’alimentation 32L, 32R est positionné dans un circuit d’air qui comprend une prise d’air extérieur et alimente les générateurs électrochimiques 31L et 31R du côté de la cathode. Le compresseur 331L, 331R permet un contrôle de la pression et du débit d’air introduit dans les générateurs électrochimiques 31L et 31R, cette pression et ce débit conditionnant les performances des piles à combustible 30L et 30R. Le circuit d’air est connu en lui-même et peut également comprendre un filtre, un réchauffeur, un humidificateur, un séparateur, des vannes, des capteurs…
Le dispositif de gestion 34L et 34R comprend un troisième moteur électrique auxiliaire 342L, 342R entraînant une pompe 341L, 341R. Le troisième moteur électrique auxiliaire 342L, 342R a un circuit électronique de puissance 343L, 343R relié à la barre d’interconnexion interne 35L, 35R. La pompe 341L, 341R du dispositif de gestion 34L, 34R est agencée pour faire circuler un liquide caloporteur dans les piles à combustible 30L et 30R vers des échangeurs de chaleur afin de limiter l’échauffement des piles à combustible 30L et 30R.
La première pile à combustible 30L, 30R comprend en outre un circuit de commande interne qui est relié au circuit de commande du réseau électrique propulsif pour alimenter les composants électroniques de calcul, de commande et de détection de la première pile à combustible 30L, 30R.
Le réseau électrique propulsif 10L, 10R comprend ici une barre d’interconnexion 11L, 11R qui est reliée via des dispositifs de connexion/déconnexion électrique 12L, 12R aux piles à combustible 30L, 30R, aux circuits électroniques de puissance 3L, 3R et à la barre d’interconnexion interne 35L, 35R. On utilise ici le terme barre d’interconnexion pour désigner tout conducteur électrique permettant de transporter de l’énergie électrique. Le réseau électrique propulsif 10L, 10R est sous une tension continue de 500 à 1000 V lorsque la première pile à combustible 30L, 30R est en fonctionnement stabilisé. Le réseau électrique propulsif 10L, 10R comprend aussi une barre d’interconnexion 13L, 13R alimentant les organes nécessaires au fonctionnement du réseau électrique propulsif 10L, 10R et notamment des calculateurs, des capteurs, un bus de communication…
Le réseau électrique non-propulsif 20 comprend une barre d’interconnexion 21L gauche et une barre d’interconnexion 21R droite qui sont reliées entre elles via un dispositif de connexion/déconnexion électrique 22. Le réseau électrique non-propulsif 20 est sous une tension continue comprise entre 28 V et 270 V.
La barre d’interconnexion 21L est également reliée à une deuxième pile à combustible 40L et au circuit de commande interne 13L à chaque fois via un dispositif de connexion/déconnexion électrique 22L. La deuxième pile à combustible 40L a une structure identique à celle de la première pile à combustible 30L, 30R et comprend des générateurs électrochimiques 41L et des équipements auxiliaires électriques symbolisés en 42L. Les générateurs électrochimiques 41L sont reliés à la barre d’interconnexion 21L via un convertisseur de tension 23L et un élément de connexion/déconnexion 22L’. Les équipements auxiliaires électriques 42L sont reliés à une barre d’interconnexion elle-même reliée à la barre d’interconnexion 21L par un élément d’interconnexion 22L’. On comprend que la deuxième pile à combustible 40L diffère toutefois de la première pile à combustible 30L, 30R par la puissance fournie, et plus précisément que la deuxième pile à combustible 40L est dimensionnée pour fournir une puissance moindre que la première pile à combustible 30L, 30R.
La barre d’interconnexion 21R est également reliée à une deuxième pile à combustible 40R et au circuit de commande interne 13R à chaque fois via un dispositif de connexion/déconnexion électrique 22R. La deuxième pile à combustible 40R a une structure identique à celle de la première pile à combustible 30L, 30R et comprend des générateurs électrochimiques 41R et des équipements auxiliaires électriques symbolisés en 42R. Les générateurs électrochimiques 41R sont reliés à la barre d’interconnexion 21R via un convertisseur de tension 23R et un élément de connexion/déconnexion 22R’. Les équipements auxiliaires électriques 42R sont reliés à une barre d’interconnexion elle-même reliée à la barre d’interconnexion 21R par un élément d’interconnexion 22R’. On comprend que la deuxième pile à combustible 40R diffère de la première pile à combustible 30L, 30R par la puissance fournie, et plus précisément que la deuxième pile à combustible 40R est dimensionnée pour fournir une puissance moindre que la première pile à combustible 30L, 30R.
