Etat de l’art sur la conception des réseaux électriques dans les avions

L’avion plus électrique est identifié comme un axe de développement majeur dans

l’industrie aéronautique. A ce titre, de nombreux travaux ont été effectués ces dernières années sur des sujets reliés à la conception des réseaux électriques. Nous donnons ici un aperçu de quelques thématiques abordées, traitées ici plutôt à titre d’exemples illustratifs (en particulier dans le contexte de l’avion plus électrique en partenariat avec Airbus), bien loin de l’exhaustivité des recherches menées sur ce thème ces dernières années.

I.3.1.1 Exemples illustratifs de recherches sur l’avion plus électrique

Une première thématique, liée à l’analyse de la qualité et à la stabilité des réseaux a suscité de nombreux travaux de par le monde, notamment lors des questions liées à la mutation des réseaux AC/HVAC vers un réseau HVDC [MOET]. Parmi ces études, [GIR10] fournit une modélisation analytique des équipements du réseau afin d’étudier la stabilité et la qualité réseau (Figure I-35). L’utilisation du critère de Routh-Hurwitz, condition nécessaire et suffisante de stabilité, est utilisée. Par ailleurs, une optimisation à base d’algorithme génétique est également employée pour le dimensionnement optimal (à masse minimale) des composants passifs de filtrage assurant la stabilité du réseau HVDC.

[BAR05] étudie également la stabilité d’un réseau HVDC, mais cette fois-ci avec le critère de Middlebrook. [BAR05] propose également une méthodologie pour la conception optimale de filtres en présence de charges non linéaires. Enfin, ses travaux donnent un panorama des méthodes (Load Flow, analyse fréquentielle…) et outils informatiques (Matlab, Saber,…) supportant la conception du réseau embarqué.

Figure I-35 Abaque des composants du filtre (inductance et capacité) garantissant la stabilité [GIR10]

Autres problématiques touchant à la qualité des réseaux, les aspects CEM vis-à-vis des systèmes, en particulier compte tenu de l’utilisation de convertisseurs à base d’électronique de puissance, constituent un autre point clé pour l’avion plus électrique : ils sont notamment traités par [BEL11] qui propose la modélisation des effets CEM dans une chaîne électromécanique et fournit de nombreux résultats d’essais.

Dans le but d’améliorer la fiabilité des modules de conversion à base d’électronique de

puissance, [MAV07] propose et compare des nouvelles topologies de convertisseurs. Des

simulations et des essais sont réalisés pour valider les concepts.

Tandis que les années 90 marquèrent l’avènement de la simulation système avec des solveurs tels que Saber, très utilisés pour analyser les systèmes de l’avion plus électriques, on constate depuis 2000 l’apparition d’approches orientées « optimisation », couplant un modèle de conception des équipements et sous-systèmes avec des algorithmes d’optimisation permettant de minimiser des critères essentiels tels que masses et pertes. Ainsi, [HUU08] propose par exemple une méthodologie pour le dimensionnement optimal d’un canal de génération complet, consistant en un autotransformateur, un redresseur, un filtre, une inductance d’interphase, et un filtre (Figure I-36). Les algorithmes se basent principalement sur des algorithmes génétiques permettant de faire l’optimisation multicritère (réduction masse-pertes). Le même type d’approche a été proposé par [AND10][AND12] pour optimiser ces mêmes critères pour l’ensemble de la fonction ECS (du bus HVDC à la charge de l’actionneur électromécanique) pour le conditionnement d’air électrique. Les résultats donnés par ces premières études révèlent des gains significatifs, mêmes si ces approches d’optimisation complexes et coûteuses continuent de se développer pour permettre de faire face à la complexité de l’innovation technologique et à leur application dans un contexte réseau (approche système).

Au-delà de ces démarches de dimensionnement par optimisation, d’autres approches visant à réduire les dimensions des systèmes de génération/distribution ont vu le jour ces dernières années : [ROB12] propose ainsi une approche innovante basée sur la simulation de Monte- Carlo pour modéliser la consommation des charges durant la mission de l’avion et ainsi dimensionner les générateurs électriques de l’avion par rapport à des consommations opérationnelles, en tenant compte du foisonnement statistique des consommateurs. Dans la même lignée, [SCH10] évalue les bénéfices que pourrait apporter de dimensionner les sources de puissance à partir de données opérationnelles au lieu de données théoriques.

