Fonctions et composants des réseaux électriques embarqués

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I Contexte et problématiques de conception d’un réseau électrique embarqué
I.1 Evolution des besoins énergétiques dans les avions
I.1.1 Sources primaires d’énergie des avions
I.1.1.1 Moteurs
I.1.1.2 APU
I.1.1.3 RAT
I.1.1.4 Groupe de parc
I.1.2 Principaux vecteurs énergétiques des avions
I.1.2.1 Systèmes à puissance pneumatique
I.1.2.2 Systèmes à puissance hydraulique
I.1.2.3 Systèmes à puissance électrique
I.1.3 L’avion plus électrique
I.1.3.1 Avion « Hydraulicless»
I.1.3.2 Avion « Bleedless »
I.1.3.3 Les gains attendus
I.1.3.4 Les verrous à lever
I.2 Fonctions et composants des réseaux électriques embarqués
I.2.1 L’objectif du réseau électrique
I.2.2 Fonction F1 : Générer la puissance électrique
I.2.2.1 Fonction F1.1 : Générer la puissance électrique à partir des moteurs
I.2.2.2 Fonction F1.2 : Générer la puissance électrique à partir de l’APU
I.2.2.3 Fonction F1.3 : Générer la puissance électrique en situation d’urgence
I.2.2.4 Fonction F1.4 : Générer la puissance électrique pour une durée déterminée
I.2.3 Fonction F2 : Adapter les niveaux de tension
I.2.3.1 Fonction F2.1 : Convertir une tension AC ou HVAC en une tension DC
I.2.3.2 Fonction F2.2 : Convertir une tension HVAC en une tension AC (bidirectionnelle)
I.2.3.3 Fonction F2.3 : Convertir une tension HVAC en une tension HVDC
I.2.3.4 Fonction F2.4 : Convertir une tension HVDC en une tension DC (bidirectionnelle)
I.2.4 Fonction F3 : Distribuer la puissance électrique
I.2.4.1 Fonction F3.1 : Transporter la puissance électrique
I.2.4.2 Fonction F3.2 : Connecter les charges au réseau
I.2.4.3 Fonction F3.3 : Configurer le réseau
I.2.5 Fonction F4 : Gérer les charges
I.2.5.1 Fonction F4.1 : Protéger le réseau électrique
I.2.5.2 Fonction F4.2 : Connecter/Déconnecter les charges
I.2.6 Autres fonctions
I.2.7 Résumé de la description du réseau électrique embarqué
I.2.8 Profils de mission du réseau électrique : les cas de charge
I.2.8.1 Dimension d1 : les phases de la mission
I.2.8.2 Dimension d2 : les modes du réseau
I.2.8.3 Dimension d3 : les modes des systèmes
I.2.8.4 Dimension d4 : les conditions extérieures
I.2.8.5 Impact des cas de charge
I.3 PARTIE 1 : problématiques de conception du réseau électrique embarqué
I.3.1 Etat de l’art sur la conception des réseaux électriques dans les avions
I.3.1.1 Exemples illustratifs de recherches sur l’avion plus électrique
I.3.1.2 Positionnement et manque des études existantes
I.3.2 Un nouveau problème de conception
I.3.2.1 Positionnement dans le cycle de conception et problématiques traitées
I.3.2.2 Un problème de conception optimale
I.3.3 Problématique 1.A : définition des configurations du réseau
I.3.3.1 Mode du réseau
I.3.3.2 Configuration de contacteurs
I.3.3.3 Scénario de reconfiguration
I.3.4 Problématique 1.B : définition de l’allocation de charges
I.3.5 Dimensionnement des sources du réseau électrique
I.3.5.1 Etape n°1 : identification du « pire » cas pour les sources
I.3.5.2 Etape n°2 : application des lois de masse
I.3.5.3 Etape n°3 : application des contraintes économiques
I.3.5.4 Exemple de processus de dimensionnement
I.3.6 Approche globale retenue
I.3.6.1 Une explosion combinatoire
I.3.6.2 Approche séquentielle
I.3.7 Cas d’application
I.3.7.1 Réseau de référence
I.3.7.2 Deux problèmes de tailles et complexités différentes
I.4 PARTIE 2 : problématique de conception du cœur électronique modulaire et mutualisé
I.4.1 Pourquoi un nouveau type de cœur ?
