Descripción del proyecto
Diseño y desarrollo de un convertidor de potencia bidireccional y con funcionalidad de control de motor para una aplicación aeronáutica.
Este convertidor será integrado a futuro en un avión comercial (tipo A320) como parte del sistema eléctrico asociado al nuevo sistema de aterrizaje con tecnología eléctrica. Este nuevo sistema permitirá el movimiento del avión en tierra (fase de “taxi”) a través de unos motores eléctricos alojados en las ruedas del avión, en vez de tener que encender los motores principales (de combustión) del avión, lo cual permitirá reducir el consumo de combustible, reducción de las emisiones de las emisiones contaminantes (COx, NOx) y reducción del ruido acústico en las inmediaciones de los aeropuertos. Este nuevo sistema o aplicación es conocida como e-TAXI (taxi eléctrico en aeronaves).
Los principales retos de este Proyecto alcanzar un nivel de madurez tecnológica de nivel 6 (TRL6 or “technological Readiness Level”), pero al mismo tiempo, siendo capaz de cumplir con los requisitos de futura integración en avión en un corto/medio plazo y de una forma segura (de acuerdo a estándares aeronáuticos) O sea, TRL6 equivaldría a tener un prototipo maduro de acuerdo a normativa aeronáutica y listo para integración en avión parado en tierra.
El convertidor has sido diseñado para cumplir con unos requisitos de alta densidad de potencia (en peso y volumen), para sí cumplir con los objetivos principales de avión de reducción de peso y volumen (y con ello reducción también de combustible y mayor disponibilidad de carga útil).
Además, este convertidor o MCU (“Motor Control Unit” O Unidad Controladora de Motor) ha sido diseñado para poder trabajar de forma bidireccional, recogiendo energía desde la red de avión o desde un sistema de almacenamiento de energía (como baterías o supercondensadores) y mandándola al los nuevo motores eléctricos en las ruedas o bien recogiendo la energía sobrante de los motores eléctricos durante las frenadas del avión en tierra y retornándola a la red o los sistemas de almacenamiento (baterías o supercondensadores).
Otro reto de este proyecto ha sido el trabajar con este convertidor en alta tensión (400V a 700V), para así reducir peso y dimensiones, pero manteniendo los requisitos de seguridad, o más. Al trabajar ahora con alta tensión.
Por otro lado, el convertidor del Proyecto E-TSIN (o unidad MCU) ha sido diseñada para ser capaz de ser escalada en potencia fácilmente (manteniendo su diseño original) y también para poder trabajar, a futuro, de forma modular. De forma que con ambos conceptos se pueda trabajar con el mismo diseño en el rango de potencias de entre 10kW y 100kW, pero optimizando el peso/volumen del sistema, pero sin tener que rediseñar desde cero el convertidor.
Y por último, pero no menos importante, el diseño se ha realizado para cumplir con los estándares y normas aeronáuticas (seguridad, fiabilidad, operatividad, mantenimiento, certificación y calificación ambiental formal, etc…)
El Proyecto ha sido desarrollado en tres pasos o fases principales, con una fase inicial de valoración tecnológica y diseño de concepto, y en donde también se realizó un análisis y validación de los aspectos de modularidad y escalabilidad. Esta validación se realizó con el desarrollo y testeo de 3 unidades de 15kW en paralelo.
Una segunda fase, en la que se hizo el desarrollo complete de acuerdo a las especificaciones de cliente/sistemita y avión y en la que finalmente se desarrollaron varias unidades prototipo de nivel TRL3-4. Estas unidades se validaron y verificaron en varios laboratorios y también se integraron con el resto de unidades del sistema e-TAXI.
Y finalmente, se realizó una tercera fase en la que se evolucionó el diseño desde TRL3-4 hasta TRL6, de acuerdo a la evolución de la especificación del sistema e-TAXI y avión y en la que también se implementaron las mejoras y lecciones aprendidas desde el TRL3-4.
