L ES HELICOPTERES

5.3.1 L’ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES HELICOPTERES

Un hélicoptère, du type 9-11t ⁶, est composé d’un réseau primaire en alternatif 115V-200V AC – 400Hz et un sous réseau en continu 28V DC. La puissance disponible installée est de l’ordre d’une centaine de kilo-Volt- Ampère.

5Le terme « bleed » définit le prélèvement d’air au niveau des étages de compression des réacteurs, générant une énergie pneumatique nécessaire pour le système de conditionnement d’air et pour les fonctions de dégivrage. Un avion

« bleedless » ne comporte plus de système de prélèvement d’air au niveau des moteurs et le réseau pneumatique principal est supprimé. Les systèmes pneumatiques de l’avion conventionnel sont électrifiés dans l’avion « bleedless », d’où l’augmentation notable de la puissance électrique installée.

6 Un hélicoptère 9-11t est un hélicoptère de transport, dont la masse maximale est de 11 tonnes.

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La Figure I-22 présente l’architecture d’un hélicoptère. La génération électrique, pour le réseau alternatif 115V AC, est assurée par des alternateurs couplés sur les turbines. Le bus continu 28V DC est obtenu par des systèmes redresseurs à partir du réseau alternatif. Des sources auxiliaires sont embarquées, telles que l’APU connecté sur le réseau alternatif ou encore le générateur de secours qui alimente le bus 28V DC en cas d’urgence. Lorsque l’hélicoptère est au sol, des groupes de parc peuvent être aussi connectés : l’ACEPU pour le réseau 115V AC et le DCEPU pour le bus 28V DC. Enfin des batteries d’accumulateurs sont connectées au bus continu.

FIGURE I-22 : ARCHITECTURE D’UN HELICOPTERE BIMOTEUR [44]

Ci-dessous sont donnés quelques éléments de nomenclature pour la compréhension de la Figure I-22 : TRU (Transformer Rectifier Unit) : système redresseur pour obtenir du 28V DC à partir du 115V AC APU (Auxiliary Power Unit) : groupe générateur auxiliaire

Emergency Generator : générateur de secours

ACEPU (Alternative Current External Power Unit) : prise de parc AC DCEPU (Direct Current External Power Unit) : prise de parc DC 5.3.2 LE STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE DANS LES HELICOPTERES

En termes de puissance installée, les hélicoptères sont assez proches des petits avions civils et des avions militaires. Les réseaux électriques de ces aéronefs sont pour la plupart identiques et les éléments de stockage également. Ces derniers sont connectés au bus continu 28V.

Dans un hélicoptère, les batteries d’accumulateurs ont pour fonction de fournir l’alimentation électrique autonome pour le démarrage de l’APU ou celui des turbines (leur démarrage est électrique, contrairement à un avion, et s’effectue via les starters connectés au réseau AC). Les batteries ont en charge également l’alimentation électrique d’urgence en cas de défaillance ou panne du système de génération électrique en vol.

La technologie d’accumulateurs employée est Ni-Cd pour fournir la puissance nécessaire au démarrage des moteurs et l’énergie en cas de secours. Les batteries Ni-Cd ULM® de Saft [43] équipent notamment les hélicoptères Eurocopter EC120/EC145/NH90/EC175. La technologie au lithium est également utilisée mais davantage pour les systèmes d’urgence type sièges éjectables et parachutes de sécurité, alarmes et radiobalises de détresse, dans le cas d’aéronefs militaires.

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L’architecture de l’aéronef étudié dans le Projet est différente de celle d’un aéronef actuel. L’évolution concerne notamment l’utilisation des éléments de stockage. Dans un aéronef actuel, les éléments de stockage ont pour fonction de fournir l’alimentation électrique autonome pour le démarrage des moteurs ou de l’APU et de fournir l’alimentation électrique d’urgence en cas de défaillance ou de panne du système de génération électrique en vol. Dans le Projet, leur utilisation ne se limitera pas à ces deux seules fonctions. En effet, il est envisagé d’utiliser ces SSE tout au long de la mission de l’aéronef, et non plus seulement au début de la mission (démarrage des moteurs) ou en cas de secours.

L’architecture étudiée est donc une architecture à deux bus (bus n°1 et bus n°2) reliés entre eux par l’intermédiaire d’un convertisseur. Cette architecture est présentée en Figure I-23. La poutre électrique comprend les moyens de génération, de stockage, de distribution et de conversion de l’énergie électrique pour l’aéronef. Les moyens de génération électrique sont des Starter/Generators (S/G) et les éléments de stockage sont du type batteries d’accumulateurs (ACC) et packs de supercondensateurs (SCAP). Ces divers éléments peuvent être connectés directement aux bus ou par l’intermédiaire d’un convertisseur.

Un des objectifs principaux du Projet est la mise en œuvre d’une gestion de l’énergie électrique, dans le but de récupérer de l’énergie, de minimiser la masse embarquée dans l’aéronef et de limiter le prélèvement de puissance sur les générateurs, donc in fine de réduire la consommation en kérosène. Pour atteindre ces objectifs et particulièrement celui de minimisation de la masse embarquée, la maîtrise de la tension des bus continus est essentielle. En effet, si la tension des bus varie peu, la taille des filtres en entrée des actionneurs connectés sur les bus peut être réduite, d’où un gain de masse substantiel. La gestion d’énergie, développée pour le Projet par Bienaimé [45], prévoit de solliciter les éléments de stockage pour réguler la tension des bus.

En outre, pour réaliser une gestion de l’énergie efficace, l’utilisation d’éléments de stockage complémentaires en termes de performances dynamiques est nécessaire. La stratégie de gestion de l’énergie qui est élaborée pour le Projet consiste à décomposer les besoins énergétiques de la poutre électrique en trois niveaux : impulsionnels, transitoires et permanents et de solliciter les trois types de sources disponibles en fonction de ces niveaux. Les supercondensateurs, sources de puissance, sont plus aptes à fournir des pics de puissance, donc de répondre aux besoins impulsionnels de la poutre. Dans un registre moins dynamique, les accumulateurs sont ici considérés comme une source d’énergie, capable de répondre aux besoins transitoires de la poutre. Ainsi, les générateurs n’ont plus à assurer qu’un régime permanent, pour lequel la dérivée de la puissance est quasiment nulle, ce qui permet une certaine limitation du prélèvement de puissance sur ceux-ci.

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FIGURE I-23 : ARCHITECTURE DE LA POUTRE ELECTRIQUE

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En conclusion de ce premier chapitre, l’état de l’art sur les moyens décentralisés et réversibles pour le stockage de l’énergie électrique et leur comparaison ont mis en avant l’intérêt d’hybrider des composants présentant des caractéristiques complémentaires. Le Projet donne l’opportunité de faire évoluer l’architecture électrique d’un aéronef en intégrant de nouvelles technologies pour stocker l’énergie et en leur attribuant de nouvelles fonctions (notamment dans la gestion de l’énergie embarquée). Les supercondensateurs et les accumulateurs électrochimiques au lithium identifiés pour le Projet sont des composants de technologies nouvelles pour l’Application, et cela d’autant plus dans le cadre d’une utilisation tout au long d’une mission. Il est donc nécessaire de caractériser expérimentalement ces composants dans des conditions en lien avec l’Application.

De plus, la mise au point d’une stratégie de gestion de l’énergie et sa validation implique la simulation de la poutre complète, dont les éléments de stockage. Les chapitres II et III sont donc dédiés à la caractérisation et à la modélisation des accumulateurs électrochimiques et des supercondensateurs.

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