I.4.1.1 Structures classiques d’alimentation des charges à piloter dans un avion
I.4.1.2 Des consommations de charges fluctuantes et non simultanées
I.4.2 Présentation du concept de cœur électronique modulaire et mutualisé
I.4.2.1 Etat de l’art sur la modularité et la mutualisation de l’électronique dans l’aéronautique
I.4.2.2 Constitution et principes de fonctionnement
I.4.2.3 Un dispositif robuste face à la perte de modules
I.4.2.4 Un dispositif capable de s’adapter aux fluctuations de consommation
I.4.2.5 Insertion du cœur électronique modulaire et mutualisé dans le réseau
I.4.3 La reconfiguration : une problématique centrale pour la conception du cœur électronique modulaire et mutualisé
I.5 Conclusions
PARTIE 1
Chapitre II : Scénarii de reconfiguration
II.1 Etat de l’art sur les reconfigurations des réseaux électriques
II.1.1 Les réseaux de distribution terrestres
II.1.1.1 Méthodes heuristiques
II.1.1.2 Méthodes métaheuristiques
II.1.1.3 Système experts
II.1.2 Les réseaux embarqués
II.1.2.1 Dans les navires
II.1.2.2 Dans les avions
II.1.3 Utilisation des graphes
II.2 Modélisation du réseau par la théorie des graphes
II.2.1 La théorie des graphes
II.2.1.1 Historique sur la théorie des graphes
II.2.1.2 Définitions relatives aux graphes non-orientés
II.2.2 Modélisation du réseau électrique par un graphe
II.2.2.1 Modélisation de la structure du réseau électrique
II.2.2.2 Modélisation de la configuration de contacteurs
II.2.3 Les algorithmes de la théorie des graphes
II.2.3.1 Algorithme de recherche des chemins entre 2 nœuds (ALGO-1)
II.2.3.2 Algorithme de recherche du plus court chemin entre 2 nœuds (ALGO-2)
II.2.3.3 Algorithme hybride : plus court chemin + N nœuds (ALGO-3)
II.2.4 Exploitation des algorithmes
II.2.4.1 Load Flow en puissance
II.2.4.2 Modélisation de la connectivité du réseau pour le système expert
II.3 Génération des scénarii de reconfiguration par un système expert
II.3.1 Systèmes experts
II.3.1.1 Présentation générale
II.3.1.2 Les systèmes experts pour résoudre le problème de reconfiguration
II.3.2 Environnement de développement CLIPS
II.3.3 Représentation des données du problème
II.3.3.1 Types de représentation des données
II.3.3.2 Classes d’objet
II.3.3.3 Exemple de représentation d’un réseau en CLIPS
II.3.4 Représentation de la connaissance par des règles
II.3.4.1 Architecture d’une règle
II.3.4.2 Règles de construction
II.3.4.3 Règles obligatoires
II.3.5 Génération de configurations par un raisonnement
II.3.5.1 Processus général de raisonnement
II.3.5.2 Construction de configurations par un raisonnement
II.3.5.3 Exemple de construction de configuration
II.3.5.4 Génération d’un scénario de reconfiguration
II.3.6 Génération de plusieurs scénarii de reconfiguration
II.3.6.1 Par réglage des priorités des règles de construction
II.3.6.2 Par ajout de règles de construction
II.3.6.3 Génération de plusieurs scénarii de reconfiguration
II.4 Evaluation et sélection des scénarii de reconfiguration par la programmation linéaire
II.4.1 Une allocation de charges dite « continue »
II.4.2 Formulation du problème d’allocation de charges par la programmation linéaire
II.4.2.1 Généralités sur la programmation linéaire
II.4.2.2 Formulation du problème d’allocation de charges par la programmation linéaire
II.4.3 Allocation « mixte » par la programmation linéaire
II.5 Performance de l’approche
II.5.1 Application d’un système expert à des réseaux existants
II.5.1.1 Objectif et méthodologie du test
II.5.1.2 Constitution des réseaux
II.5.1.3 Résultats et analyses
II.5.2 Application du système expert au réseau de référence
II.5.2.1 Complétude de la génération de configurations
II.5.2.2 Précision de l’évaluation des scénarii de reconfiguration
II.5.2.3 Performance des scénarii produits par le système expert
II.6 Conclusion
Chapitre III : Allocation de charges
III.1 Etat de l’art sur l’allocation de charges
III.1.1 Problème d’affectation à trois dimensions
III.1.1.1 Analogies et différences avec le problème d’allocation de charges
III.1.1.2 Méthodes de résolution
III.1.2 Problème du sac à dos
III.1.2.1 Analogies et différences avec le problème d’allocation de charges
III.1.2.2 Les méthodes de résolution
III.1.3 Conclusion sur le positionnement du problème d’allocation de charges
