特表 2025-501930 電気航空機推進システムのためのＤＣ－ＤＣコンバータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-24

(54)【発明の名称】電気航空機推進システムのためのＤＣ－ＤＣコンバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20250117BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024539295

(86)(22)【出願日】2022-12-27

(85)【翻訳文提出日】2024-08-23

(86)【国際出願番号】 FR2022052514

(87)【国際公開番号】W WO2023131755

(87)【国際公開日】2023-07-13

(31)【優先権主張番号】2200108

(32)【優先日】2022-01-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】516235451

【氏名又は名称】サフラン・ヘリコプター・エンジンズ

(71)【出願人】

【識別番号】311016455

【氏名又は名称】サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェ シアンティフィク

【氏名又は名称原語表記】ＣＥＮＴＲＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＤＥ ＬＡ ＲＥＣＨＥＲＣＨＥ ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＱＵＥ

(71)【出願人】

【識別番号】512079439

【氏名又は名称】ユニベルシテ ドゥ ロレーヌ

(74)【代理人】

【識別番号】110001173

【氏名又は名称】弁理士法人川口國際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】バラコ，トマ・ミシェル・アンドレ・ジェラール

(72)【発明者】

【氏名】クロノウスキー，トマ

(72)【発明者】

【氏名】ピエルフェデリシ，セルジュ・リオネル

(72)【発明者】

【氏名】ウエーバー，マチュー・ロベール

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730AA15

5H730AS04

5H730AS05

5H730AS08

5H730AS13

5H730AS17

5H730BB27

5H730DD03

5H730DD04

5H730DD12

5H730DD16

5H730EE03

5H730EE07

5H730EE12

5H730FG03

5H730FG10

(57)【要約】

本発明は、電気航空機推進システムのためのＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）であって、電気推進システムの電気エネルギーストレージユニットと直列に接続されるように設計されたＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）に関する。ＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）は、インバータ（４０１）、変圧器（４０３）、及び整流器（４０５）を備え、整流器（４０５）に接続され、ＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）を通過する電力を制御するように構成された電流源（４１７）をさらに備える。変圧器（４０３）は、一次コイル（４０３ａ）及び２つの二次コイル（４０３ｂ、４０３ｃ）を備え、２つの二次コイル（４０３ｂ、４０３ｃ）は、電気推進システム（２０１）の高電圧ＤＣバス（２０７）に接続されるように設計された共通端子（４０７）と、整流器（４０５）に接続されている２つの他の端子（４０９、４１１）とを共有する。整流器（４０５）は、それぞれ直列であり、一方で、変圧器（４０３）の２つの他の端子（４０９、４１１）に接続され、他方で、電流源（４１７）に接続されている少なくとも２つのトランジスタ（４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、４１５ｄ）を備える２本のアームを備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気航空機推進システム（２０１）のためのＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）であって、前記電気推進システム（２０１）の電気エネルギーストレージユニット（２０５）と直列に接続されるように設計され、電気エネルギーストレージユニット（２０５）から来るＤＣ入力電圧から第１のＡＣ電圧を供給するように構成されたインバータ（４０１）と、第１のＡＣ電圧から少なくとも１つの第２のＡＣ電圧を供給するように構成された変圧器（４０３）と、前記少なくとも１つの第２のＡＣ電圧から出力ＤＣ電圧を供給するように構成された整流器（４０５）とを備え、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）は、整流器（４０５）に接続され、前記ＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）を通して移動する電力を制御するように構成された電流源（４１７）をさらに備えるという点と、
変圧器（４０３）が、一次コイル（４０３ａ）及び２つの二次コイル（４０３ｂ、４０３ｃ）を備え、２つの二次コイル（４０３ｂ、４０３ｃ）が、電気推進システム（２０１）の高電圧ＤＣバス（２０７）に接続されるように設計された共通端子（４０７）と、整流器（４０５）に接続された２つの他の端子（４０９、４１１）とを有し、ＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）の基準レベル及びＨＶＤＣバス（２０７）の基準レベルが電流源（４１７）を通して互いに接続されているという点と、
整流器（４０５）が２本のアームを備え、それぞれが、少なくとも２つの直列のトランジスタ（４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、４１５ｄ）を備え、一方で、変圧器（４０３）の２つの他の端子（４０９、４１１）に接続され、他方で、電流源（４１７）に接続されているという点と
を特徴とする、ＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項2】

電流源（４１７）が、インダクタ（２１３）及び電気エネルギーストレージユニットを備える、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項3】

インバータ（４０１）が、複数のトランジスタ（４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ、４１３ｄ）を、好ましくはＭＯＳＦＥＴタイプの又はＩＧＢＴタイプの４つのトランジスタを含む、請求項１又は２に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項4】

トランジスタ（４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ、４１３ｄ）が、数十ｋＨｚより大きい、有利には、百ｋＨｚのオーダーの、又は百ｋＨｚより大きいスイッチング周波数を有する、請求項３に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項5】

変圧器（４０３）は、前記少なくとも１つの第２のＡＣ電圧を第１のＡＣ電圧に対して降圧させるように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項6】