La barre d’interconnexion 21L est en outre reliée via un dispositif de connexion/déconnexion électrique 22 à une barre d’interconnexion externe 25 elle-même reliée à une prise de puissance externe 26 via un contacteur 22 et à une batterie 50 via un dispositif de connexion/déconnexion électrique 22.
L’architecture électrique selon l’invention comprend en outre des unités électroniques de commande qui sont reliées à une unité de commande avionique 1000 de l’aéronef A pour former ensemble une unité électronique de pilotage de l’architecture électrique de l’aéronef A. L’unité de commande avionique 1000 est connue en elle-même et agencée pour superviser et coordonner le fonctionnement de l’ensemble des équipements de l’aéronef A à partir des ordres du pilote de l’aéronef A, des signaux des capteurs auxquels elle est directement reliée, et des signaux échangés avec les équipements eux-mêmes. Chaque unité électronique de commande comprend par exemple un processeur et une mémoire contenant des programmes exécutables par le processeur.
Les unités électroniques de commande comprennent :
  • une unité centrale de commande non-propulsive 60 de l’ensemble du réseau non-propulsif 20 ;
  • une unité dédiée de commande non-propulsive 61L de la deuxième pile à combustible 41L de la partie gauche du réseau non-propulsif 20 ;
  • une unité dédiée de commande non-propulsive 61R de la deuxième pile à combustible 41R de la partie droite du réseau non-propulsif 20 ;
  • une unité dédiée de commande 70L du réseau propulsif gauche 10L ;
  • une unité dédiée de commande propulsive 70R du réseau propulsif droit 10R.
L’unité de commande avionique 1000 est reliée :
  • aux dispositifs de connexion/déconnexion électrique 22 pour commander l’alimentation de la barre d’interconnexion 21L, 21R (et aussi de l’unité de commande non-propulsive 60) par la batterie 50 ou la prise de puissance extérieure 26 ;
  • aux unités de commande 60, 61L, 61R, 70L, 70R pour émettre des ordres à destination de celles-ci et recevoir des signaux d’état en provenance de celles-ci.
L’unité centrale de commande 60 est reliée :
  • aux dispositifs de connexion/déconnexion électrique 22L, 22R pour raccorder les différents composants du réseau électrique non-propulsif 20 à la barre d’interconnexion 21L, 21R et pour raccorder la barre d’interconnexion 13L, 13R à la barre d’interconnexion 21L, 21R ;
  • aux dispositifs de connexion/déconnexion électrique 22L, 22R reliant les barres d’interconnexion 21L, 21R aux unités dédiées de commande non-propulsive 61L, 61R pour commander leur alimentation.
L’unité centrale de commande 60 est plus particulièrement destinée à la commande du réseau non-propulsif 20.
Les unités dédiées de commande non propulsive 61L, 61R sont reliées aux équipements auxiliaires des deuxièmes piles à combustible 41L, 41R pour piloter ceux-ci sélectivement dans deux modes, à savoir un mode de démarrage et un mode nominal.
L’unité de commande propulsive 70L est reliée aux dispositifs de connexion/déconnexion électrique 12L, et aux différents composants pilotables du réseau électrique propulsif 10L, dont les équipements auxiliaires de la première pile à combustible 30L, pour piloter ceux-ci sélectivement dans deux modes, à savoir un mode de démarrage et un mode nominal.
L’unité de commande propulsive 70R est reliée aux dispositifs de connexion/déconnexion électrique 12R, et aux différents composants pilotables du réseau électrique propulsif 10R, dont les équipements auxiliaires de la première pile à combustible 30R, pour piloter ceux-ci sélectivement dans deux modes, à savoir un mode de démarrage et un mode nominal.
Comme précédemment indiqué, l’unité de commande avionique 1000 est destinée à la commande de l’ensemble du système en mode de démarrage et à la coordination des unités électroniques de commande 60, 61L, 61R, 70L, 70R lors de la phase de démarrage.
Dans la description qui suit du fonctionnement de l’architecture en mode de démarrage et en mode nominal, on s’intéresse uniquement à la partie gauche de l’architecture. Evidemment, ce fonctionnement est le même pour la partie droite.
