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Desarrollo de un convertidor modular bidireccional para un avión más eléctrico dentro del proyecto ORCHESTRA

14 Febrero 2024

La preocupación por el calentamiento global está empujando a la aviación a introducir tecnologías innovadoras para vuelos más ecológicos, ya que las partes interesadas de la aviación se comprometieron con objetivos ambiciosos de reducir las emisiones netas globales de carbono de la aviación en un 50% para 2050 en comparación con 2005. La propulsión híbrida-eléctrica es una de las soluciones propuestas para lograrlo. objetivo ambicioso. La introducción de esta solución abre nuevas oportunidades y también genera nuevos desafíos, como la necesidad de sistemas de gestión térmica (TMS) dedicados para enfriar las máquinas eléctricas. La Unión Europea ha cofinanciado el proyecto ORCHESTRA (Optimised electric network aRCHitEctures and SysTems for more-electric Aircraft) para diseñar nuevas tecnologías que permitan un aumento del 10% en la eficiencia y una reducción del 25% en el peso del sistema de energía eléctrica (EPS) en comparación con el estado del sistema. Dentro del proyecto ORCHESTRA, Skylife desarrolló un convertidor modular bidireccional Dual Active Bridge (DAB) para gestionar la transferencia de energía entre el bus de corriente continua de kilovoltaje (kVDC) (1-3kV) y el bus de corriente continua de alto voltaje (HVDC) ( 540V). 

Consorcio: University of Nottingham (coordinador), Leonardo, Safran Electrical & Power, Safran, C.I.R.A, Fraunhofer, Aeromechs, AIT (Austrian Institute of Technology), BSIM, Skylife Engineering, VR Aviation Safety Partnership

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Introducción

La demanda de energía a bordo de las aeronaves aumenta continuamente, debido tanto a la introducción de nuevos sistemas a bordo que requieren energía adicional como a la creciente preocupación relacionada con el impacto de la aviación en el calentamiento global, lo que empuja hacia la electrificación de las aeronaves. En particular, el Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático ha fijado el objetivo de reducir al menos un 50% las emisiones de dióxido de carbono (CO2) para 2050. Sin embargo, se espera que las emisiones globales de CO2 producidas por el sector de la movilidad aumenten un 80% para finales de 2050.

Según la OACI, alrededor del 20% del aumento previsto debería corresponder a la aviación. Así, para cumplir los objetivos globales de reducción de emisiones de la movilidad, el Consejo Asesor para la Investigación Aeronáutica en Europa (ACARE) ha definido el Flightpath 2050, según el cual se espera una reducción del 75% en las emisiones de CO2 y del 90% en las emisiones de Óxidos de Nitrógeno (NO).

Estos ambiciosos objetivos pueden lograrse mediante la introducción de nuevas configuraciones de aeronaves y/o tecnologías disruptivas, como la propulsión híbrida/eléctrica para aeronaves, cambiando el paradigma del mercado de la aviación actual, que todavía se basa en el uso de motores a reacción introducidos en la década de 1950.

La introducción de sistemas propulsivos híbridos/eléctricos abre nuevas potencialidades, pero también nuevos desafíos que afrontar. Uno de los principales desafíos a resolver es la forma de disipar el calor producido por los componentes de las centrales eléctricas híbridas/eléctricas: estos sistemas no pueden utilizar técnicas convencionales aplicadas en los aviones actuales y deben cumplir estrictas restricciones térmicas. Por lo tanto, se necesitan estudios detallados del TMS para liberar las potencialidades del sistema de propulsión híbrido/eléctrico.

La Unión Europea (UE) ha cofinanciado el proyecto ORCHESTRA con el objetivo de diseñar nuevas tecnologías que permitan aumentar un 10% la eficiencia y reducir un 25% el peso del sistema de energía eléctrica (EPS) en comparación con lo último en tecnología.

En este artículo se presenta el diseño de un novedoso convertidor modular bidireccional para gestionar la transferencia de energía entre el bus kVDC (1-3kV) y el bus HVDC (540V) de la arquitectura multi-Mega Watt (MW) del futuro. Se propone un avión mucho más eléctrico (M2EA). La topología seleccionada para este equipo es una DAB. Luego, se muestra el diseño de un TMS optimizado para el control térmico del DAB, incluyendo el estudio de viabilidad de SMA para mejorar el rendimiento fuera de diseño.

Convertidor bidireccional 1-3kV/540 para topología multimegavatio

El convertidor de potencia diseñado por Skylife para este proyecto tiene una característica principal a considerar: la entrada de alto voltaje, ya sea 1 kV o 3 kV. Generalmente, para ese nivel de voltaje, las soluciones más típicas incluyen módulos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) como semiconductores, por su capacidad de soportar alto voltaje y alta capacidad de corriente. Sin embargo, en este caso, el tamaño y el peso del convertidor también son críticos, y esa es la razón que motivó el aumento de la frecuencia de conmutación, haciendo imperativo el uso de dispositivos más rápidos como los SiC MosFET (Silicon Carbide Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors), con buena resistencia a la tensión y capacidad de corriente.

La topología elegida para el convertidor DC/DC fue el convertidor Dual-Active Bridge. Esta elección se basó en las principales características de esta topología: flujo de potencia bidireccional, alta eficiencia, regulación de voltaje, aislamiento galvánico, armónicos reducidos y modularidad. Esta última característica fue la que permitió utilizar el convertidor en diferentes configuraciones modulares para trabajar a una tensión de entrada de 1 kV o 3 kV. Cuando la tensión de entrada es de 1 kV, los convertidores tienen su entrada conectada en paralelo en lo que se llama IPOP (Input Parallel, Output Parallel). Cuando la tensión de entrada es de 3 kV su entrada se conecta en serie, en lo que se denomina ISOP (Input Series, Output Parallel). Ambas conexiones están representadas en la siguiente imagen.

Diseño eléctrico

El diseño de los convertidores se realizó para alcanzar las características siguientes.

  • Nominal Power: 70kW
  • Nominal Voltage kVDC: 1kV
  • Nominal Voltage HVDC: 540V
  • Topology: Dual-active bridge

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Referencia: Diego Giuseppe Romano, Salvatore Ameduri, Antonio Carozza, Bernardino Galasso, Gianluca Marinaro, Edson Lima Junior Manuel Lagares, Carmen Bejarano Espada, María Dolores Jiménez Sánchez (2024),  Development of a bi-directional modular converter and its thermal management system for a future much more electric aircraft, International Conference on More Electric Aircraf, France

Este proyecto ha recibido financiación de Horizonte 2020 en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo el acuerdo de subvención número 101006771.

 


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