変圧器（４０３）は、平面タイプ又は巻回タイプである、請求項１から５のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項7】

変圧器（４０３）は、前記変圧器（４０３）の一次コイル（４０３ａ）と２つの二次コイル（４０３ｂ、４０３ｃ）との間にガルバニック絶縁を提供するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項8】

整流器（４０５）は、４つのトランジスタ（４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、４１５ｄ）を備え、２つのトランジスタは直列に変圧器の各二次コイルに接続され、前記トランジスタはＭＯＳＦＥＴタイプである、請求項１から７のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項9】

各二次コイルに直列に接続された２つのトランジスタのゲートは共通である、請求項８に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項10】

各二次コイルに直列に接続された２つのトランジスタのゲートは別個である、請求項８に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項11】

トランジスタに並列に接続されたダイオード（４１９）が、前記トランジスタを過電圧から保護するように構成される、請求項８から１０のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項12】

少なくとも１つのフィルタ（４２１）、好ましくはＲＣフィルタタイプのフィルタ（４２１）が、変圧器と整流器との間に接続される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項13】

フィルタ（４２１）、好ましくはＲＣフィルタタイプのフィルタ（４２１）が、トランジスタ（４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、４１５ｄ）と並列に、整流器（４０５）の各アームの端子に接続される、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）。

【請求項14】

少なくとも１つの熱電供給源（２０３）と、電荷を供給するように設計された高電圧ＤＣバス（２０７）に電気エネルギーを供給するように構成された電気エネルギーストレージユニット（２０５）とを備える電気航空機推進システム（２０１）であって、請求項１から１３のいずれか一項に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ（２０９）をさらに備える、電気航空機推進システム（２０１）。

【請求項15】

電気エネルギーストレージユニット（２０５）は、スーパーキャパシタなどの電解電流源、又はバッテリなどの電気化学的電流源である、請求項１４に記載の電気航空機推進システム（２０１）。

【請求項16】

アクティブ化されると、高電圧ＤＣバス（２０７）の高電位を電気エネルギーストレージユニット（２０５）の高電位と直接接続するように構成された接触器をさらに備える、請求項１４又は１５に記載の電気航空機推進システム（２０１）。

【請求項17】

請求項１４から１６のいずれか一項に記載の電気推進システム（２０１）を備える航空機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気航空機推進システムの分野に関し、より詳細には、そのようなネットワークのためのＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

【背景技術】

【0002】

一般にシリーズハイブリッド化と称される、航空機のハイブリッド推進アーキテクチャは、航空機の負荷を供給する同じ高電圧直流（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）（ＨＶＤＣ）バスに接続された、熱電供給源（ｓｏｕｒｃｅ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｑｕｅ）と電気エネルギーストレージユニットとの共同使用を行うことが、従来技術から知られている。

【0003】

以下では、頭文字ＤＣは「直流」を表し、ＡＣは「交流」を表す。

【0004】

図１に示されるように、ハイブリッド推進アーキテクチャ１０１は一般に：
－ 制御ユニット１０５によって制御される内燃機関１０３と、
－ 動作時に、内燃機関１０３が発電機１０７を駆動するように、内燃機関に結合された発電機１０７と、
－ 発電機１０７に接続され、発電機１０７によって供給される交番電流（この場合、三相電流）を直流に変換するように構成された整流器１０９と、
－ ＤＣ－ＡＣコンバータ（交番電流を直流に変換する）１１３ａ及び１１３ｂと、
－ 整流器１０９をＤＣ－ＡＣコンバータ１１３ａ及び１１３ｂに接続する高電圧ＤＣバス１１１と、
－ 動作時に、ＤＣ－ＡＣコンバータ１１３ａ及び１１３ｂが、電気モータ１１５ａ及び１１５ｂに交番電流を供給するように、ＤＣ－ＡＣコンバータ１１３ａ及び１１３ｂに接続された電気モータ１１５ａ及び１１５ｂと、
－ 動作時に、電気モータ１１５ａ及び１１５ｂが、プロペラ１１７ａ及び１１７ｂを駆動するように、電気モータ１１５ａ及び１１５ｂに結合されたプロペラ１１７ａ及び１１７ｂと
を備える。

【0005】

アーキテクチャ１０１はさらに、バッテリなどの高電圧ＤＣストレージを意味する（ＨＶＤＣストレージとしても知られる）電気エネルギーストレージユニット１１９を備える。この電気ストレージユニットは以下の機能を行うことができる：ＨＶＤＣバスから余剰の電気エネルギーを吸収する、移行（ｔｒａｎｓｉｔｏｉｒｅ）フェーズ中に、さらなる電気エネルギーを提供する、又は燃焼機関とともに主エネルギー源として、若しくは、例えば故障の際に、燃焼機関の代替として機能する。特に、ＨＶＤＣバス上で電気エネルギーの戻りが生じると、ストレージユニット１１９は、ＨＶＤＣバスの構成要素を保護するために、この過剰な電気エネルギーを吸収する。

