FR2936221A1 - On-board electrical distribution system for distributing electric power to airplane, has supercapacitors associated to load for maintaining power supply of load for duration equal to preset duration during implementation of switching unit - Google Patents

Abstract

The system has a load (20) e.g. actuators, supplied by electric sources (21, 22), and a switching unit (23) to switch a power supply of the load on one of the electric sources. A set of supercapacitors (24, 25) is associated to the load so as to maintain the power supply of the load for a specific duration equal to a predetermined duration of 5 seconds, during the implementation of the switching unit. The supercapacitors are installed in an upstream of the loads, and are utilized in an output of power converters. An independent claim is also included for a method for on-board electrical power distribution of aircraft.

Description

SYSTEME ET PROCEDE DE DISTRIBUTION ELECTRIQUE A BORD D'UN AERONEF SYSTEM AND METHOD FOR ELECTRICAL DISTRIBUTION ON BOARD AN AIRCRAFT

DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un système et un 5 procédé de distribution électrique à bord d'un aéronef, par exemple d'un avion. Dans la suite, pour simplifier la description, on considère à titre d'exemple le cas de l'avion. 10 ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE En termes de stockage et de distribution de puissance, un avion doit faire face à différents problèmes techniques. Un des problèmes techniques parmi 15 les plus significatifs est lié au fait que la gestion de l'énergie électrique à bord est fortement contrainte par la gestion des transitoires sur le réseau électrique lors des reconfigurations, par exemple sur les calculateurs. 20 L'objet de l'invention est d'apporter une solution efficace et performante à un tel problème. Dans le domaine des transports avec des véhicules électriques, comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description, il est connu 25 d'utiliser des supercapacités (aussi appelées ultracapacités ) permettant d'emmagasiner une énergie importante et de la restituer en un temps très court. Les supercapacités, en effet, sont des capacités 2 possédant d'importantes performances de stockage allant jusqu'à plusieurs kilofarads avec une tension de quelques volts par élément. Comme illustré sur la figure 1, elles comportent deux électrodes positive 10 et négative 11 et un électrolyte 12. Elles stockent l'énergie électrique de manière électrostatique via deux électrodes et un électrolyte. Sur cette figure sont illustrés les ions+ 13 et les ions- 14. Les supercapacités présentent de nombreux avantages, dont les plus significatifs sont : - une très grande capacité de stockage de puissance notamment du fait de la très faible valeur de la Résistance Série Equivalente (ESR ou Electrical Serial Resistance ) pouvant aller jusqu'à moins d'un milliohm : les supercapacités permettent aussi de stocker plusieurs dizaines de kilowatt par kilogramme de supercapacité, une possibilité de répondre à d'importants pics en demande de puissance, - un taux de charge/décharge beaucoup plus important que celui des batteries par exemple : ceci est essentiellement dû à l'absence de réaction chimique et donc à la grande réversibilité des mécanismes de stockage d'énergie électrique, une très faible dégradation des performances même après plusieurs centaines de milliers de cycles, une énergie disponible très rapidement via un procédé réversible ; contrairement aux batteries 30 qui s'endommagent si les vitesses de charge sont trop importantes, 25 3 une large gamme de température de fonctionnement autorisée (de l'ordre de -40°C à +70°C voire +85°C), une non sensibilité aux vibrations, une herméticité de l'enveloppe, des densités de stockage de la puissance par unité de masse des supercapacités qui augmentent très rapidement avec les progrès actuels issus notamment des nanotechnologies, qui permettent d'augmenter considérablement les surfaces de stockage des charges électriques (i.e. plusieurs centaines de m2/g) et de diminuer les distances entre les charges électriques (i.e. densités de stockage multipliées par 3 en 8 ans ; entre 1998 et 2006, ...) . TECHNICAL FIELD The invention relates to a system and method for electrical distribution on board an aircraft, for example an aircraft. In the following, to simplify the description, we consider as an example the case of the aircraft. STATE OF THE PRIOR ART In terms of power storage and distribution, an aircraft has to face various technical problems. One of the most significant technical problems is related to the fact that the management of electrical energy on board is strongly constrained by the management of transients on the electrical network during reconfigurations, for example on the computers. The object of the invention is to provide an effective and efficient solution to such a problem. In the field of transport with electric vehicles, as described in the referenced document [1] at the end of the description, it is known to use supercapacities (also called ultracapacities) for storing a large amount of energy and for restoring it a very short time. Supercapacities, in fact, are capacities 2 having high storage performance of up to several kilofarads with a voltage of a few volts per element. As illustrated in FIG. 1, they comprise two positive and negative electrodes 10 and an electrolyte 12. They store the electrical energy electrostatically via two electrodes and an electrolyte. This figure illustrates the + 13 ions and the 14 ions. The supercapacities have many advantages, the most significant of which are: - a very large power storage capacity, in particular because of the very low value of the equivalent series resistance ( ESR or Electrical Serial Resistance) up to less than one milliohm: supercapacities can also store several tens of kilowatts per kilogram of supercapacity, a possibility to meet large peaks in power demand, - a rate of charge / discharge much greater than that of batteries for example: this is mainly due to the absence of a chemical reaction and therefore to the great reversibility of the mechanisms for storing electrical energy, a very slight degradation of performance even after several hundred thousands of cycles, energy available very quickly via a reversible process; unlike batteries 30 which are damaged if the charging speeds are too high, a wide range of permissible operating temperature (of the order of -40 ° C. to + 70 ° C. or even + 85 ° C.), non-sensitivity to vibrations, hermeticity of the envelope, storage densities of the power per unit mass of supercapacities which increase very rapidly with the current progress, notably from nanotechnologies, which make it possible to considerably increase the storage areas of the loads electric (ie several hundred m2 / g) and to reduce the distances between the electric charges (ie storage densities multiplied by 3 in 8 years, between 1998 and 2006, ...).