Le mode de démarrage comprend deux phases de démarrage et le mode de fonctionnement nominal comprend ici une unique phase de fonctionnement nominal.
Plus précisément, les éléments de connexion/déconnexion 22, 22L sont sélectivement commandés par l’unité de commande avionique 1000 et l’unité centrale de commande non-propulsive 60 :
  • dans une première phase de démarrage dans laquelle les deuxièmes équipements électriques auxiliaires 42L sont alimentés pour démarrer la deuxième pile à combustible 40L ;
  • dans une deuxième phase de démarrage dans laquelle la deuxième pile à combustible 40L alimente les premiers équipements auxiliaires 32L, 33L, 34L pour démarrer la première pile à combustible 30L ;
  • puis dans une phase de fonctionnement nominal dans laquelle la première pile à combustible 30L est autoalimenté et alimente le réseau électrique propulsif 10L.
Dans la première phase de démarrage, l’unité de commande avionique 1000 commande, dans un état passant, les éléments de connexion 22 reliant la batterie 50 à la barre d’interconnexion 21L et l’unité centrale de commande non-propulsive 60 et l’unité dédiée de commande non-propulsive 61L commandent, dans un état passant, l’élément de connexion 22L’ reliant les équipements électriques auxiliaires 42L à la barre d’interconnexion 21L (les autres éléments de connexion/déconnexion sont à l’état bloquant). Il en résulte que :
  • les équipements électriques auxiliaires 42L sont alors sous tension ;
  • le démarrage de la deuxième pile à combustible 40L débute.
Une fois la deuxième pile à combustible 40L démarrée, c’est-à-dire dans un mode de fonctionnement stable ou autoalimenté, l’unité de commande avionique 1000 entame une seconde séquence de démarrage dans laquelle l’unité dédiée de commande non propulsive 61L commande dans un état passant l’élément de connexion/déconnexion 22L’ reliant les générateurs électrochimiques 41L de la deuxième pile à combustible 40L à la barre d’interconnexion 21L et l’unité centrale de commande non propulsive 60 commande dans un état passant les éléments de connexion/déconnexion 22L reliant la barre d’interconnexion 21L :
  • à la batterie 50,
  • à la barre de connexion interne 35L et au circuit interne de commande de la première pile à combustible 30L,
  • aux organes de commande du réseau électrique propulsif 10L via la barre d’interconnexion 13L.
C’est donc la deuxième pile à combustible 40L qui alimente ces différents éléments. Les autres éléments de connexion/déconnexion sont à l’état bloquant. Il en résulte que, dans la deuxième séquence de démarrage :
  • les équipements électriques auxiliaires de la première pile à combustible 30L sont alors sous tension ;
  • le démarrage de la première pile à combustible 30L débute.
Une fois la première pile à combustible 30L dans un état de fonctionnement stable, la première pile à combustible 30L est autoalimentée et alimente le réseau électrique propulsif 10L. L’unité de commande avionique 1000 commande la phase de fonctionnement nominal dans laquelle :
  • la barre d’interconnexion 13L est alimentée par l’énergie électrique produite par la première pile à combustible 30L ; et
  • la mise en rotation du moteur électrique de propulsion 1L est commandée ;
  • les éléments de connexion/déconnexion 22, 22L sont commandés dans l’un ou l’autre de leur état pour permettre éventuellement d’alimenter le réseau électrique non-propulsif 20 et éventuellement charger la batterie 50.
On note qu’en mode de démarrage, il est possible d’alimenter le réseau électrique non-propulsif 20 à partir de la prise extérieure de puissance 26 si l’aéronef se trouve dans un lieu équipé d’un réseau de distribution de puissance connectable à la prise extérieure de puissance 26.
En mode nominal, l’unité dédiée de commande non-propulsive 60L, 60R est agencée pour régler la quantité d’énergie prélevée par le réseau électrique non-propulsif 20 sur l’énergie produite par les deuxièmes piles à combustible 40L, 40R. On notera que, en mode nominal, la barre d’interconnexion 11L, 11R est complètement isolée électriquement de la barre d’interconnexion 21L, 21R : le réseau électrique non-propulsif 20 est dont électriquement ségrégué vis-à-vis du réseau électrique propulsif 10L, 10R ce qui limite le risque d’une propagation de panne.