【0006】

そのようなアーキテクチャにおいては、内燃機関１０３と、発電機１０７と、ＤＣ－ＡＣコンバータ１１３ａ及び１１３ｂ、電気モータ１１５ａ及び１１５ｂ、並びにプロペラ１１７ａ及び１１７ｂからなっている電気推進チェーンとが、化石燃料源を用いて、複数の回転翼により、航空機を飛行させることを可能にする。

【0007】

そのようなハイブリッド推進アーキテクチャを備える航空機は、航空機の制御性、例えば、制動、回避方策、方向の変更、又はロータの傾動に関して、従来の航空機と比較してさらなる自由度を提供することを可能にするマルチロータである。

【0008】

このタイプのアーキテクチャの他の例は、特許ＥＰ－Ｂ１－３５１９２９４号及び特許出願ＷＯ－Ａ１－２０１９１８６０４２号に説明されており、ＷＯ－Ａ１－２０１９１８６０４２号では、複数の中間電力発生器が、ＨＶＤＣバスに並列に接続されている。さらに、様々な、知られているアーキテクチャにおいては、ＨＶＤＣバスはさらに、複数であり得る、又はリングネットワークにおいて接続され得る。

【0009】

いずれの場合においても、そのようなアーキテクチャは、ＶＴＯＬ（垂直離着陸）タイプの航空機向けに、又はＣＴＯＬ（通常型離着陸）タイプの航空機向けに使用され得る。

【0010】

ＨＶＤＣバスに接続された負荷が、一般に、一定出力で動作する、航空機のプロペラを駆動する電気モータである、このタイプのアーキテクチャでは、不安定な状態を、又はさらに、電圧崩壊によるバスの完全なロス（ｐｅｒｔｅ）を回避するため、ＨＶＤＣバスの最適な制御を維持することが不可欠である。

【0011】

したがって、上述のように、この制御を可能にする電気エネルギーストレージユニットを使用することが知られている。

【0012】

さらに、この電気エネルギーストレージユニットは、特に、ストレージユニットによって送達された電圧レベル及び電流レベルを適合させる役割を有するＤＣ－ＤＣコンバータに関連付けられていてもよく、又は関連付けられていなくてもよい。

【0013】

第１の手法では、電気エネルギーストレージユニットは、ＤＣ－ＤＣコンバータを使用せずに、電気推進ネットワークの残部に接続される。これは、直接接続として知られる。

【0014】

１つ以上のバッテリ（すなわち、電気エネルギーストレージユニット）の直接接続により、電気ネットワーク全体の質量を最小限に抑えることができる。実際、ＤＣ－ＤＣコンバータの追加は、質量の観点からだけでなく、体積、効率、熱放散、及び制御の複雑さの観点からもコストを有する。

【0015】

しかしながら、バッテリの電気化学的性質に起因して、この構成は、バッテリを保護するための制限を課す。これは、全てが同じ電圧を「見る」バッテリ（複数可）によって、主電圧が課せられるからである。

【0016】

さらに、ネットワークの電圧レベルは、バッテリ（複数可）の充電状態に影響を与える。後者が変わると、それに応じてバッテリの電気量も変わる。

【0017】

最後に、直接接続構成では、同じ電気ネットワークに接続されたバッテリの充電状態は同一である。これは、追加のバッテリが電気推進システムに接続されると、電圧はバランスしなければならず、移行レジーム（ｒｅｇｉｍｅ）として知られる期間中にバッテリ同士間に高電流が流れ、それにより、ネットワークの要素の動作が中断する又は劣化するおそれがあることを意味する。この移行レジームの影響は、専用システムの使用によって制限され得るが、これらのシステムは潜在的に重く、かさばる。

【0018】

第２の手法は、電気エネルギーストレージユニットと電気推進システムの残部とのインターフェースでＤＣ－ＤＣコンバータを使用することである。

【0019】

そのようなＤＣ－ＤＣコンバータの追加は複数の利点を提供する。第１に、電気エネルギーストレージユニットの電圧は、電気推進システムの残部の電圧からデカップリングされて、エネルギーストレージユニットとＨＶＤＣバスの電圧レベルとの間の異なる電圧レベルを維持させることができる。第２に、ＤＣ－ＤＣコンバータは、昇圧及び／又は降圧とすることができ、すなわち、ＤＣ－ＤＣコンバータは、その出力での電圧を、電気エネルギーストレージユニットが入力として供給した電圧に対して増加させる又は減少させることを可能にすることができる。第３に、ＤＣ－ＤＣコンバータが可逆（ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ）電流タイプであるとき、エネルギーストレージユニットの充電状態（ＳＯＣ）としても知られるエネルギーレベルを制御することもできる。

【0020】

これにより、それぞれが、それ自体のＤＣ－ＤＣコンバータを有し、互いに独立しており、それぞれが電流変動から保護された、いくつかのストレージユニットの並列での使用が可能になる。それはさらに、潜在的に有害な移行レジームを引き起こすというリスクなしで、新たなエネルギーストレージユニットとの容易な接続を可能にする。