L'objet de l'invention est donc de mettre en oeuvre de telles supercapacités dans un domaine qui leur était à présent étranger à savoir celui de la distribution électrique à bord d'un aéronef, pour résoudre le problème technique mis en évidence ci- dessus, en permettant ainsi la gestion de l'énergie électrique à bord d'un aéronef notamment la gestion des transitoires sur le réseau électrique lors des reconfigurations, par exemple des calculateurs de bord. The object of the invention is therefore to implement such supercapacities in a field that was now foreign to them namely that of the electrical distribution on board an aircraft, to solve the technical problem highlighted above , thereby enabling the management of electrical energy on board an aircraft, in particular the management of transients on the electrical network during reconfigurations, for example on-board computers.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un système de distribution électrique à bord d'un aéronef, par exemple d'un avion, comportant : au moins une charge (ou utilisateur) susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques ; 4 - des moyens de commutation permettant de commuter l'alimentation de ladite charge sur l'une des sources électriques ; caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de supercapacités associées à ladite au moins une charge de façon à maintenir l'alimentation électrique de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée, de préférence 5 secondes, lors de la mise en oeuvre des moyens de commutation. DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention relates to an electrical distribution system on board an aircraft, for example an aircraft, comprising: at least one load (or user) capable of being powered by at least two electrical sources; 4 - switching means for switching the supply of said load on one of the electrical sources; characterized in that it comprises at least one set of supercapacities associated with said at least one load so as to maintain the power supply thereof for a duration at least equal to a predetermined duration, preferably 5 seconds, during the implementation of the switching means.

