Développement d'un convertisseur modulaire bidirectionnel pour un avion plus électrique dans le cadre du projet ORCHESTRA

Les préoccupations liées au réchauffement climatique poussent le secteur de l’aviation à adopter des technologies innovantes pour des vols plus écologiques, les acteurs du secteur s’étant engagés à atteindre des objectifs ambitieux visant à réduire de 50 % les émissions nettes mondiales de carbone de l’aviation d’ici 2050 par rapport à 2005. La propulsion hybride-électrique est l’une des solutions proposées pour atteindre cet objectif ambitieux. La mise en œuvre de cette solution ouvre de nouvelles perspectives, mais soulève également de nouveaux défis, tels que la nécessité de disposer de systèmes de gestion thermique (TMS) dédiés au refroidissement des machines électriques. L’Union européenne a cofinancé le projet ORCHESTRA (Optimised electric network aRCHitEctures and SysTems for more-electric Aircraft) afin de concevoir de nouvelles technologies permettant une augmentation de 10 % du rendement et une réduction de 25 % du poids du système d’alimentation électrique (EPS) par rapport à l’état actuel de la technique. Dans le cadre du projet ORCHESTRA, Skylife a développé un convertisseur modulaire bidirectionnel de type Dual Active Bridge (DAB) pour gérer le transfert d’énergie entre le bus à courant continu kilovolt (kVDC) (1-3 kV) et le bus à courant continu haute tension (HVDC) (540 V).

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

Introduction

La demande en énergie à bord des aéronefs ne cesse d’augmenter, en raison à la fois de l’introduction de nouveaux systèmes embarqués nécessitant davantage d’énergie et des préoccupations croissantes liées à l’impact de l’aviation sur le réchauffement climatique, ce qui favorise l’électrification des aéronefs. En particulier, le Groupe d’experts intergouvernemental sur l’évolution du climat (GIEC) s’est fixé pour objectif de réduire d’au moins 50 % les émissions de dioxyde de carbone (CO₂) d’ici 2050. Cependant, les émissions mondiales de CO₂ générées par le secteur de la mobilité devraient augmenter de 80 % d’ici fin 2050.

Selon l’OACI, environ 20 % de cette augmentation prévue devrait être imputable à l’aviation. Ainsi, afin d’atteindre les objectifs mondiaux de réduction des émissions liées à la mobilité, le Conseil consultatif pour la recherche aéronautique en Europe (ACARE) a défini le « Flightpath 2050 », qui prévoit une réduction de 75 % des émissions de CO₂ et de 90 % des émissions d’oxydes d’azote (NO).

Ces objectifs ambitieux peuvent être atteints grâce à l’introduction de nouvelles configurations d’aéronefs et/ou de technologies de rupture, telles que la propulsion hybride/électrique pour les aéronefs, ce qui changera le paradigme du marché actuel de l’aviation, qui repose encore sur l’utilisation de moteurs à réaction introduits dans les années 1950.

L’introduction de systèmes de propulsion hybrides/électriques ouvre de nouvelles perspectives, mais pose également de nouveaux défis à relever. L’un des principaux défis à résoudre concerne la manière de dissiper la chaleur produite par les composants des groupes motopropulseurs hybrides/électriques : ces systèmes ne peuvent pas recourir aux techniques conventionnelles utilisées dans les avions actuels et doivent respecter des contraintes thermiques strictes. Des études détaillées du TMS sont donc nécessaires pour libérer le potentiel du système de propulsion hybride/électrique.

L’Union européenne (UE) a cofinancé le projet ORCHESTRA dans le but de concevoir de nouvelles technologies permettant d’augmenter de 10 % le rendement et de réduire de 25 % le poids du système d’alimentation électrique (EPS) par rapport à l’état de l’art.

Cet article présente la conception d’un nouveau convertisseur modulaire bidirectionnel destiné à gérer le transfert d’énergie entre le bus kVDC (1-3 kV) et le bus HVDC (540 V) de l’architecture multi-mégawatts (MW) de demain. Un avion nettement plus électrique (M2EA) est proposé. La topologie choisie pour cet équipement est une DAB. Ensuite, la conception d’un TMS optimisé pour le contrôle thermique de la DAB est présentée, y compris l’étude de faisabilité des SMA pour améliorer les performances hors conditions de conception.

Convertisseur bidirectionnel 1-3 kV/540 V pour topologie multi-mégawatts

Le convertisseur de puissance conçu par Skylife pour ce projet présente une caractéristique principale à prendre en compte : l’entrée haute tension, qu’elle soit de 1 kV ou de 3 kV. Généralement, pour ce niveau de tension, les solutions les plus courantes incluent des modules IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) comme semi-conducteurs, en raison de leur capacité à supporter une tension élevée et un courant important. Cependant, dans ce cas précis, la taille et le poids du convertisseur sont également des facteurs critiques, ce qui a motivé l’augmentation de la fréquence de commutation, rendant ainsi indispensable l’utilisation de composants plus rapides tels que les MosFET SiC (transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique et carbure de silicium), dotés d’une bonne résistance à la tension et d’une capacité de courant élevée.

La topologie choisie pour le convertisseur CC/CC était celle du pont double actif. Ce choix s’est fondé sur les principales caractéristiques de cette topologie : flux de puissance bidirectionnel, rendement élevé, régulation de tension, isolation galvanique, harmoniques réduites et modularité. C’est cette dernière caractéristique qui a permis d’utiliser le convertisseur dans différentes configurations modulaires pour fonctionner à une tension d’entrée de 1 kV ou 3 kV. Lorsque la tension d’entrée est de 1 kV, les convertisseurs sont connectés en parallèle en entrée, selon une configuration dite IPOP (Input Parallel, Output Parallel). Lorsque la tension d’entrée est de 3 kV, leurs entrées sont connectées en série, selon une configuration appelée ISOP (Input Series, Output Parallel). Ces deux types de connexion sont illustrés dans l’image suivante.

Conception électrique

La conception des convertisseurs a été réalisée afin d’atteindre les caractéristiques suivantes.

• Puissance nominale : 70 kW
• Tension nominale kVDC : 1 kV
• Tension nominale HVDC : 540 V
• Topologie : pont double actif

Référence : 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, Conférence internationale sur les aéronefs « More Electric », France

Ce projet a bénéficié d’un financement au titre du programme « Horizon 2020 » de l’Union européenne dans le cadre du programme de recherche et d’innovation « Horizon 2020 », en vertu de la convention de subvention n° 101006771.