【0021】

電気エネルギーストレージユニットと電気推進システムの残部とのインターフェースでのそのようなＤＣ－ＤＣコンバータにより、さらに、適切な場合、ガルバニック絶縁特性（すなわち、電気ネットワークの２つの部位間の導電リンクの不在）の追加を可能にする。それで、ＤＣ－ＤＣコンバータは、いわゆる完全ブリッジ構造、例えば、「デュアルアクティブブリッジ（Ｄｕａｌ Ａｃｔｉｖｅ Ｂｒｉｄｇｅ）」を表すＤＡＢとして知られる制御式完全ブリッジ構造を有する。

【0022】

しかしながら、上述のように、これらの全ての特性を考慮に入れると、質量、体積、性能、及び制御の複雑さの観点からコストとなる。特に、知られているＤＣ－ＤＣコンバータは、電気エネルギーストレージユニットの全電力を伝送するように設計されており、これは、必然的に、大量の受動構成部品、及び用途に応じた高い定格電流／定格電圧（すなわち、電流／電圧を伝送する能力）をを意味する。さらに、そのようなシステムの効率が９０％を超えることはめったにない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0023】

【特許文献1】欧州特許第３５１９２９４号明細書

【特許文献2】国際公開第２０１９／１８６０４２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0024】

本発明は、これらの不利な点に対する解決策を提案するものである。

【課題を解決するための手段】

【0025】

この目的のため、第１の態様によると、本発明は、電気航空機推進システムのためのＤＣ－ＤＣコンバータであって、前記電気推進システムの電気エネルギーストレージユニットと直列に接続されるように設計され、電気エネルギーストレージユニットから来るＤＣ入力電圧から第１のＡＣ電圧を供給するように構成されたインバータと、第１のＡＣ電圧から少なくとも１つの第２のＡＣ電圧を供給するように構成された変圧器と、前記少なくとも１つの第２のＡＣ電圧からＤＣ出力電圧を供給するように構成された整流器とを備え、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータは、整流器に接続され、前記ＤＣ－ＤＣコンバータを通過する電力を制御するように構成された電流源をさらに備えるという点と、
変圧器が、一次コイル及び２つの二次コイルを備え、２つの二次コイルが、電気推進システムの高電圧ＤＣ（ＨＶＤＣ）バスに接続されるように設計された共通端子と、整流器に接続された２つの他の端子とを有し、ＤＣ－ＤＣコンバータの基準レベル及びＨＶＤＣバスの基準レベルが電流源を通して互いに接続されているという点と、
整流器が２本のアームを備え、それぞれが、少なくとも２つの直列のトランジスタを備え、一方で、変圧器の２つの他の端子に接続され、他方で、電流源に接続されているという点と
を特徴とする、ＤＣ－ＤＣコンバータに関する。

【0026】

本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータは、互いに分離された、又は互いに組合せられた、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる：
－ 電流源はインダクタ及び電気エネルギーストレージユニットを備える。
－ インバータは、複数のトランジスタを、好ましくはＭＯＳＦＥＴタイプの又はＩＧＢＴタイプの４つのトランジスタを有する。
－ トランジスタは、数十ｋＨｚより大きい、有利には、百ｋＨｚのオーダーの、又は百ｋＨｚより大きいスイッチング周波数を有する。
－ 変圧器は、前記少なくとも１つの第２のＡＣ電圧を、第１のＡＣ電圧に対して降圧させるように構成される。
－ 変圧器は、平面タイプ又は巻回タイプである。
－ 変圧器は、前記変圧器の一次コイルと２つの二次コイルとの間にガルバニック絶縁を提供するように構成される。
－ 整流器は、４つのトランジスタを備え、２つのトランジスタは直列に変圧器の各二次コイルに接続され、前記トランジスタはＭＯＳＦＥＴタイプである。
－ 各二次コイルに直列に接続された２つのトランジスタのゲートは共通である。
－ 各二次コイルに直列に接続された２つのトランジスタのゲートは別個である。
－ トランジスタに並列に接続されたダイオードが、前記トランジスタを過電圧から保護するように構成される。
－ 少なくとも１つのフィルタ、好ましくはＲＣフィルタタイプのフィルタが、変圧器と整流器との間に接続される。
－ フィルタ、好ましくはＲＣフィルタタイプのフィルタが、トランジスタと並列に、整流器の各アームの端子に接続される。

【0027】

第２の態様によると、本発明はさらに、少なくとも１つの熱電供給源と、電荷を供給するように設計された高電圧ＤＣバスに電気エネルギーを供給するように構成された電気エネルギーストレージユニットとを備える電気航空機推進システムに関し、前記電気航空機推進システムはさらに、第１の態様によるＤＣ－ＤＣコンバータを備える。

【0028】

本発明による電気推進システムは、互いに分離がされた、又は互いに組合せられた、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる：
－ 電気エネルギーストレージユニットは、スーパーキャパシタなどの電解電流源、又はバッテリなどの電気化学的電流源である。
－ 電気推進システムは、アクティブ化されると、高電圧ＤＣバスの高電位を電気エネルギーストレージユニットの高電位と直接接続するように構成された接触器をさらに備える。