Un tel système présente l'avantage de permettre une commutation entre les sources de façon transparente pour l'utilisateur. Dans différents modes de réalisation : - des ensembles de supercapacités sont 15 respectivement installés juste en amont de certaines charges, - des ensembles de supercapacités sont respectivement utilisés en complément de batteries, - des ensembles de supercapacités sont 20 respectivement utilisés en sortie de condensateurs de puissance. L'invention concerne également un procédé de distribution électrique à bord d'un aéronef dans un système comportant au moins une charge susceptible 25 d'être alimentée par au moins deux sources électriques, caractérisé en ce que lors de la commutation de l'alimentation de ladite charge sur l'une des sources électriques, on maintient l'alimentation électrique, de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée 30 prédéterminée en utilisant au moins un ensemble de supercapacités associées à ladite au moins une charge. Such a system has the advantage of allowing switching between the sources in a manner that is transparent to the user. In different embodiments: supercapacities assemblies are respectively installed just upstream of certain loads, supercapacities assemblies are respectively used in addition to batteries, supercapacities assemblies are respectively used at the output of power capacitors. . The invention also relates to a method of electrical distribution on board an aircraft in a system comprising at least one load capable of being powered by at least two electrical sources, characterized in that during the switching of the power supply of said load on one of the electrical sources, the power supply is maintained for a period of time at least equal to a predetermined time by using at least one set of supercapacitors associated with said at least one load.

Le système et le procédé de l'invention permettent ainsi de gérer efficacement les transitoires de courant électrique. Les avantages induits du système et du 5 procédé de l'invention sont les suivants : simplification de la gestion des transitoires sur le réseau électrique, - simplification du matériel ( hardware et du logiciel ( software ) associés, - amélioration de la robustesse et de la tolérance à la panne. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS - la figure 1 illustre la représentation schématique d'une supercapacité, - la figure 2 illustre le système de distribution électrique de l'invention, - les figures 3 à 6 illustrent différents modes de réalisation du système de distribution électrique de l'invention. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le système de distribution électrique de l'invention, comme illustré sur la figure 2, comprend : - au moins une charge (ou utilisateur) 20 susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques 21 et 22, - des moyens de commutation 23 permettant de commuter l'alimentation de ladite charge 20 sur l'une des sources électriques, 6 - au moins un ensemble de supercapacités 24, 25 associé à ladite au moins une charge de façon à maintenir l'alimentation de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée, par exemple de 5 secondes, lors de la mise en oeuvre des moyens de commutation permettant la commutation d'une source électrique. Ces ensembles de supercapacités peuvent être installés juste en amont de certaines charges (e.g. actionneurs, moteurs, ventilateurs, équipements, ...), utilisés en complément de batteries, ou en sortie de convertisseurs de puissance. Pour obtenir les niveaux de tensions et de puissances requis, ces supercapacités peuvent être associées respectivement en montages série et/ou parallèle. Les ensembles de supercapacités peuvent être installés sur le réseau électrique via une architecture soit centralisée soit décentralisée en fonction des contraintes de masse, de volume disponible, de propagation de panne, de ségrégation des systèmes pour respecter les exigences de sécurité. Elles peuvent être utilisées de manière mutualisée, c'est-à-dire commune à plusieurs utilisateurs (ou charges). The system and the method of the invention thus make it possible to effectively manage the transients of electric current. The advantages of the system and of the method of the invention are as follows: simplification of the management of transients on the electrical network, simplification of the hardware (software and hardware associated), improvement of the robustness and BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS - Figure 1 illustrates the schematic representation of a supercapacity, - Figure 2 illustrates the electrical distribution system of the invention, - Figures 3 to 6 illustrate various embodiments of the system. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS The electrical distribution system of the invention, as illustrated in FIG. 2, comprises: at least one load (or user) that can be powered by at least two electrical sources 21 and 22, - switching means 23 for switching the supply of said load 20 to one of electrical sources, 6 - at least one set of supercapacitors 24, 25 associated with said at least one load so as to maintain power supply thereof for a duration at least equal to a predetermined duration, for example 5 seconds, during the implementation of switching means for switching an electrical source. These sets of supercapacities can be installed just upstream of certain loads (e.g. actuators, motors, fans, equipment, ...), used in addition to batteries, or output of power converters. To obtain the required voltage and power levels, these supercapacities can be associated respectively in series and / or parallel assemblies. The supercapacities sets can be installed on the power grid via either a centralized or decentralized architecture depending on the constraints of mass, available volume, propagation of failure, segregation of the systems to meet security requirements. They can be used in a shared manner, that is to say common to several users (or loads).

