Design and simulation of a fuel cell hybrid emergency power system for a more electric aircraft : evaluation of energy management schemes

• Main Author: Njoya Motapon, Souleman
• Format: Others
• Published: École de technologie supérieure 2013
• Online Access: http://espace.etsmtl.ca/1157/1/NJOYA_MOTAPON_Souleman.pdf; http://espace.etsmtl.ca/1157/2/NJOYA_MOTAPON_Souleman%2Dweb.pdf

Dans le but de réduire la consommation de combustibles fossiles et les coûts liés à la maintenance, l’industrie aéronautique vise à remplacer la plupart des systèmes hydrauliques et pneumatiques des avions conventionnels par des systèmes électriques. Ces nouveaux avions du futur sont appelés « avion plus électrique ». Dans ces avions plus électrique, l’augmentation de la demande électrique rend l’utilisation du système de secours actuel basé sur une éolienne traditionnelle impossible. Surtout lors des atterrissages et décollages où la puissance fournie par celle-ci est presque nulle. L’une des solutions considérée par les avionneurs est de remplacer l’éolienne par un système hybride basé sur une pile à hydrogène, assistée par les batteries et/ou les super condensateurs. Afin de s’assurer que le système hybride pourra satisfaire à la demande, il doit être correctement conçu et une stratégie efficace de gestion d’énergie doit être testée avec un vrai profil de vol. Ce travail vise à concevoir un système d’alimentation de secours basé sur une pile à hydrogène pour un avion plus électrique, et à comparer différentes stratégies de gestion d’énergie; avec pour but de s’assurer que la demande en situation d’urgence est entièrement satisfaite, et ce, dans les limites de chaque source d’énergie. Le système hybride considéré est constitué d’une pile à hydrogène, d’un bac de batteries aux ions de lithium et de super condensateurs, ainsi que leur convertisseurs CC-CC et CC-CA associés. Les stratégies de gestion d’énergie considérées sont les plus courantes de l’état de l’art, utilisées dans les véhicules hybrides, à savoir: la stratégie de commande par état de la machine, la stratégie basée sur la logique floue, la stratégie de commande par régulateur PI, la stratégie de commande basée sur le découplage de la fréquence et la stratégie de minimisation de la consommation équivalente (ECMS). D’autre part, une nouvelle stratégie optimale basée sur la maximisation de l’énergie instantanée des batteries/super condensateurs, est proposée afin d’en améliorer l’économie en hydrogène. En plus, un algorithme basé sur l’optimisation hors-ligne a été également développé afin de valider la stratégie proposée. Les critères principaux de comparaison des différentes stratégies sont les suivants: la consommation d’hydrogène, l’état de charge des batteries/super condensateurs et l’efficacité globale du système. En plus, le niveau de sollicitations de chaque source d’énergie, qui influence énormément leur cycle de vie, est mesuré avec une nouvelle approche basée sur la transformée en ondelettes de leur puissance instantanée. Un modèle de simulation et un banc d’essai expérimental ont été développés pour valider toutes les analyses et les différentes performances. Les principaux résultats obtenus sont les suivants : la stratégie de commande par état de la machine a fourni une performance légèrement meilleure en termes d’efficacité globale et du niveau de sollicitations des batteries et des super condensateurs. La stratégie de commande par régulateur PI et celle proposée ont eu la plus basse consommation d’hydrogène, mais avec un taux d’utilisation de l’énergie des batteries plus élevé. Comme prévu, le plus bas niveau de sollicitations de la pile à hydrogène ainsi que le plus bas taux d’utilisation de l’énergie des batteries ont été réalisés avec la stratégie de commande basée sur le découplage de la fréquence, mais aux dépens d’une consommation d’hydrogène plus élevée et d’une efficacité globale plus faible. Pour toutes les stratégies, la tension du bus DC ou des super condensateurs est presque maintenue constante. En outre, la stratégie proposée a été légèrement meilleure comparée à l’ECMS en termes de consommation d’hydrogène et d’efficacité globale avec une augmentation sur l’économie en hydrogène de 3 %. La stratégie de gestion d’énergie appropriée au système de secours des avions plus électrique devrait être de type multi-stratégies telle que chaque stratégie est choisie basée sur un critère spécifique prioritaire. Par exemple, selon la durée de fonctionnement de chaque source d’énergie, la stratégie de gestion d’énergie peut être choisie avec pour but de réduire au minimum le niveau de sollicitations du système de pile à hydrogène, des batteries ou des super condensateurs, ainsi augmentant le cycle de vie du système d’alimentation hybride. Par ailleurs, si la cible est de réduire la consommation d’hydrogène, la stratégie proposée ou celle classique par régulateur PI sont de meilleurs candidats.