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Des systèmes aériens aux véhicules sous-marins, la nouvelle génération de plateformes autonomes s’appuie sur des solutions d’alimentation avancées pour répondre à des exigences opérationnelles particulièrement élevées, explique Christian Jonglas, Responsable du Support Technique chez GAIA Converter.

Les véhicules autonomes et téléopérés transforment en profondeur la nature des engagements militaires à l’échelle mondiale. Des plus petits systèmes d’aéronefs téléopérés (RPAS) dédiés à des missions de surveillance, jusqu’aux grands véhicules sous-marins pilotés et alimentés via des liaisons par câble, les concepteurs repoussent les limites de ce que permettent l’électronique avancée et les logiciels embarqués.

Alimenter une grande diversité de plateformes de défense

Les systèmes vont des drones télépilotés via des câbles à fibre optique ou des transmissions RF, jusqu’aux véhicules entièrement autonomes capables d’identifier et de poursuivre des cibles grâce à la combinaison de plusieurs modalités de capteurs. Qu’il s’agisse de missions de reconnaissance, de logistique, de soutien au combat ou de capacités offensives, chaque conception doit intégrer un ensemble spécifique d’actionneurs afin de fournir la puissance motrice nécessaire et d’assurer l’exécution de ses fonctions principales.

Chaque cas d’usage a des répercussions directes sur les sous-systèmes chargés d’alimenter les différents moteurs et commandes électroniques du drone. Un RPAS de petite taille utilisera généralement une batterie lithium-ion pour couvrir l’ensemble de ses besoins énergétiques. Afin d’atteindre des densités énergétiques élevées, les véhicules de plus grande taille auront recours à un moteur à combustion interne entraînant un générateur électrique.
Un véhicule sous-marin autonome (UUV) de grande dimension peut être alimenté par un câble relié à un navire porteur ou à une installation terrestre, tout en disposant d’une batterie embarquée permettant de prendre le relais en cas d’interruption de l’alimentation externe. Afin de minimiser les pertes électriques dans le câble, l’énergie est généralement fournie à haute tension.

Relever les défis de l’alimentation dans des environnements sévères

Un point commun à l’ensemble de ces architectures est la nécessité de disposer d’une alimentation stable, fiable et propre, fournie par des circuits qui minimisent taille et poids tout en étant adaptés à l’environnement cible. Par exemple, les câbles utilisés pour alimenter électriquement les UUV introduisent souvent des niveaux élevés d’inductance et d’impédance source, susceptibles de provoquer des oscillations de tension. Ce phénomène peut être corrigé par des convertisseurs de puissance dont l’impédance est adaptée, une fonctionnalité rarement présente dans les convertisseurs grand public, la majorité des applications présentant des niveaux d’impédance plus faibles. Un autre défi concerne la gestion de l’énergie issue de sources thermiques utilisées dans les RPAS de grande taille et les véhicules terrestres. L’alimentation fournie est souvent bruitée et sujette à de brèves interruptions. Les convertisseurs alimentant des capteurs sensibles et d’autres systèmes électroniques doivent filtrer le bruit, les creux et les pics de tension. Ils peuvent également devoir basculer vers une batterie de secours en cas d’interruption de l’alimentation liée au carburant. De la même manière, les convertisseurs des UUV reliés par câble doivent parfois être capables de commuter entre une source externe et une source interne.

Même lorsqu’un véhicule repose sur un unique pack batterie, le convertisseur doit accepter une large plage de tension d’entrée. À mesure que les capacités des drones augmentent, les concepteurs passent de packs comportant peu de cellules en série – et donc des tensions relativement faibles – à des architectures intégrant dix cellules ou plus afin de bénéficier d’une meilleure efficacité grâce à une tension d’alimentation plus élevée. Une architecture multi-cellules pour un RPAS ou un UUV peut ainsi délivrer jusqu’à 44 V en crête. À mesure que l’énergie stockée diminue, la tension peut chuter jusqu’à près de la moitié de cette valeur maximale. Un convertisseur capable d’exploiter toute cette plage de tension maximisera l’autonomie opérationnelle et la durée de vie du drone.

À ces exigences s’ajoutent des contraintes fortes en termes de masse et d’encombrement, impliquant un haut niveau d’intégration et des architectures de circuits très efficaces. Les opérations sous-marines apportent des contraintes supplémentaires. Bien que les modules soient généralement intégrés dans des boîtiers étanches, ils doivent résister à des pressions élevées. Certains composants doivent être évités : les condensateurs en aluminium, par exemple, présentent des problèmes de fiabilité à haute pression. Les poches d’air à l’intérieur du boîtier peuvent s’effondrer et provoquer des défaillances. Leur remplacement par des technologies céramiques ou équivalentes élimine ce risque.

La compacité des véhicules non habités pose également des défis thermiques, avec peu de possibilités d’évacuer la chaleur générée par les systèmes d’alimentation, souvent situés au cœur du châssis, alors même que l’extérieur du véhicule est soumis à des flux d’air ou de fluide importants. Les vibrations générées par les hélices et les moteurs peuvent également affecter la fiabilité. L’utilisation de l’enrobage (potting), une technique largement employée par GAIA, combinée à des semelles à forte conductivité thermique, permet de répondre efficacement à ces contraintes environnementales.