Un mode de réalisation avantageux du système de l'invention est illustré sur la figure 3. Les moyens de commutation sont à présent réalisés par un interface de distribution de la puissance électrique 30 associé à deux diodes Dl et D2 et à deux interrupteurs 31 et 32 pour relier la charge 20 à l'une des sources 21 ou 22. 7 La figure 4 illustre un autre mode de réalisation avantageux du système de l'invention, dans lequel les supercapacités sont regroupées en deux banques 41 et 42 avec une charge 45 alimentée en courant alternatif. Sur cette figure sont ainsi illustrés : une première batterie 35 (voie 1), une seconde batterie 36 (voie 2), un premier convertisseur continu-continu (DC/DC) 37 (voie 1) relié à la première batterie 35 et piloté par un premier processeur de signal numérique (exemple DSP) 38, - un second convertisseur continu-continu 39 (voie 2) relié à la seconde batterie 36 et piloté par un second processeur de signal numérique 40, - une première banque de supercapacités 41 (voie 1) disposée entre une première et une seconde sorties du premier convertisseur 37, - une seconde banque de supercapacités 42 (voie 2) disposée entre une première et une seconde sorties du second convertisseur 39, la seconde sortie du premier convertisseur 37 étant reliée à la première sortie du second convertisseur 39, - un onduleur 43 recevant la première sortie du premier convertisseur 37 et la seconde sortie du second convertisseur 39, piloté par un troisième processeur de signal numérique 44, et délivrant un courant alternatif à la charge 45. La figure 5 illustre un autre mode de réalisation avantageux du système de l'invention 8 permettant d'alimenter un calculateur 55. Sur cette figure sont illustrés : - une alimentation électrique 50, - un ensemble de supercapacités 51, reliés tous deux à : - une entrée d'une carte de puissance 52 comprenant . • un contrôleur de commutation de puissance 53, • un régulateur de tension continu-continu 54, et alimentant : une carte de traitement 55 comprenant notamment . • une unité centrale (CPU) 56, • des mémoires 57, • des interfaces 58. Le fonctionnement de ce mode de réalisation est analogue à celui du mode de réalisation de la figure 4. La figure 6 illustre un autre mode de réalisation avantageux du système de l'invention permettant de remplacer respectivement les batteries d'un réseau électrique à bord d'un avion par des ensembles de supercapacités 71 et 91. Sur cette figure sont illustrés : d'une part . - un premier générateur alternatif 60, - un premier dispositif de mise en route 61, comprenant un premier contrôleur 62 et un premier commutateur 63, 9 - un premier bus alternatif 64 relié d'une part à des utilisateurs AC 11 à AC 1n via des interrupteurs 65 et d'autre part à : un premier générateur continu 66 au travers d'un interrupteur 67, - un second commutateur 68, - un premier bus continu 69 relié d'une part à des utilisateurs 1 à n au travers d'interrupteurs 70, et d'autre part à : - un premier ensemble de supercapacités 71 au travers d'une première diode 72, un premier chargeur 73 optionnel relié à un interrupteur 74 disposé entre le point commun à la diode 72 et à l'ensemble de supercapacités 71 et le point commun au générateur 66 et au commutateur 68, d'autre part : - un second générateur alternatif 80, - un second dispositif de mise en route 81 comprenant un second contrôleur 82 et un troisième commutateur 83, - un second bus alternatif 84 relié d'une part à des utilisateurs AC 11 à AC 1n via des interrupteurs 85, et d'autre part à : un second générateur continu 86 au travers d'un interrupteur 87, - un quatrième commutateur 88, - un second bus continu 89 relié d'une part à des utilisateurs 1 à n au travers d'interrupteurs 90, et d'autre part à : 10 - un second ensemble de supercapacités 91 au travers d'une seconde diode 92, un second chargeur 93 optionnel relié à un interrupteur 94 disposé entre le point commun à la diode 92 et à l'ensemble de supercapacités 91 et le point commun au générateur 86 et au commutateur 88, et enfin . un premier interrupteur de transfert 95 disposé entre les deux bus alternatifs 64 et 84, un second interrupteur de transfert 96 disposé entre les deux bus continus 69 et 89. Lors d'un transfert entre les deux sources d'alimentation 60 et 80 (au sol ou en vol), le réseau électrique est soumis à un transitoire de tension nécessitant des redémarrages d'équipements ( reset , An advantageous embodiment of the system of the invention is illustrated in FIG. 3. The switching means are now made by a distribution interface of the electrical power 30 associated with two diodes D1 and D2 and with two switches 31 and 32. to connect the load 20 to one of the sources 21 or 22. 