Electrical propulsion-based aircraft microgrid : technologies, architectures, and models

Thèse ou mémoire avec insertion d'articlesLe domaine des transports fait face à de nombreux défis tels que la réduction de la pollution sonore, la réduction de la pollution atmosphérique et la réduction de l'émission de gaz à effet de serre. Le domaine de l'aviation n'y fait pas exception. Dans ce contexte, l'électrification des transports est vue comme une solution potentielle à ces défis. Ce mémoire porte sur l'étude du réseau électrique des aéronefs à propulsion électrique. L'étude d'un tel réseau est faite à l'aide de deux approches complémentaires. La première est présentée sous la forme d'un article de synthèse donnant un aperçu des meilleures technologies et architectures à utiliser pour ce type de réseau. Cette première partie couvre le niveau tension de distribution, l'électronique de puissance, l'isolation électrique, les dispositifs de protection, la mise à la terre et les architectures générales du réseau des aéronefs à propulsion électrique. La deuxième approche est la modélisation de ce type de réseau pour un avion à propulsion hybride-électrique qui est étudié dans le cadre du projet HEPOS. La modélisation de la chaîne de traction électrique est principalement centrée autour de deux paramètres importants pour les applications aéronautiques : la masse et le rendement. Les composants de la chaîne de traction étudiées sont le convertisseur DC/DC, les câbles et l'onduleur. Des modèles pour les sous-composants inclus dans les composants principaux comme les modules de puissance et les inductances sont également développés et présentés. Les modèles de simulation sont développés pour permettre le processus d'optimisation du groupe motopropulseur de l'avion sur de longues missions. Ils combinent une exécution rapide à un haut niveau de précision pour estimer l'efficacité du groupe motopropulseur à tout moment de la mission.The transportation sector faces challenges such as reduction of audible noise, pollutant emission and green house gas emission. As a part of the transportation sector, aviation is faced with those challenges. A potential solution for those problems is the electrification of transport. This master's thesis focuses on the study of the electrical grid of electrical propulsion-based aircraft. The study of such a grid is made using two complementary approaches. The first one is presented in the form of a review article giving insight on the best technologies and architectures to be used for this type of grid. This first part covers the voltage distribution level, power electronic, electrical insulation, protection devices, grounding, and global grid architectures of electrical propulsion-based aircraft. The second approach is the modeling of such a grid for the hybrid-electrical propulsion aircraft studied in the framework of HEPOS project. The modeling of the electrical propulsion powertrain is mainly centered on two important parameters for aircrafts applications: weight and efficiency. The main components of the powertrain studied are DC/DC converter, cables, and inverter. Models for subcomponents included in the main parts like power electronic devices and inductors are also developed and presented. The simulation models are developed to allow the optimization process of the aircraft's powertrain over long mission. They combine fast model execution with high level of precision to estimate the efficiency of the powertrain at any given time of the mission