Conception d`un réseau de secours électrique pour l`aéronautique

N° d’ordre : 2349 Année 2006
THESE
présentée
pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Spécialité : Génie Electrique
Par
Olivier LANGLOIS
Ingénieur ENSEEIHT
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Conception d’un réseau de secours électrique
pour l’aéronautique
Soutenue le 22 juin 2006 devant le jury composé de :
MM. Eric MONMASSON Rapporteur - Président
Luis MARROYO Rapporteur
Xavier ROBOAM Directeur de thèse
Hubert PIQUET Codirecteur de thèse
Etienne FOCH Encadrant
Frédéric WURTZ Membre
Jean-Charles MARE Invité
Thèse préparée au Laboratoire d’Electrotechnique et d’Electronique Industrielle de l’ENSEEIHT
Unité Mixte de Recherche INPT – CNRS N°5828

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Conception d’un réseau de secours électrique
pour l’aéronautique
Résumé
Depuis le concept d’avion « plus électrique » introduit il y a plusieurs années,
l’électricité prend une part croissante dans les systèmes embarqués aéronautiques. Cela
implique de nombreux changements dans les réseaux de bord, et également dans la
partie du réseau électrique utilisée en secours.
Dans ce mémoire, une attention particulière est portée sur l’approche
méthodologique de conception, qui passe notamment par une modélisation adaptée de
chaque équipement utilisé en dernier secours. Parmi eux, les sources électriques
constituant la génération de secours, dont l’actuelle turbine éolienne, ainsi que les
actionneurs de commande de vol, de type électro-hydrostatique, sont étudiés de manière
approfondie. Ces éléments impliquent divers domaines physiques, tels que la mécanique,
l’hydraulique et l’électricité. Pour cette raison, la modélisation adoptée est de type Bond
Graph, pertinente par sa capacité à représenter de façon unifiante des systèmes
multiphysiques. En outre, une représentation en courant continu « équivalent » est
choisie afin d’améliorer les performances de simulation et de se placer dans un contexte
de réseau de bord futur. La modélisation concerne également la mission de secours que
doit accomplir l’avion. Cela permet de connaître le besoin énergétique et d’obtenir un
modèle systémique complet à finalité intégrée.
Le concept d’hybridation de deux sources de nature différente est étudié dans le
but de profiter des caractéristiques de chacune d’elles. Ce concept s’appuie sur une
source traditionnelle de type turbine éolienne, jouant le rôle de source d’énergie, associée
à un dispositif de stockage électrochimique, jouant le rôle de source de puissance
instantanée. Plusieurs architectures d’hybridation sont proposées et dimensionnées, en
utilisant différentes stratégies de gestion d’énergie, avec pour objectif de remplir la
mission avec une masse embarquée minimale.
L’usage de relations de similitude pour le redimensionnement des sources
électriques permet d’obtenir des paramètres réalistes, en particulier pour le
dimensionnement d’une nouvelle turbine éolienne. Ces relations sont également
employées pour l’estimation de la masse de chaque composant. La génération électrique
hybride montre ainsi un gain de masse potentiel par rapport à des solutions
conventionnelles.
Enfin, l’intégration des systèmes de génération de secours dans l’avion fait l’objet
d’une étude particulière. Cette intégration est entendue aux sens physique, électrique et
fonctionnel, en s’intéressant respectivement à l’emplacement, au raccordement et à
l’utilisation des systèmes dans l’avion. L’idée de mutualiser le dispositif de stockage est
notamment abordée, permettant d’exploiter au mieux ce dernier, en répondant en partie
aux problématiques liées à l’avion « encore plus électrique ».
Mots clés
Aéronautique – Réseaux de bord – Secours électrique – Conception systémique –
Modélisation Bond Graph – Dimensionnement – Hybridation – Stockage d’énergie