7 Figure 4 illustrates another advantageous embodiment of the system of the invention, wherein the supercapacities are grouped into two banks 41 and 42 with a load 45 powered in alternating current. In this figure are thus illustrated: a first battery 35 (channel 1), a second battery 36 (channel 2), a first DC-DC converter 37 (channel 1) connected to the first battery 35 and controlled by a first digital signal processor (DSP example) 38, - a second DC-DC converter 39 (channel 2) connected to the second battery 36 and controlled by a second digital signal processor 40, - a first bank of supercapacities 41 (channel 1) disposed between a first and a second output of the first converter 37, - a second bank of supercapacities 42 (channel 2) disposed between a first and a second output of the second converter 39, the second output of the first converter 37 being connected to the first output of the second converter 39, - an inverter 43 receiving the first output of the first converter 37 and the second output of the second converter 39, driven by a third digital signal processor 44, and supplying an alternating current to the load 45. FIG. 5 illustrates another advantageous embodiment of the system of the invention 8 making it possible to feed a calculator 55. In this figure are illustrated: a power supply 50, a set of supercapacities 51, both connected to: - an input of a power card 52 comprising. • a power switching controller 53, • a DC-DC voltage regulator 54, and feeding: a processing card 55 comprising in particular. A central processing unit 56, memories 57, interfaces 58. The operation of this embodiment is similar to that of the embodiment of FIG. 4. FIG. 6 illustrates another advantageous embodiment of FIG. system of the invention for replacing respectively the batteries of an electrical network on board an aircraft by sets of supercapacities 71 and 91. In this figure are illustrated: firstly. a first alternator 60, a first start-up device 61, comprising a first controller 62 and a first switch 63, a first reciprocating bus 64 connected on the one hand to users AC 11 to AC 1n via means switches 65 and secondly to: a first continuous generator 66 through a switch 67, - a second switch 68, - a first continuous bus 69 connected on the one hand to users 1 to n through switches 70, and secondly to: - a first set of supercapacitors 71 through a first diode 72, a first optional charger 73 connected to a switch 74 disposed between the point common to the diode 72 and the set of supercapacities 71 and the common point to the generator 66 and the switch 68, on the other hand: - a second alternating generator 80, - a second start-up device 81 comprising a second controller 82 and a third switch 83, - a second bus alternative 84 hardcover a part to AC 11 to AC 1n users via switches 85, and secondly to: a second DC generator 86 through a switch 87, - a fourth switch 88, - a second DC bus 89 connected to a share to users 1 to n through switches 90, and secondly to: - a second set of supercapacities 91 through a second diode 92, a second optional charger 93 connected to a switch 94 disposed between the point common to the diode 92 and the set of supercapacities 91 and the common point to the generator 86 and the switch 88, and finally. a first transfer switch 95 disposed between the two reciprocating buses 64 and 84, a second transfer switch 96 disposed between the two continuous buses 69 and 89. During a transfer between the two power sources 60 and 80 (on the ground or in flight), the electrical network is subjected to a voltage transient requiring restart of equipment (reset,