【0029】

最後に、第３の態様において、本発明は、第２の態様による電気推進システムを備える航空機に関する。

【0030】

添付図面を参照しながら本発明の例示的及び非限定的な例の以下の説明を読むと、本発明はより良好に理解されることとなり、本発明の他の詳細、特徴及び利点はより明確になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】従来技術における、航空機のハイブリッド推進アーキテクチャの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図2】本発明による電気航空機推進システムの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図3】本発明による電気航空機推進システムの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図4】本発明による電気航空機推進システムのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図5】本発明による電気航空機推進システムのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図6】本発明による電気航空機推進システムのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図7】本発明による電気航空機推進システムのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図8】本発明による電気航空機推進システムのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図9】本発明による電気航空機推進システムのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態の概略的な表現を示す図である。

【図10】本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータのインバータのトランジスタ制御シーケンスと、この制御シーケンスに応答してインバータによって発生されたＡＣ電圧との例を示す図である。

【図11】図１０に示される例のインバータによって発生された電圧から、本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータの整流器の２本のアームの端子で得られた電圧の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

異なる実施形態において同じ機能を有する要素は、図面において同じ参照符号を有する。

【0033】

ここで、図２及び図３を参照して、本発明による電気航空機推進システム２０１を説明することとする。

【0034】

電気推進システム２０１は、少なくとも１つの熱電供給源２０３と、高電圧直流（ＨＶＤＣ）バス２０７に電気エネルギーを供給するように構成されている電気エネルギーストレージユニット２０５とを備える。

【0035】

示される例では、熱電供給源２０３は、内燃機関２０３ａと、内燃機関２０３ａに結合された発電機２０３ｂと、発電機２０３ｂに接続された整流器２０３ｃとを備える。熱電供給源２０３は、直流をＨＶＤＣバス２０７に送達する。

【0036】

ＨＶＤＣバス２０７は、航空機の電気モータなどの（非表示の）負荷を供給するように設計される。関係している航空機はＶＴＯＬ又はＣＴＯＬ航空機であり得る。本発明は、５０ｋＷと２０００ｋＷとの間の機械的動力を搭載した、重量が５トン未満の航空機に特によく適している。

【0037】

電気航空機推進システム２０１はさらに、（「ＨＶＤＣストレージ」とも呼ばれる）電気エネルギーストレージユニット２０５とＨＶＤＣバス２０７とのインターフェースに、電気エネルギーストレージユニット２０５と直列に接続された（直流／直流向けの）ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９を備える。

【0038】

１つ以上のキャパシタ２１１が、通常、熱電供給源２０３及びＤＣ－ＤＣコンバータ２０９の出力に設けられる。これらのキャパシタは、ＨＶＤＣバスに接続された負荷が、すなわち、インバータとプロペラを駆動するモータとの全てが実際は電圧源であることを確実にする。

【0039】

電気推進システム２０１の様々な実施形態において、電気エネルギーストレージユニット２０５は、スーパーキャパシタなどの電解電流源、又はバッテリなどの電気化学的電流源であり得る。両方の事例において、エネルギーストレージユニットは、異なる動作フェーズ中に、エネルギー源として（すなわち、供給源モードで）又は充電として（すなわち、充電モードで）振る舞う。さらに、本発明はまた、もっぱらソーラーパネル又はセルなどの非可逆（ｎｏｎ ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ）エネルギー源として備えるエネルギーストレージユニットにも適用される。

【0040】

スーパーキャパシタタイプの供給源は、電力ピーク、すなわち、非常に短い時間期間の間に強力な電力を提供することができる特徴を有する。例えば、スーパーキャパシタは、航空機の離陸フェーズに関連付けられ得る高電力要求に対する移行レジーム時の応答に非常に有用である。しかしながら、それらは長期の電力要件には適さない。他方、スーパーキャパシタは、非常に多数の充電／放電サイクルに持ちこたえることができる。

【0041】

逆に、バッテリは、電力ピークへの応答には適さない。バッテリは、長期間にわたり平均的な電力を送達することができる。バッテリは大きなエネルギー自律性をもたらす。しかしながら、バッテリは、より少ない充電／放電サイクルにしか持ちこたえることができない。

【0042】

アセンブリ２１５内に一緒にグループ化された、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９を構成する複数の要素に加えて、図４から９を参照して下記に詳細に記述された、本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータ２０９は、ストレージユニット２０５とＨＶＤＣバス２０７との間の電流を制御するために、一方で、このアセンブリ２１５の出力に、他方で、ストレージユニット２０５の正端子に接続されたインダクタ２１３を含む。

【0043】

特に、インダクタ２１３は、用途に応じて、ストレージユニット２０５によって放出された電力の全てをＨＶＤＣバス２０７へ伝達させないようにすることが可能ないわゆる部分電力コンバータ（Ｐａｒｔｉａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）（ＰＰＣ）を、アセンブリ２１５と共に形成する。