En esta fase final, se logró alcanzar el nivel tecnológico TRL6, con la fabricación de 4 unidades de pre-serie, adicionales a unos prototipos TRL6 previos, y las cuales fueron testeadas primero en la bancada-motor de INDRA, tanto a nivel de verificación de unidad como a nivel de integración con el resto de sistemas del e-TAXI (motor eléctrico, controladora de avión y unidad de almacenamiento de energía). También se realizaron pruebas de pre-calificación ambiental (ciclos térmicos, ciclos de vibraciones y pruebas EMI/EMC).
Es también muy importante resaltar que el diseño de la unidad MCU también fue realizado para añadir otras funcionalidades adicionales, como serían:
- Convertidor interno de control de corriente para alimentar el sistema de embrague eléctrico para acople del motor eléctrico a la rueda por seguridad.
- Control de carga y descarga del sistema de almacenamiento de energía con un circuito de potencia adicional.
La duración inicial del Proyecto fue estimada en 51 meses, pero debido a los retrasos en las definiciones finales del sistema, las dificultades técnicas y por último todos los impactos derivados del COVID, la duración del proyecto se alargó hasta los 66 mees, pero terminando de forma satisfactoria y cumpliendo todos los objetivos.
Así, a pesar de todas las dificultades el Proyecto, así como INDRA y CEIT-IK4 has sido reconocidos por su gran trabajo y dedicación tanto por el sistemita (Safran) como por la agencia “CleanSky2” de la Comisión europea, por la ayuda a alcanzar los objetivos globales del programa e-TAXI.
Una vez terminado el Proyecto, los siguientes pasos que se pretenden dar de cara a su avance y futura integración en avión e industrialización son la calificación y verificación formal. Para así alcanzar el nivel tecnológico TRL9 y después la autorización para instalación en avión y futuros test con avión encendido y vuelo. Así como la integración de nuevos sistemas de almacenamiento de energía para mejorar el peso y rendimiento global del sistema.
Además, de cara a su explotación futura, también se están analizando en paralelo otros escenarios de integración del sistema e-TAXI en otro tipo de plataformas aéreas.
Socios Industriales
Papel de Indra
Indra es el lider y coordinador de este proyecto, pero no sólo ha realizando no sólo tareas de coordinación y gestión, sino también tareas de diseño, desarrollo y tests. Indra ha desarrollado la etapa de potencia del TRL3-4 y también ha realizado parte de la verificación. En la última fase, Indra ha desarrollado por completo, pero con el soporte de CEIT-IK4, la MCU-TRL6, adaptado y mejorando el SW y rediseñando las etapas de potencia. Indra también ha realizado toda la verificación individual y los tests de integración de sistema en sus instalaciones, así como una etapa final de pre-calificación ambiental en sus instalaciones de Aranjuez.
CEIT-IK4, en San Sebastian, ha estado encargada de la definición y desarrollo de los pre-prototipos y SW del TRL3, así como de los estudios de escalabilidad y modularidad. CEIT-IK4 también ha participado en el desarrollo del TRL6, dando soporte a INDRA sobre sus decisiones de diseño y ayuda en las adaptaciones del SW.
SAFAN, ha través de sus división “Safran Landing System” (SLS) en Francia, ha participado como sistemista y coordinador del programa e-TAXI y “Topic Manager” del proyecto E-TSIN. Además, Safran ha desarrollado por ellos mismo y con otros socios del e-TAXI el nuevo motor eléctrico, los sistemas mecánico el el controlador de avión del e-TAXI, así como los sistemas de interconexión con el avión (cables, tuberías, estructuras,…).
Universidades y centros tecnológicos
Tecnologías usadas
Unidades Rectificadores e Inversoras Activas, alta densidad de potencia, alta tensión, dispositivos de gran ancho de banda, tecnología SiC, filtros, …
Más información
Este Proyecto, bajo la referencia nº H2020-686509, ha sido parcialmente subvencionado por la Comisión Europea a través de la iniciativa CleanSky2 del programa marco europeo H2020.
Supervisión del proyecto realizada por: Safran Landing Systems (antigua Messier-Bugatti-Dowty), compañía perteneciente al grupo SAFRAN.
https://www.safran-landing-systems.com/systems-equipment/electric-taxiing-0
https://www.youtube.com/watch?v=ZE43s3-ZM1k
https://cordis.europa.eu/project/id/686509/es
Desenvolvimento Sustentável Metas (ODS) da ONU:
