Descripción del proyecto
El proyecto ha consistido en el desarrollo de un nuevo sistema de distribución eléctrica primaria (PPDS) para ser integrado en una plataforma aérea del fabricante de aeronaves Piaggio Aerospace, en el marco de línea SAT (Small Transport Aircraft) programa de tecnológico a nivel Europeo CleanSky2/H2020.
De cara a los objetivos medioambientales marcados por el programa CleanSky2 (CS2) y H2020, lo que pretende el sistema INDIS, es conseguir un sistema de distribución eléctrica más eficiente y que permita desarrollar aviones más eléctricos y de forma viable, ya que este sistema será el corazón y columna vertebral de estas nuevas aeronaves más eléctricas. El programa CS2 marca el desarrollo del avión más eléctrico (MEA) o totalmente eléctrico (TEA) como uno de los pilares para hacer la avión más eficiente, competitiva y conseguir una reducción muy importante de contaminantes y ruido.
Así, el sistema INDIS optimiza la distribución en LV, aumentando la densidad de potencia (más potencia en menos espacio y peso), y permitiendo un mejor control de la potencia instalada y gestión de cargas y protecciones, y también desarrolla los elementos de distribución, control y conversión inteligente en HV (para la reducción global del peso y volumen del sistema eléctrico).
Así, el sistema de distribución INDIS desarrollado por Indra se ha basado en los siguientes principios:
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Gestión inteligente de la energía
- Optimización de peso y volumen
- Mismos o superiores niveles de seguridad, redundancia y segregación para un sistema crítico en el avión, como éste.
- Integración de redes de corriente continua en aeronaves, tanto para baja tensión (28Vdc) como para alta tensión (270Vdc).
Para conseguir estos objetivos, Indra ha usado su experiencia previa en SSPCs (Solid State Power Controllers) y ha desarrollado unos nuevos SSPCs específicos de alta potencia y también unos controladores locales (o CMCs) que unidos a contactores tradicionales, ha logrado formar el subconjunto “S-Contactors” (o contactor inteligente).
Ejemplo de algunos equipos previos en INDRA basados en distribución de energía y SSPCs.
El control general se ha baso en una mezcla de controladores locales (para los SSPCs y CMCs) que a su vez están asociados a un controlador principal, y luego, la arquitectura global, está segregada en zonas (zona HV izquierda, zona HV derecha, zona LV izquierda, zona LV derecha y zona LV central), y con un controlador principal asociado a cada zona.
Cabe destacar, que también se han aplicado principios de segregación y redundancia en la arquitectura global, así como el principio de disimilaridad en partes críticas, de forma que los elementos considerados como esenciales o críticos, tendrán un control redundante (usando control complejo y control simple) y disimilar para asegurar el cumplimiento con los requisitos futuros de seguridad y certificación
Además, respecto a los elementos considerados como complejos (como microcontroladores + SW), también se ha aplicado un diseño interno concreto para aumentar la redundancia y disimilaridad. Y esto ha sido:
- Aplicando una mezcla de señales digitales y discretas que entran y salen del DSP (microcontrolador) y que comunican con el resto del sistema.
- Aplicando una reserva de diseño para desarrollo futuro, basado en una comunicación y control de triple redundancia en el DSP y una lógica independiente de votado, entre esos 3 controles y comunicaciones funcionando en paralelo a la vez.
Notar que esta arquitectura y lógica de “triple redundancia” se ha aplicado tanto a los controladores principales (main controllers) como a los controladores locales (CMCs y SSPCs).
Ejemplo de la nueva arquitectura principal/local con lógica de “triple redundancia”.
Comentar también, que además de los elementos de distribución en baja tensión (LV - 28Vdc) y alta tensión (o HV – 270Vdc), el sistema global INDIS también ha contado con el desarrollo de un convertidor regulado de potencia encargado de trasvasar energía entre la red tradicional de LV y la nueva red de HV. Este convertidor ha usado una nueva topología más eficiente, y contando con un diseño modular (de cara a adecuar la potencia a las necesidades de esta plataforma u otras, por escalación) y un intercalado de los distintos módulos para mejorar la calidad de la energía eléctrica convertida de LV a HV.
La duración del proyecto inicialmente fue estimada en 36 meses, de acuerdo a la solicitud del cliente y la experiencia previa de Indra, pero finalmente, debido a los puntos abiertos en la arquitectura SAT y especificación del cliente, a la gran complejidad del sistema global y los grandísimos impactos por el COVID, el proyecto se ha tenido que extender hasta los 48 meses de forma oficial. Y a pesar de este calendario para terminar el proyecto, Indra ha seguido trabajando más allá de esos 48 meses, para seguir dando soporte al cliente en la fase de integración final en el banco SAT y a futuro en banco de tests de avión y en el propio avión.
El proyecto se ha desarrollado en varias fases:
- Fase-1, de análisis de requisitos y acuerdo de bases con el cliente.
- Fase-2, de concepto, pre-diseño y pre-prototipos para reducción de riesgos y análisis previo de viabilidad tecnológica.
- Fase-3, de desarrollo de detalle y aplicación de cambios en base a los resultados de los tests sobre los pre-prototipos.
- Fase-4, de desarrollo crítico, con la realización de toda la documentación de fabricación y montaje.
- Fase-5, de montaje de tarjetas y subconjuntos y pruebas de validación de subconjuntos.
- Fase-6, de montaje de conjuntos y pruebas de validación de conjuntos.
- Fase-7, de integración final y pruebas de verificación a nivel de sistema y con emuladores de avión.
- Fase-8, de entrega a cliente y soporte a pruebas en el banco SAT de integración tecnológica.
Unidades HV-PPDUs bajo verificación y tests de pre-integración en las instalaciones de Indra.