La solution standard pour résoudre un tel problème consiste à alimenter les équipements, pendant le temps de reconfiguration ou de transfert d'alimentation, par des batteries dédiées essentiellement à la prise en compte de ce transitoire. Mais l'utilisation de telles batteries nécessite un contrôle précis de leur charge et présente de fortes contraintes de maintenance (reconditionnement, ...). The standard solution to solve such a problem is to supply the equipment, during the time of reconfiguration or transfer of power, by batteries dedicated essentially to take into account this transient. But the use of such batteries requires precise control of their load and presents strong maintenance constraints (repackaging, ...).

La même fonction réalisée dans ce mode de réalisation du système de l'invention par les ensembles de supercapacités 71 et 91 permet d'alléger fortement ce contrôle de la charge et d'augmenter les intervalles de maintenance par une fiabilité accrue (gain de coûts). The same function performed in this embodiment of the system of the invention by the sets of supercapacities 71 and 91 makes it possible to greatly reduce this control of the load and to increase the maintenance intervals by increased reliability (cost savings). .

Références [1] FR 2 780 684 References [1] FR 2 780 684

Claims (8)

REVENDICATIONS1. Système de distribution électrique à bord d'un aéronef comportant : au moins une charge (20) susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques (21, 22) ; - des moyens de commutation (23) permettant de commuter l'alimentation de ladite charge (20) sur l'une des sources électriques, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un ensemble de supercapacités (24, 25) associées à ladite au moins une charge (20) de façon à maintenir l'alimentation électrique de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée, lors de la mise en oeuvre des moyens de commutation. REVENDICATIONS1. An electrical distribution system on board an aircraft comprising: at least one load (20) capable of being powered by at least two electric sources (21, 22); switching means (23) for switching the supply of said load (20) to one of the electric sources, characterized in that it comprises at least one set of supercapacities (24, 25) associated with said least a load (20) so as to maintain the power supply thereof for a period of time at least equal to a predetermined time, during the implementation of the switching means. 2. Système selon la revendication 1, dans laquelle cette durée déterminée est égale à 5 secondes. 2. System according to claim 1, wherein this determined duration is equal to 5 seconds. 3. Système selon la revendication 1, dans lequel des ensembles de supercapacités sont respectivement installés juste en amont de certaines charges. 3. System according to claim 1, wherein sets of supercapacities are respectively installed just upstream of certain loads. 4. Système selon la revendication 1, dans lequel des ensembles de supercapacités sont respectivement utilisés en complément de batteries. 30 4. System according to claim 1, wherein sets of supercapacities are respectively used in addition to batteries. 30 5. Système selon la revendication 1, dans lequel des ensembles de supercapacités sont 25 13 respectivement utilisés en sortie de convertisseurs de puissance. The system of claim 1, wherein supercapacities assemblies are respectively used at the output of power converters. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'aéronef est un avion. 6. System according to any one of the preceding claims, wherein the aircraft is an airplane. 7. Procédé de distribution électrique à bord d'un aéronef dans un système comportant au moins une charge (20) susceptible d'être alimentée par au moins deux sources électriques (21, 22) ; caractérisé en ce que, lors de la commutation (23) de l'alimentation de ladite charge (20) sur l'une des sources électriques, on maintient l'alimentation électrique de celle-ci pendant une durée au moins égale à une durée prédéterminée en utilisant au moins un ensemble de supercapacités associées à ladite au moins une charge. 7. A method of electrical distribution on board an aircraft in a system comprising at least one load (20) capable of being powered by at least two electrical sources (21, 22); characterized in that, when switching (23) the supply of said load (20) to one of the electrical sources, the power supply thereof is maintained for a duration at least equal to a predetermined duration using at least one set of supercapacities associated with said at least one load. 8. Aéronef mettant en oeuvre un système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Aircraft implementing a system according to any one of claims 1 to 6.