De préférence en outre, les unités dédiées de commande propulsive 70L, 70R sont agencées pour commander les moteurs électriques de propulsion 1L, 1R à l’arrêt tant que l’unité centrale de commande non-propulsive 60 et les unités dédiées de commande non-propulsive 61L, 61R pilotent les deuxièmes piles à combustible 40L, 40R et le réseau non propulsif 20 en mode de démarrage. Ainsi, on évite de mettre les hélices 2L, 2G en rotation lorsque l’avion A est au parking et que des opérateurs se trouvent autour.
Pour la deuxième phase de démarrage, on peut piloter le convertisseur de tension 23L, 23R pour fournir la tension nécessaire à l’alimentation des équipements électriques auxiliaires des deuxièmes piles à combustible 30L, 30R. Alternativement, comme dans le deuxième mode de réalisation de laFIG. 2, on peut installer un convertisseur de tension 24L, 24R entre la barre d’interconnexion 21L, 21R et la barre d’interconnexion 35L, 35R et plus précisément entre la barre d’interconnexion 35L, 35R et l’élément de connexion/déconnexion 22L, 22R adjacent.
On a représenté sur laFIG. 3, la séquence d’échange des signaux entre les différentes unités électroniques de commande lors de l’initiation du mode de démarrage (sur batterie) puis lors du passage au mode nominal pour la partie gauche de l’architecture électrique. Evidemment, ce fonctionnement est le même pour la partie droite.
Le pilote commande la préparation du mode de démarrage à l’unité de commande avionique 1000 (les ordres du pilote sont représentés par une flèche en trait gras).
L’unité de commande avionique 1000 commande le raccordement de la batterie 50 à la barre d’interconnexion 21L alimentant l’unité centrale de commande non-propulsive 60.
L’unité centrale de commande non-propulsive 60 commande :
  • le raccordement de la barre d’interconnexion 13L à la barre d’interconnexion 21L pour alimenter l’unité de commande propulsive 70L ;
  • le raccordement de l’unité de commande non-propulsive 61L à la barre d’interconnexion 21L pour alimenter l’unité de commande non-propulsive 61L.
L’unité de commande propulsive 70L et l’unité de commande non-propulsive 61L renvoie un signal « ready » à l’unité de commande avionique 1000.
Le pilote envoie alors à l’unité de commande avionique 1000 un ordre d’initiation du mode de démarrage de la deuxième pile à combustible 40L.
L’unité de commande avionique 1000 envoie à chacune des unités de commande 60 et 61L un ordre de mise en mode démarrage et chacune des unités de commande 60 et 61L renvoie un signal « prêt au démarrage » à l’unité de commande avionique 1000.
Le pilote envoie alors à l’unité de commande avionique 1000 l’ordre de démarrer la deuxième pile à combustible 40L.
L’unité de commande avionique 1000 envoie à l’unité centrale de commande non-propulsive 60 un ordre de démarrage de la deuxième pile à combustible 40L. L’unité centrale de commande non-propulsive 60 commande à l’unité dédiée de commande non-propulsive 61L la connexion des équipements auxiliaires de la deuxième pile à combustible 40L à la barre d’interconnexion 21L et donc à la batterie 50.
L’unité dédiée de commande non-propulsive 61L renvoie à l’unité centrale de commande non-propulsive 60 un signal indiquant que la deuxième pile à combustible 40L est prête à s’auto-alimenter. L’unité centrale de commande non-propulsive 60 commande à l’unité dédiée de commande non-propulsive 61L le raccordement de la deuxième pile à combustible 40L au réseau électrique non-propulsif 20. L’unité centrale de commande non-propulsive 60 commande la déconnexion de la batterie 50 du réseau électrique non-propulsif 20.
Le pilote envoie alors à l’unité de commande avionique 1000 l’ordre de passer en mode de démarrage la première pile à combustible 30L.
L’unité de commande avionique 1000 envoie à chacune des unités de commande 60 et 70L un ordre de mise en mode démarrage et chacune des unités de commande 60 et 70L renvoie un signal « prêt au démarrage » à l’unité de commande avionique 1000.
Le pilote envoie alors à l’unité de commande avionique 1000 l’ordre de démarrer la première pile à combustible 30L.