III.2 Problème d’allocation de charges
III.2.1 Rappels sur la définition du problème d’allocation de charges
III.2.1.1 Variables de décision
III.2.1.2 Fonction objectif
III.2.1.3 Contraintes
III.2.2 Modélisation des fiabilités des fonctions par des contraintes d’allocation au niveau des barres
III.2.2.1 Type 1 : contraintes d’allocation exprimées de manière quantitative
III.2.2.2 Type 2 : contraintes d’allocation exprimées de manière qualitative
III.2.3 Réalisation d’un codage indirect à valeurs entières
III.2.3.1 Problème de Satisfaction de Contraintes
III.2.3.2 Problème de Satisfaction de Contraintes pour l’allocation des charges
III.2.3.3 Résolution de plusieurs Problèmes de Satisfaction de Contraintes
III.2.3.4 Exemple de codage des variables de décision
III.2.3.5 Application du codage indirect sur les 2 cas d’application
III.3 Résolution du problème d’allocation de charges
III.3.1 Méthodes d’optimisation évaluées
III.3.1.1 Recuit Simulé (RS)
III.3.1.2 Algorithme génétique standard (SGA)
III.3.1.3 Algorithme génétique avec méthode de nichage
III.3.1.4 Algorithme de Monte-Carlo (MCS)
III.3.2 Evaluation des méthodes d’optimisation
III.3.2.1 Problème de taille réduite
III.3.2.2 Problème de taille réelle
III.3.3 Aspect multi-objectifs
III.3.3.1 Présentation des critères supplémentaires
III.3.3.2 Application des critères supplémentaires en post-traitement
III.3.3.3 Comparaison des résultats avec un algorithme multi-objectifs NSGA2
III.4 Conclusions
PARTIE 2
Chapitre IV Conception d’un cœur électronique modulaire et mutualisé
IV.1 Périmètre de l’étude
IV.1.1 Interfaces : le réseau électrique, les charges, le système de refroidissement
IV.1.2 Composants étudiés : un monde multi-physique
IV.1.3 Une charge à alimenter, plusieurs configurations possibles
IV.1.4 Un problème de conception à nombreux couplages
IV.1.5 Données du problème
IV.1.5.1 Une 5ème dimension aux cas de charge : les modes des modules
IV.1.5.2 Charges considérées
IV.1.5.3 Consommations des charges
IV.2 Formalisation mathématique du problème d’optimisation
IV.2.1 Variables de conception
IV.2.2 Fonction objectif
IV.2.3 Contraintes de conception
IV.2.3.1 Contraintes économiques
IV.2.3.2 Contraintes opérationnelles
IV.2.3.3 Contraintes fonctionnelles
IV.2.4 La reconfiguration de la matrice de contacteur : une explosion combinatoire
IV.2.4.1 Exemple de solution de reconfiguration
IV.2.4.2 Une explosion combinatoire selon deux axes
IV.2.4.3 La solution de reconfiguration : un rôle central dans la définition du cahier des charges du cœur
IV.3 Procédure d’évaluation de la masse
IV.3.1 Organisation générale de la procédure
IV.3.1.1 Etat de l’art des formalismes
IV.3.1.2 Présentation de l’organisation générale de la procédure
IV.3.2 Identification des grandeurs issues du choix du concepteur
IV.3.2.1 Nombres de contacteurs et d’inductances
IV.3.2.2 Courants et tensions des modules
IV.3.3 Modèles d’estimation
IV.3.3.1 Etat de l’art des techniques pour la réalisation d’un modèle d’estimation
IV.3.3.2 Présentation des modèles de dimensionnement
IV.3.3.3 Coefficients de sensibilité sur les lois de masse et d’estimation des pertes
IV.4 Algorithme d’optimisation
IV.4.1 Présentation de l’heuristique
IV.4.1.1 Algorithmique général
IV.4.1.2 1er étape : découpage du problème par niveau de courant de module
IV.4.1.3 2ème étape : définition de la solution de reconfiguration
IV.4.1.4 Forme des résultats issus de l’heuristique
IV.4.2 Performance de l’heuristique
IV.4.2.1 Test n°1 : optimum sur des problèmes de tailles réduites
IV.4.2.2 Test n°2 : borne inférieure sur des problèmes de taille réelle
IV.4.2.3 Test n°3 : référence industrielle sur des problèmes de tailles réelles
IV.5 Analyse post-optimale des solutions
IV.5.1 Identification des tendances et des meilleures solutions
IV.5.1.1 Méthodologie : écart relatif par rapport à la meilleure solution
IV.5.1.2 Moyenne et écart-type des écarts relatifs
IV.5.1.3 Valeur maximale des écarts relatifs
IV.5.2 Analyse des tendances
IV.5.2.1 Vue globale de l’ensemble des solutions
IV.5.2.2 Répartition de masse des solutions
IV.5.3 Calculs des effets sur les 4 solutions perfectionnées
IV.5.3.1 Calcul des effets
IV.5.3.2 Identification des meilleures solutions pour chaque essai
IV.6 Conclusions
Conclusion générale et perspectives