【0044】

図２及び図３に示される例では、ストレージユニット２０５とＨＶＤＣバス２０７との間を流れる電流のレベルを制御するのは、ストレージユニット２０５に接続されたインダクタ２１３の組合せである。しかしながら、他の実施形態（図示せず）では、この機能は、電気推進システム２０１の別のエネルギーストレージユニットを伴うアセンブリ２１５の出力に接続された、関連するこの同じインダクタ２１３によって得られ得る。

【0045】

全ての事例において、互いに接続されたインダクタとエネルギーストレージユニットとは、ストレージユニット２０５とＨＶＤＣバス２０７との間を流れる電流を制御するという機能を行う。

【0046】

さらに、このインダクタの使用は、ストレージユニット２０５が充電しているフェーズ中に、ＨＶＤＣバスからストレージユニットに移動する電力の大部分が前記インダクタを経由して移動することができることを意味している。この事例では、アセンブリの効率は１に近い。

【0047】

さらに、特定の実施形態では、電気推進システム２０１は、アクティブ化されると、ＨＶＤＣバス２０７の高電位を電気エネルギーストレージユニット２０５の高電位と直接接続するように構成された接触器（図示せず）をさらに備えることができる。

【0048】

有利には、この接触器により、電気エネルギーストレージユニット２０５をＨＶＤＣバス２０７に直接接続することができるので、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９のいかなる故障も、電気エネルギーストレージユニット２０５の、又はＨＶＤＣバス２０７のロスを招かない。

【0049】

ここで、図４を参照して、電気航空機推進システムのためのＤＣ－ＤＣコンバータの実施形態を説明することとする。説明されるＤＣ－ＤＣコンバータ２０９は、図３を参照して説明される電気推進システム２０１の電気エネルギーストレージユニット２０５などの電気推進システムの電気エネルギーストレージユニットと直列に接続されるように設計される。

【0050】

示される例では、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９は、電気エネルギーストレージユニットによって供給される入力電圧として知られるＤＣ電圧からＡＣ電圧を供給するように構成されたインバータ４０１を備える。

【0051】

インバータ４０１は単相インバータであり、すなわち、インバータ４０１は、２本の並列ワイヤ、言い換えれば、それぞれ、トランジスタ４１３ａ及び４１３ｃを有する線、並びにトランジスタ４１３ｂ及び４１３ｄを備える線からなる伝送線上の交番電流を受ける。

【0052】

示される例では、インバータは、直列の２つのトランジスタの２本の線にわたって分散された４つのトランジスタ４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ、及び４１３ｄを備える。しかしながら、当業者は、本発明が、２本の線のそれぞれの上に３つ以上のいくつかのトランジスタを備えるインバータに適用されることを理解するであろう。

【0053】

例はＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）タイプのトランジスタ又はＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）タイプのトランジスタを含む。

【0054】

有利な実施形態においては、図４に示されるインバータのトランジスタ４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ、及び４１３ｄは、ＳｉＣ（炭化ケイ素）又はＧａＮ（窒化ガリウム）などの、高いスイッチング周波数を得ることを可能にする材料から作られている。このようにして、磁気構成要素（変圧器及びインダクタンス）のサイズは、有利には、より小さくなり、インバータの体積は最小化される。

【0055】

さらに、高いスイッチング周波数、すなわち、典型的には、数十ｋＨｚより大きい、又はさらに、百ｋＨｚのオーダーの、若しくは百ｋＨｚより大きい高いスイッチング周波数の使用により、チョップされた信号（インバータ及び整流器段の出力での電流又は電圧）の周波数を増加させること、さらにその制御（電流及び電圧制御）を改善することができる。

【0056】

例えば、ＩＧＢＴタイプのトランジスタでは、最大３０又は４０ｋＨｚのスイッチング周波数が使用され得る。ＳｉＣ又はＧａＮなどの大きなギャップの材料から作られているトランジスタでは、さらに上回ることができる。例えば、１００－２００ｋＨｚのオーダーのスイッチング周波数を得ることができる。

【0057】

ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９はさらに、インバータ４０１の出力で供給されるＡＣ電圧から、少なくとも１つのＡＣ電圧を発生させるように構成された変圧器４０３を含む。

【0058】

示される例では、変圧器４０３は、入力における電圧よりも、出力において低い電圧を発生させるように構成されている点で、降圧変圧器と言われる。これは、使用される電気エネルギーストレージユニットからの電圧が、電気エネルギーストレージユニットとＨＶＤＣバスとの間を流れる電流の制御を確実にするために必要とされる電圧よりもはるかに高いからであり、このことは、ＤＣ－ＤＣコンバータを下記に記述されるように使用する目的のうちの１つである。

【0059】

しかしながら、本発明のある特定の実施形態では、特に、ＤＣ－ＤＣコンバータが接続される、用いられる電気エネルギーストレージユニットが可逆性であるか否かに応じて、いわゆる昇圧変圧器を使用することができる。実際、典型的には、電気エネルギーストレージユニットは、ネットワークの電圧よりも高い公称電圧を有し、ストレージユニットからネットワークへの電力の流れをより容易に制御することができる。しかしながら、従来の月々の使用のいくつかの事例では、供給源は、より低い電圧を有しており昇圧変圧器と結合される必要があり、供給源からネットワークへの電力の適正な伝達が可能になる。全ての事例において、アーキテクチャは固定されており、使用される変圧器のタイプは前もって決定される。

