Une avancée majeure vers des technologies de propulsion hybride haute performance pour les avions de la prochaine génération
En réunissant des compétences en génie électrique, chimique et thermique, le projet HASTECS, financé par l’UE, a permis d’évaluer et d’optimiser les architectures de propulsion hybride, une technologie en pleine évolution qui pourrait considérablement réduire les émissions de CO2 des avions de demain. Comme pour les voitures hybrides, cette technologie supplée les moteurs à combustion interne traditionnels par des moteurs électriques qui utilisent l’énergie de sources auxiliaires telles que des batteries ou des piles à combustible. Malgré leur potentiel prometteur, les systèmes électriques exigent des progrès en matière d’électronique de puissance pour gérer les charges toujours plus importantes et la nécessité de dissiper la chaleur créée par les pertes au sein de la chaîne d’alimentation électrique. En outre, le poids et la consommation de carburant supplémentaires introduits par les composants électriques additionnels doivent être compensés par des systèmes à très haute performance énergétique. «En nous concentrant sur les avions régionaux conçus pour transporter jusqu’à 70 passagers sur des trajets court-courriers, nous avons développé des modèles et conçu des outils destinés à optimiser la propulsion hybride. Nos activités ont porté sur l’ensemble de la chaîne de puissance électrique hybride: machines électriques, refroidissement, électronique de puissance et gestion thermique», souligne Xavier Roboam, directeur de recherche au laboratoire LAPLACE de l’Université de Toulouse en France et coordinateur de HASTECS.
Des moteurs électriques de haute performance
Les chercheurs de LAPLACE ont présenté des moteurs électriques dotés de puissances spécifiques élevées, dépassant les 11 kW/kg (y compris le dispositif de refroidissement). Les hauts rendements électriques rapportés (plus de 97 %) sont attribués au moteur synchrone à aimants permanents haute performance équipé d’un réseau Halbach. Des bobinages spéciaux et des tôles magnétiques ultra-minces qui limitent les pertes à haute fréquence ont également été déterminants pour l’obtention de ces excellents rendements. De hauts rendements de conversion électromécanique doivent aller de pair avec des systèmes de refroidissement tout aussi performants. À cette fin, les chercheurs de l’Institut Pprime ont utilisé un mélange de glycol et d’eau comme liquide de refroidissement pour le rotor et le stator, et ont ajouté des tuyaux de refroidissement dans les fentes du stator afin d’obtenir des puissances spécifiques encore plus élevées. «Atteindre des puissances spécifiques de plus de 10 kW/kg dans les moteurs d’avion constitue une réelle percée. Les performances des véhicules électriques font pâle figure en comparaison. Le moteur des véhicules électriques Tesla, avec son système de refroidissement, affiche une puissance spécifique inférieure à 4 kW/kg», explique Xavier Roboam.
Optimiser l’électronique de puissance, le refroidissement et la distribution haute tension
Des travaux impressionnants ont également été menés par les chercheurs de LAPLACE en matière de contrôle et de conversion de l’énergie électrique. L’utilisation conjointe d’un bus haute tension (2 kV) à la structure mécanique optimisée, des meilleurs composants électroniques tels que les transistors bipolaires à grille isolée de 7e génération et de stratégies de modulation optimisées pour différents convertisseurs multiniveaux s’est avérée particulièrement efficace pour concevoir des systèmes d’électronique de puissance compacts et efficaces. L’Institut Pprime, en collaboration avec les chercheurs du laboratoire LAPLACE, a également proposé un système de refroidissement diphasique à pompage de haute performance. «À l’intérieur du système d’électronique de puissance, 1 kg du dispositif de refroidissement peut éliminer 4,5 kW de pertes thermiques, permettant à la puissance spécifique du système de conversion de puissance de dépasser 30 kW/kg, bien au-delà des objectifs ambitieux fixés par l’industrie aéronautique», fait remarquer Xavier Roboam. «Dans le cadre des efforts visant à augmenter la capacité des sources d’énergie électrique en recherchant des niveaux de tension sans précédent, un défi particulier est lié aux décharges partielles», explique Xavier Roboam. Ce phénomène, causé par la fatigue des matériaux isolants exposés à des niveaux de tension élevés, dégrade les équipements et peut également provoquer des pertes de puissance. Pour y remédier, les chercheurs de LAPLACE ont proposé de recourir à des matériaux isolants plus résistants (tolérant les décharges partielles) compatibles avec des bus de tension dont la tension est comprise entre 1,5 et 2 kV. L’optimisation de l’ensemble du groupe propulseur a complété les études menées par HASTECS, mettant en évidence des interactions inattendues. HASTECS a été un véritable succès technologique et scientifique, démontrant la conception de composants de puissance embarqués avec de hautes puissances spécifiques. «Nos travaux pionniers ouvrent la voie aux premiers groupes propulseurs opérationnels dans les futurs avions hybrides électriques, plus respectueux de l’environnement», conclut Xavier Roboam.
Mots‑clés
HASTECS, refroidissement, puissance spécifique, propulsion hybride, électronique de puissance, moteur électrique, décharges partielles, laboratoire LAPLACE, Université de Toulouse, distribution haute tension