Figure I-36 Structure du canal de puissance étudiée dans [HUU08]

Enfin, à l’instar des véhicules terrestres qui s’électrifient et couplent diverses sources de puissance et d’énergie (véhicule électrique hybride), l’aéronautique voit apparaitre de nouvelles sources auxiliaires qui pourraient dans le futur compléter, à travers une hybridation

énergétique, la motorisation principale ou les sources déjà présentes à bord des aéronefs. Par

exemple, [LAN06] propose une nouvelle architecture de réseau de secours en proposant une génération hybride avec une RAT associée à un pack de stockage par supercondensateurs (Figure I-37). Les gains de masse par rapport à une solution conventionnelle sont évalués. Deux stratégies d’hybridation sont étudiées dans [ROBO11]. L’hybridation de ce même réseau secours par une pile à combustible et des supercondensateurs a été étudiée par [GAR07]. Les travaux de [ZHA10] ont développé des stratégies de supervision à base de logique floue dans le but d’hybrider un réseau HVDC mettant en œuvre un système de stockage et des charges réversibles en puissance.

Figure I-37 Réseau secours hybride étudié dans [LAN06]

Enfin, bien que situé hors du périmètre d’étude de cette thèse, l’optimisation de la masse du câblage au travers des gauges et de l’intégration dans l’avion constitue un axe de travail important de l’avion plus électrique. A titre illustratif nous citons le projet « EHWAZ » (pour

Electrical Harnesses & Wires Analysis and optimiZation) réalisé par la société Labinal

(spécialisé dans les solutions de câblage pour l’aéronautique) [SAF] et le fournisseur de logiciel LMS (Optimus) [OPT] dans le cadre du projet CleansSky [CLSK]. Des méthodes et outils alliant de la modélisation 3D impliquant différents domaines (mécaniques, électriques, thermiques) et des algorithmes d’optimisation ont été développés mettant en lumière des gains de masse significatifs.

I.3.1.2 Positionnement et manque des études existantes

Au regard des travaux déjà effectués sur la conception des réseaux électriques dans les aéronefs, il ressort que la problématique de conception englobant la totalité d’un réseau électrique n’est pas ou peu abordée. Seuls des morceaux de réseau sont précisément étudiés, par exemple en se focalisant sur : un canal de puissance [HUU08], un réseau secours [LAN06]…

En particulier, il existe peu de méthodes et d’outils permettant d’évaluer et de dimensionner une architecture complète de réseau électrique dans les aéronefs. Les travaux de [HAN08], proposant une méthodologie de dimensionnement de tous les systèmes de puissance avion (y compris le réseau électrique), ne permettent pas une évaluation suffisamment précise du fait du large périmètre de ces travaux (prises en compte de l’intégralité des systèmes de puissance avion). A l’inverse, des outils tels que Saber permettent de faire des simulations complexes de tout ou partie d’un réseau avion [FAU09] ou d’hélicoptère [SAU12], mais ces outils se limitent à une analyse système qui permet de valider a posteriori les choix des architectes et concepteurs mais pas véritablement de les guider en phase amont du processus de conception réseau. De plus, dans le contexte de complexité des architectures électriques et au vu du nombre de « cas de charge » (tels que listés précédemment), la prise en compte par l’analyse fine d’un réseau complet avion est aujourd’hui difficile à appréhender autrement qu’au « coup par coup ». A notre connaissance, seul [CLSK] a proposé un outil (ENADOT), basé sur le langage de modélisation acausal Modelica [ELM98][FRI04], permettant de schématiser puis évaluer une architecture de réseau électrique aéronautique. Mais cet outil ne permet pas d’optimiser une architecture donnée

de manière automatique en respectant toutes les contraintes (règles) de conception et en

éprouvant les solutions pour tous les « cas de charge ».

Figure I-38 Modélisation simplifiée du réseau [HAN08]

Figure I-39 Réseau réalisé avec l’outil ENADOT [CSH09]