【0060】

さらに、ＤＣ－ＤＣコンバータの様々な実施形態において、変圧器は平面又は巻回とすることができる。

【0061】

さらに、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９の示される例において、変圧器４０３は、一次コイル４０３ａ並びに２つの二次コイル４０３ｂ及び４０３ｃを備える。有利には、変圧器は、一次コイル４０３ａと２つの二次コイル４０３ｂ及び４０３ｃとの間にガルバニック絶縁を提供するように構成され得る。

【0062】

２つの二次コイル４０３ｂ及び４０３ｃは、ＨＶＤＣバス２０７に直接接続されるように設計されている共通の端子４０７と、下記に記述される整流器４０５の２本のアームに接続されている２つの他の端子４０９及び４１１とを有する。

【0063】

ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９はさらに、変圧器４０３から来る１つ以上のＡＣ電圧からＤＣ出力電圧を供給するように構成された整流器４０５を含む。

【0064】

下記でより詳細に見ることとなるように、整流器４０５は、いわゆる４象限整流器である。特に、これは、それが制御される（又はされ得る）方法と一緒に、そのアーキテクチャが（すなわち、降圧される又は昇圧される）負の又は正の電圧を出力する能力を有し、さらに、電気エネルギーストレージユニットからＨＶＤＣバスに電流を流す、又はその逆を行う能力を有することを意味する。

【0065】

言い換えると、制御の全ての度合いが可能になり、ストレージユニットを、ＨＶＤＣバスの電圧よりも低い又は高いバッテリ電圧で充電する又は放電することができる。

【0066】

示される例では、整流器４０５は、４つのトランジスタ４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、及び４１５ｄを含み、それらはまた、例えば、ＭＯＳＦＥＴタイプ又はＩＧＢＴタイプであり得る。インバータと同様に、示される整流器は、直列の２つのトランジスタの２本の線（２本のアーム）を備える。しかしながら、本発明はさらに、線ごとにより高い個数のトランジスタを備える整流器に適用される。

【0067】

最後に、図２及び図３を参照して上記で説明したように、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９はさらに、整流器４０５の２本のアームに（例えば、これらの２本のアームの共通の端子を介して）接続された電流源４１７を備え、それは、一方で、インダクタからなり、他方で、ストレージユニット２０５又は別のストレージユニットのうちのどちらかからなる。

【0068】

したがって、図３に示される例では、電流源は、インダクタ２１３及びストレージユニット２０５からなる。さらに、図３でまた見ることができるように、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９の基準レベル（したがって、基準電圧）とＨＶＤＣバス２０７の基準レベルとは、（インダクタ２１３及びストレージユニット２０５によって形成された）電流源を介して互いに接続される。言い換えれば、２本の整流器アーム４０５の出力は、電流源４１７に接続され、電流源４１７は、ＨＶＤＣバス２０７の基準レベルに接続される。

【0069】

ストレージユニット２０５からＨＶＤＣバス２０７に流れる電力を制御するのはこの電流源４１７である。特に、電流源４１７の使用は、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力において電圧を課すことができるようにし、それにより、電気ストレージユニットとＨＶＤＣバスとの間を通る電流を調節し、必要な場合、電気エネルギーストレージユニットとＨＶＤＣバスとの間の異なる電圧レベルを維持する。したがって、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９は、それに接続されているストレージユニットによって供給される電力の一部のみを伝送するその能力ゆえに、部分電力のコンバータと言われる。

【0070】

結果として、ＤＣ－ＤＣコンバータは、電気エネルギーストレージユニットの充電状態をＨＶＤＣバスの電圧とは独立して制御し、電気エネルギーストレージユニットの端子への移行電流を制御することができる。この最後の点は、電気エネルギーストレージユニットの完全性を保護し、電気エネルギーストレージユニットを損傷させ得る熱暴走を防止する。

【0071】

さらに、本発明はまた、説明されたものなどのＤＣ－ＤＣコンバータをそれぞれが有する、並列の複数の電気エネルギーストレージユニットを備える電気推進システムに適用される。

【0072】

有利には、そのようなＤＣ－ＤＣコンバータは、電気エネルギーストレージユニットの動作範囲に対して、すなわち、定格電流及び定格電圧に応じてサイズ設定され得る。

【0073】

有利には、さらに、ＤＣ－ＤＣコンバータは、電気エネルギーストレージユニットとＨＶＤＣバスとの間を流れる電流を調節しながら電気エネルギーストレージユニットの電圧とＨＶＤＣバスの電圧とを等しくさせることを可能にする。このようにして、電気推進システムは、すでに使用されている電気エネルギーストレージユニットを損傷させる又はストレスを加えることなく再構成され得る（すなわち、電気エネルギーストレージユニットが追加され又は取り除かれ得る）。