L’unité de commande avionique 1000 envoie à l’unité centrale de commande non-propulsive 60 un ordre de démarrage de la première pile à combustible 30L et l’unité centrale de commande non-propulsive 60 commande la connexion du réseau propulsif 10L au réseau non-propulsif 20 pour raccorder les équipements auxiliaires de la première pile à combustible 30L à la barre d’interconnexion 21L et donc à la deuxième pile à combustible 40L.
L’unité dédiée de commande propulsive 70L renvoie à l’unité de commande avionique 1000 un signal indiquant que la première pile à combustible 30L est prête à s’auto-alimenter. L’unité centrale de commande non-propulsive 60 commande la déconnexion du réseau électrique propulsif 10L et du réseau électrique non-propulsif 20.
L’unité de commande propulsive 70L renvoie à l’unité de commande avionique 1000 un signal indiquant que l’hélice 2L est en rotation avec les pales en drapeau (l’hélice ne fournit alors pas de poussée ou qu’une poussée très faible). L’unité de commande avionique 1000 peut, sur ordre du pilote, commander l’alimentation du moteur électrique de propulsion 1L pour empêcher la rotation l’hélice 2L ou au contraire pour fournir une poussée.
Du côté de l’unité de commande propulsive 70L, on surveille la tension aux bornes du réseau électrique propulsif 10L et la présence de tension aux bornes des équipements auxiliaires de la première pile à combustible 30L. Lorsque la première pile à combustible 30L est en état de s’auto-alimenter, la première pile à combustible 30L est connectée au réseau électrique propulsif et l’hélice 2L peut être mise en rotation.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications.
En particulier, les chaînes de transmission de mouvement peuvent comprendre tout élément de transmission d’effort notamment un ou plusieurs des éléments de transmission de couple suivants : arbres, engrenages, renvois d’angle par exemple de type engrenages coniques ou joints de cardans, flexible, courroies, chaînes, embrayages, crabots, bielles-manivelles, limiteurs de couple…
Chaque ensemble de pile à combustible peut comprendre une ou plusieurs piles à combustible selon la puissance nécessaire. La pile à combustible peut être de structure différente de celle décrite et être par exemple adaptée à d’autres combustibles comme du biogaz, ne pas comprendre de pompe de circulation de dihydrogène (seule la pression du réservoir assurant la circulation du dihydrogène) ni de boîte de vitesses…
L’architecture peut comprendre une pile à combustible par moteur électrique de propulsion, ou une pile à combustible pour plusieurs moteurs électriques de propulsion, ou plusieurs piles à combustible pour un moteur électrique de propulsion.
L’architecture peut ne pas comprendre de prise extérieure de puissance ou de batterie dans certaines applications.
La barre d’interconnexion 13L, 13R de l’ensemble de piles à combustible 30L, 30R peut être reliée à une batterie.
Le premier dispositif d’alimentation 32L et 32R peut comprendre des organes auxiliaires différents de ceux décrits ou un nombre différent de chaque organe auxiliaire et par exemple un nombre différent de pompes, compresseurs, vannes…
Un ou plusieurs des moteurs électriques peuvent être des générateurs/moteurs ou toute machine électrique qui produit un couple mécanique lorsqu’elle est alimentée par une puissance électrique et une puissance électrique lorsqu’elle est entrainée en rotation.
Les unités électroniques de commande peuvent être regroupées ou subdivisées, ou leurs fonctions peuvent être réparties différemment, en fonction des applications ou des besoins.
En variante, on pourra prévoir que les premières piles à combustible 30L, 30R contribuent à l’alimentation du réseau électrique non-propulsif 20 en mode de fonctionnement nominal.
L’invention est applicable à tout type de véhicule utilisant au moins un moteur électrique de propulsion. Par moteur électrique de propulsion, on entend tout moteur produisant une force servant à déplacer le véhicule.