Unidad LV-PPDU bajo verificación y preparación de tests de pre-integración en las instalaciones de Indra.
Unidad convertidor de potencia LVDC/HVDC bajo verificación y tests de pre-integración en las instalaciones de Indra.
Estos son algunos de los elementos principales desarrollados en el proyecto:
- Pre-prototipos de nuevos SSPCs de 100-400A, CMCs y contactores inteligentes para HV.
Ejemplos de algunos pre-prototipos y tests preliminares y de concepto del Proyecto INDIS.
- Unidades HV-PPDU: Desarrollo de 2 unidades de distribución inteligente basadas en SSPCs de 270Vdc y hasta 50A con refrigeración con conducción/convección natural. Una de estas unidades está realizada con tamaño mínimo y 4 canales, mientras que la segunda unidad tiene 8 canales en configuración modular para futura escalabilidad.
Imágenes de ambas unidades HV-PPDUs (unidad HV de 8-canales y unidad HV de 4-canales) preparadas para expedición y entrega al cliente (Piaggio Aerospace) para los tests de integración en el banco SAT-Rig.
- Unidad LV-PPDU: Desarrollo de una unidades de distribución inteligente para una red de 28Vdc y compuesta de 7 contactores inteligentes + CMCs (de 400A/600A), 24 canales HP-SSPC (de 15-100A) y 32 LP/MP-SSPC (de 1-35A), repartidos en 3 zonas separadas mecánicamente y con control disimilar y redundante.
Imagen de la unidad LV-PPDU s/n 00P1, preparadas para expedición y entrega al cliente (Piaggio Aerospace) para los tests de integración en el banco SAT-Rig.
- Convertidor de Potencia LVDC/HVDC: Desarrollo de un convertidor de potencia de 5kW-6kWp basado en diseño modular (2 x 2.5kW/3kWp), con técnicas de entrelazado y control analógico. Que incluye también monitorización y comunicación por señales discretas y un bus digital (CAN-Bus) manejados por DSP+SW.
Imagen de la unidad convertidor de Potencia LVDC/HVDC s/n 00P1, preparadas para expedición y entrega al cliente (Piaggio Aerospace) para los tests de integración en el banco SAT-Rig.
- Unidades para pruebas: Además de lo anterior, también se ha desarrollado placas para pruebas de sub-conjunto dedicadas, así como unidades de distribución de comunicaciones entre cajas y SW emulador de plataforma/avión.
Ejemplos de otros elementos desarrollados para use en el Proyecto INDIS (Cajas de corte para depurado de tarjetas, Tarjetas de tests dedicadas para depuración, Cajas de terminación de los tres buses CANBus, Caja de control remoto del convertidor de potencia LVDC, subconjunto de diodo de potencia + ventilador para protección de corriente inversa en los nuevos generadores de HV, Caja de punto de acceso de emulador de avión a la triple red CANBus, cajas de simulación de los paneles de control del avión, Banco de cargas de HV, SW emulador de avión y función de Gestión de Cargas en HV y LV).
Al final del proyecto, las distintas unidades y elementos desarrollados han alcanzado un nivel de madurez tecnológica equivalente a TRL6 (Technological Readiness Level).
A pesar de todas las dificultades el Proyecto y el retraso, tanto Piaggio como la CSJU, han reconocido el gran trabajo realizado por Indra en este proyecto y su dedicación y compromiso, así como la capacidad y oportunidad de este sistema a futuro.
Compañías u organizaciones colaboradoras
Papel de Indra
Indra ha realizado este proyecto en solitario, al contar con todas las capacidades y conocimiento para realizarlo y sin necesidad de ningún socio o tercero
Reiterar de nuevo, que este proyecto está basado en las experiencias y productos previos de Indra en esta área, y ha sido una evolución de la tecnología y componentes para las nuevas características de este proyecto, y optimización/mejora de la tecnología propia de Indra.
Es por ello, que Indra se ha encargado de todas las actividades del proyecto, desde las actividades de gestión, pasando por todas las actividades de desarrollo, fabricación y tests y finalizando con las actividades de reporte, diseminación tecnológica y planificación de industrialización/comercialización futura.
Tecnologías usadas
Como ya se ha adelantado previamente, las tecnologías que han sido usadas en este proyecto son las siguientes:
- Tecnologías de SSPCs de alta potencia usando nuevos dispositivos de Si para baja tensión y SiC para alta tensión.
- Contactores inteligentes para ser usados en canales de entrada y reconfiguración de mucha corriente (800-1000A), pero usando la tecnología de control, monitorización y protección usada en los SSPCs de Indra.
- Control inteligente basado en un concepto de triple redundancia y mezcla de control centralizado (a nivel de sistema) y distribuido /local (a nivel de dispositivo de conmutación/protección).
- Conversión de potencia inteligente y optimizada basada en componentes de última tecnología (dispositivos de SiC, control local, magnéticos planares, concepto modular con técnicas de entrelazado…).
- Nuevos diseños de conexionado de potencia basado en nuevos terminales diseñados por Indra con solución cautiva.
- Nuevas tecnologías mecánicas y de refrigeración para la optimización del peso/volumen del sistema y optimización del sistema de refrigeración.
Más información
Este proyecto, con nº de expediente H2020-755654, ha sido cofinanciado por la Comisión Europea dentro del Programa Marco H2020, concretamente dentro del Programa CleanSky 2
https://cordis.europa.eu/project/id/755654/es
El proyecto es supervisado por Piaggio Aerospace (como “Topic Manager” y como futuro cliente industrial final), y por la CSJU (con delegación de la Comisión Europea).
Desenvolvimento Sustentável Metas (ODS) da ONU:
