Estudio, diseño y simulación de topologías de potencia para arquitecturas HVDC en aeronaves

Abstract

Durante los últimos años, la sociedad ha incrementado considerablemente su concienciación sobre el medio ambiente, y el sector aeronáutico no se ha quedado atrás. La acuciante necesidad de cuidar el planeta y reducir la contaminación que genera el transporte aéreo han llevado a la creación de tendencias como More Electric Aircraft (MEA) o All Electric Aircraft (AEA). Estas tendencias se basan en incrementar las partes eléctricas del avión de forma que este sea más eficiente y produzca una menor huella de carbono. Con este objetivo se han generado numerosas investigaciones que buscan mejorar el sistema eléctrico abordo de una aeronave, pues en la actualidad sigue siendo inviable con la tecnología que se posee producir una aeronave comercial totalmente eléctrica. Una de las tendencias más importantes que han ido surgiendo es la implementación de arquitecturas HVDC para el sistema de distribución de potencia eléctrica, ya que esta consigue una mayor densidad energética y por tanto una importante reducción del peso del sistema eléctrico en la aeronave. Esta arquitectura requiere un tipo de convertidor de potencia que hasta ahora no había sido necesario incluir abordo de una aeronave, los convertidores DC-DC. Por este motivo estos convertidores son una tecnología que aún requiere desarrollo y optimización para poder ser implementados en el campo de la aeronáutica. Se han investigado y diseñado diversos convertidores para esta tarea, como el convertidor Dual Active Bridge (DAB), que ha recibido bastante atención en este campo, o los convertidores resonantes. A pesar de que el número de investigaciones sobre los convertidores DC-DC es alto, hay muy pocos estudios comparativos entre las diferentes topologías para averiguar cual de ellas es más adecuada. Este trabajo buscará contribuir en este tema diseñando, simulando y comparando diferentes topologías de convertidores para comprobar su viabilidad como conexión entre un embarrado de continua formado por baterías que suministran , y las cargas de aviónica que se requieren para operar. Para ello una vez se hayan diseñado los convertidores de las distintas topologías se analizarán los parámetros más críticos para su utilización en una aeronave, en concreto el estudio se centrará en la eficiencia ya que se trata del factor más determinante en este campo. Para analizar estas topologíasse realizarán simulaciones ajustando los elementos del convertidor hasta conseguir un punto de funcionamiento con una eficiencia suficientemente alta. Tras esto se fijarán los elementos del convertidor y se comprobará como varia su eficiencia al alejarse del punto de diseño. Con estos análisis se espera dar luz sobre cual de los convertidores es más adecuado y realiza una mejor actuación para su utilización en las futuras aeronaves MEA.

In the recent years, the awareness of the environment has increased exponentially, and the aeronautical sector has not left behind. The urgent need to take care of the planet and reduce the pollution generated by air-transport have led to the creation of new aeronautical trends such as More Electric Aircraft (MEA) or All Electric Aircraft (AEA). These philosophies are based on increasing the electric parts on the plane, so it become more efficient and produce a lower carbon footprint. With this objective, numerous investigations have been generated to improve the electrical system onboard, since it is still unfeasible to produce a fully electric commercial aircraft with the current technology. One of the more important trends that has emerge is to employ an HVDC architecture for the electrical power distribution system, since this kind of distribution achieves higher energy density and therefore a significant reduction in the weight of the electrical onboard system. This architecture requires a type of power converter that until now had not been necessary using on an aircraft. For this reason, these converters are a technology that still requires development and optimization to be able to be implemented on an aircraft. Various converters have been researched and designed for this task, including the Dual Active Bridge (DAB), which has received a lot of attention in this field, or some types of resonant converters. Even though the number of investigations on DC-DC converters is high, there are very few studies that compare the different topologies to find out which one is more suitable for its use on a plane. This paper will seek to contribute to this topic by designing, simulating and comparing different converter topologies to verify their viability as a connection between an HVDC battery, of , and the avionics loads of the aircraft, which work at . For this aim, once the converters of the different topologies have been design, the most critical parameter for their use on an aircraft will be analyzed. These are mainly their efficiency and power density. To analyze these two points, simulations will be carried out by adjusting the converter elements until a sufficiently high efficiency is achieved. After this, the elements of the converter will be fixed, and it will be verified how their efficiency varies when moving away from the design point. With these analyzes, this paper is expected to shed light on which of the topologies considered is more suitable and has a better performing for its use in future MEA aircrafts.