【0074】

第２に、電気エネルギーストレージユニットの電圧とＨＶＤＣバスの電圧とが閉じると、この場合、電気エネルギーストレージユニットとＨＶＤＣバスとの間を電流が流れないので、ＤＣ－ＤＣコンバータの効率は１００％に近い。

【0075】

図４から９は、本発明による、電気航空機推進システムのためのＤＣ－ＤＣコンバータの様々な実施形態を示している。特に、これらの図面は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２０９の整流器４０５のアーキテクチャのいくつかの例をより詳細に図解している。

【0076】

特に、図４では、整流器４０５のトランジスタ４１５ａ及び４１５ｂが二次コイル４０３ｂと直列に接続され、整流器４０５のトランジスタ４１５ｃ及び４１５ｄが変圧器４０３の二次コイル４０３ｃと直列に接続されている。さらに、この例では、直列に各二次コイルに接続されている２つのトランジスタのゲートは共通である。有利には、この構成により、整流器を制御するために必要とされる信号数を制限することができる。

【0077】

対照的に、図５に示される例では、直列に各二次コイルに接続された２つのトランジスタのゲートは別個である。有利には、この構成により、（各トランジスタの個別制御を可能にすることによって）整流器の制御オプションを増加させることができる。

【0078】

図６及び図７に示される例では、トランジスタ４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、及び４１５ｄに並列に接続されたダイオード４１９が、いかなる過電圧からもトランジスタ４１５ａ、４１５ｂ、４１５ｃ、及び４１５ｄを保護するように構成される。さらに、第１の事例では、各二次コイルに直列に接続された２つのトランジスタのゲートは共通であり、第２の事例では、各二次コイルに直列に接続された２つのトランジスタのゲートは別個である。

【0079】

最後に、図３、図８、及び図９に示される例では、１つ以上のフィルタ４２１が、整流器の端子に接続される。

【0080】

例えば、１つ以上のフィルタは、変圧器と整流器との間に接続され得るか、又は、整流器の各アーム上の２つのＭＯＳＦＥＴトランジスタの２つのドレイン間に、トランジスタと並列に接続され得る。

【0081】

これらのフィルタ４２１は、ある特定の望まれない周波数を、整流器４０５に到達する電圧から除去する。この事例では、使用されるフィルタはＲＣタイプのフィルタ、すなわち、ある特定の周波数をフィルタリングするために直列に接続された抵抗器とキャパシタとの組合せを用いている。

【0082】

図１０及び図１１は、本発明によるＤＣ－ＤＣコンバータに適用された制御と、そのような制御からコンバータの出力で得られた電圧との例を示している。

【0083】

特に、図１０は、左側で、図６に示されるＤＣ－ＤＣコンバータなどのＤＣ－ＤＣコンバータのインバータのトランジスタを制御するためのシーケンスの例を示している。制御シーケンスは、インバータの４つのトランジスタに、時間（ｘ軸）に応じて適用される電圧のシーケンスに対応する。例えば、示される電圧は、トランジスタタイプＭＯＳＦＥＴの端子Ｇ（ゲート）及び端子Ｓ（ソース）に、又はトランジスタタイプＩＧＢＴのＧ及びＥ（エミッタ）に送られ得る。

【0084】

特に、参照符号Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、及びＱ４は、それぞれ、図６におけるトランジスタ４１３ａ、４１３ｂ、４１３ｃ、及び４１３ｄに対応する。各制御電圧は、値ゼロから正の値（本例では１に正規化された）に変化する矩形波信号であり、トランジスタをそれぞれ開スイッチ又は閉スイッチのように振る舞わせる。

【0085】

図１０の右手側は、この制御シーケンスによりもたらされ、ＤＣ－ＤＣコンバータの変圧器の一次コイル（一次電圧と呼ばれる）に適用される電圧を示している。

【0086】

図１１は、図１０で与えられた例によるインバータによって発生された電圧から、図６を参照して説明されたＤＣ－ＤＣコンバータなどのＤＣ－ＤＣコンバータの整流器の２本のアームの端子で得られた電圧の例を示している。

【0087】

特に、最上部の曲線は、図１０を参照して説明されたインバータに適用される制御シーケンスから得られた一次電圧を示している。

【0088】

真ん中の曲線及び最下部の曲線は、この一次電圧から、ＤＣ－ＤＣコンバータの整流器の（それぞれ、コンバータの変圧器の２つの二次コイルに接続された）２本のアームの端子で得られた電圧を示している。特に、電圧Ｋ１が直列の２つのトランジスタ４１５ａ及び４１５ｂの線の端子で得られた電圧に対応する一方、電圧Ｋ２は、直列の２つのトランジスタ４１５ｃ及び４１５ｄの線の端子で得られた電圧に対応する。

【0089】

最後に、電気エネルギーストレージユニットと電気推進システムの残部とのインターフェースで使用されるＤＣ－ＤＣコンバータのタイプのおかげで、電気推進システムは、長い時間期間にわたって高い平均電力を発生させること、高い瞬時の電気出力を発生させること、並びに、重量及び体積の観点でできる限りコンパクトにすることができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】