Claims (10)

  1. Architecture électrique pour véhicule, comprenant un réseau électrique propulsif (10L, 10R) et un réseau électrique non propulsif (20), le réseau électrique propulsif comprenant au moins un premier ensemble de pile à combustible (30L, 30R) et un moteur électrique de propulsion (1L, 1R) relié au premier ensemble de pile à combustible comprenant au moins une première pile à combustible (31L, 31R) et des premiers équipements électriques auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R), caractérisé en ce que le réseau électrique non-propulsif comprend un deuxième ensemble de pile à combustible (40L, 40R) comprenant au moins une deuxième pile à combustible (41L, 41R) et des deuxièmes équipements électriques auxiliaires (42L, 42R), et en ce que l’architecture comprend au moins un élément de connexion/déconnexion (22L, 22R) entre le réseau électrique non propulsif (20) et les premiers équipements auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R) et au moins une unité électronique de pilotage reliée aux ensembles de piles à combustible (30L, 30R, 40L, 40R) et à l’élément de connexion/déconnexion (22L, 22R) et agencée pour commander ceux-ci sélectivement : dans une première phase de démarrage dans lequel l’élément de connexion/déconnexion (22L, 22R) est dans un état bloquant et les deuxièmes équipements électriques auxiliaires (42L, 42R) sont alimentés pour démarrer le deuxième ensemble de pile à combustible (40L, 40R) ; dans une deuxième phase de démarrage dans laquelle l’élément de connexion/déconnexion (22L) est dans un état passant et le deuxième ensemble de pile à combustible (40L, 40R) alimente les premiers équipements auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R) pour démarrer le premier ensemble de pile à combustible (30L, 30R) ; puis dans une phase de fonctionnement nominal dans laquelle le premier ensemble de pile à combustible (30L, 30R) est autoalimenté et alimente le réseau électrique propulsif (10L, 10R).
  2. Architecture électrique selon la revendication 1, dans laquelle le réseau électrique non-propulsif (20) comprend une batterie (50) alimentant les deuxièmes équipements électriques auxiliaires (42L, 42R) pendant la première phase de démarrage.
  3. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau électrique non propulsif (20) comprend une prise externe de puissance (26) pour alimenter les deuxièmes équipements électriques auxiliaires (42L, 42R) pendant la première phase de démarrage.
  4. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle ladite au moins une unité électronique de pilotage est agencée pour commander l’arrêt du moteur électrique de propulsion (1L, 1R) lors de la deuxième phase de démarrage et commander ultérieurement son alimentation lors de la phase de fonctionnement nominal.
  5. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle un convertisseur de tension (23L, 24L, 23R, 24R) est disposé entre la deuxième pile à combustible (41L, 41R) du deuxième ensemble de pile à combustible (40L, 40R) et les premiers équipements électriques auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R) de telle manière que le deuxième ensemble de pile à combustible (40L, 40R) alimente les premiers équipements auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R) via le convertisseur de tension (23L, 23R) lors de la deuxième phase de démarrage.
  6. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les équipements électriques auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R, 42L, 42R) de chaque ensemble de pile à combustible (30L, 30R, 40L, 40R) comprennent au moins un premier moteur électrique auxiliaire (322L, 322R) mécaniquement relié à un deuxième organe de circulation de fluide (321L, 321R) disposé dans un circuit de combustible et un deuxième moteur électrique auxiliaire (332L, 332R) mécaniquement relié à un premier organe de circulation de fluide (331L, 331R) disposé dans un circuit d’oxygène ; les moteurs électriques auxiliaires (332L, 332R, 322L, 332R) étant électriquement reliés à une barre d’interconnexion interne (35L, 35R) à laquelle est également relié le premier élément de connexion/déconnexion (22L, 22R).
  7. Architecture électrique selon la revendication 6, dans laquelle les équipements électriques auxiliaires (32L, 33L, 34L, 32R, 33R, 34R, 42L, 42R) de chaque ensemble de pile à combustible (30L, 30R, 40L, 40R) comprennent un troisième moteur électrique auxiliaire (342L, 342R) mécaniquement relié à un organe de gestion de refroidissement (341L, 341R) et électriquement relié à la barre d’interconnexion interne (35L, 35R).
  8. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications 6 et 7, dans laquelle le réseau électrique propulsif (10L, 10R) comprend une barre d’interconnexion (13L, 13R) reliée au premier ensemble de pile à combustible (30L, 30R), à la barre d’interconnexion interne (35L, 35R) et au moteur électrique de propulsion (1L, 1R).
  9. Architecture électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le réseau électrique non-propulsif (20) comprend une barre d’interconnexion (21L, 21R) reliée à la deuxième de pile à combustible (41L, 41R), aux deuxième équipements électriques auxiliaires (42L, 42R) et à l’élément de connexion/déconnexion (22L, 22R).
  10. Aéronef comprenant une architecture électrique selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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