D’autres effets, plus difficiles à anticiper pour les concepteurs, ont néanmoins été pris en compte par des fournisseurs tels que GAIA dès la phase de conception des circuits. Certains choix de composants peuvent en effet nuire à la fiabilité à long terme exigée par les applications de défense. De nombreux convertisseurs à découpage utilisent des optocoupleurs pour transmettre des informations relatives aux variations de tension de sortie vers le contrôleur de modulation de largeur d’impulsion (PWM), tout en maintenant l’isolation électrique entre les domaines. L’attrait de l’optocoupleur réside dans son coût relativement faible et sa bonne linéarité de transmission. Toutefois, sa fonction de transfert dérive dans le temps, en raison de la dégradation progressive de l’efficacité de la diode électroluminescente (LED) chargée de transmettre l’information à travers la barrière d’isolation. Cette dérive conduit à terme à la défaillance du convertisseur.

Le remplacement de l’optocoupleur par un coupleur magnétique permet d’éliminer ce problème de fiabilité. Dans les convertisseurs GAIA, la fiabilité peut dépasser le million d’heures, soit un niveau bien supérieur aux quelques centaines de milliers d’heures observées sur de nombreuses architectures utilisant encore des optocoupleurs. Compte tenu de la diversité des exigences opérationnelles, aucun convertisseur de puissance unique ne peut répondre à tous les besoins. Certaines exigences sont néanmoins communes, comme la nécessité d’une large plage de tension d’entrée, même pour des systèmes alimentés par une seule source. D’autres projets nécessiteront des filtres d’entrée contre les pics et les surtensions, ainsi que des circuits de maintien d’énergie (hold-up), afin de s’adapter aux caractéristiques des générateurs entraînés par des moteurs thermiques, ou aux situations dans lesquelles le drone doit basculer entre la source principale et une batterie de secours. Certains systèmes exigeront également plusieurs rails de tension indépendants ou des niveaux spécifiques de filtrage CEM.

Des solutions modulaires pour des systèmes d’alimentation de niveau défense Traditionnellement, les concepteurs étaient contraints de recourir à des solutions sur mesure afin d’adapter précisément le convertisseur de puissance aux besoins de l’application et de garantir une masse minimale. Grâce aux avancées en matière de conception de circuits et d’architectures, une approche modulaire permet aujourd’hui d’optimiser l’espace, le poids et la puissance (SWaP) pour chaque cas d’usage.

Une architecture modulaire offre aux développeurs la possibilité d’ajouter les fonctions nécessaires et de se conformer aux principales normes militaires et aéronautiques. La norme MIL-STD-1275, par exemple, impose un filtrage pour protéger contre les transitoires de tension et les perturbations électromagnétiques. Les normes MIL-STD-704 ou DO-160 incluent des exigences de maintien d’énergie pouvant nécessiter des dispositifs complémentaires. Afin de limiter masse et volume tout en offrant une forte capacité de maintien, GAIA a adopté des architectures internes haute tension d’entrée dans ses modules. Cette approche permet de réduire la taille du condensateur de stockage utilisé comme réservoir d’énergie pour compenser les interruptions temporaires d’alimentation.

De la même manière, l’alimentation propre des rails utilisés par les circuits de capteurs est un élément critique, afin d’éviter toute perturbation liée aux interférences électriques. Le choix de convertisseurs conformes aux exigences strictes de la norme MIL-STD-461 constitue souvent un élément clé du processus de conception.

Si les solutions modulaires offrent de la flexibilité, toutes ne répondent pas aux exigences des drones de niveau défense. Beaucoup sont conçues pour des environnements industriels où la tension d’entrée est prévisible, même si elles tolèrent des variations limitées. Cela conduit souvent à des compromis de conception visant une efficacité maximale sur une plage de tension étroite, avec une dégradation rapide des performances en dehors de celle-ci. Dans un drone, cela peut réduire fortement l’autonomie et la durée de fonctionnement.
Des modules comme ceux de la série MGDD de GAIA maintiennent un niveau d’efficacité constant de 12 V à plus de 100 V. Ils peuvent supporter des surtensions dépassant de 50 V la tension nominale sans recourir à un filtre externe, ce qui peut permettre de s’en affranchir dans les systèmes contraints en volume.

Une autre caractéristique essentielle pour les applications de défense est la possibilité d’ajuster la fréquence de découpage du convertisseur afin d’éviter toute interférence avec des récepteurs très sensibles, tels que ceux utilisés dans les systèmes radar. Lorsque plusieurs modules sont utilisés en parallèle, ils peuvent être synchronisés sur une fréquence commune afin de réduire l’impact global du bruit de commutation.

Les évolutions futures permettront le développement de véhicules non habités toujours plus compacts et performants, exigeant une densité de puissance accrue. GAIA explore l’utilisation du GaN et du SiC dans ses convertisseurs de puissance, en raison de leur capacité à supporter des fréquences de commutation plus élevées et de leurs meilleures performances thermiques. Associées à une innovation continue en conception de circuits, guidée par les exigences du secteur de la défense, ces technologies permettront aux futurs convertisseurs de repousser les limites du possible dans un domaine fortement contraint par les critères SWaP.