EP1799488A1 - Procede et dispositif pour alimenter en courant electrique un vehicule a moteur electrique - Google Patents

Procede et dispositif pour alimenter en courant electrique un vehicule a moteur electrique

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EP1799488A1
EP1799488A1 EP05805603A EP05805603A EP1799488A1 EP 1799488 A1 EP1799488 A1 EP 1799488A1 EP 05805603 A EP05805603 A EP 05805603A EP 05805603 A EP05805603 A EP 05805603A EP 1799488 A1 EP1799488 A1 EP 1799488A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electric
collector
plasma
laser
power
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05805603A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
André MYSYROWICZ
Michel Pellet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Polytechnique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Polytechnique filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1799488A1 publication Critical patent/EP1799488A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/005—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles without mechanical contact between the collector and the power supply line
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for supplying electric power to a motor vehicle from an electrical line. It finds a particularly interesting application in the field of electric motor vehicles whose power supply is through a power line or catenary such as electric trains and other means of urban and interurban transport. In particular, it applies advantageously to all electric trains traveling at very high speed. However, the invention is of a broader scope because it can be applied to any high current power supply system.
  • the catch current is commonly associated with an articulated mechanical device said pantograph responsible for r establish and maintain electrical contact in order to provide power to the motor of the train and all ancillaries thereof.
  • the quality of the contact is strongly dependent on the mechanical qualities of the pantograph and the electrical and mechanical qualities of the catenary used. It is in all cases subject to frictional forces.
  • the quality of contact becomes problematic at high speed of movement of the train, as in high-speed trains. Indeed, it is recognized that one of the problems that we are confronted with in high speed trains is the maintenance of a good electrical contact between the catenary line and the pantograph of the train. For example, tests to beat the speed records require a particular adjustment of the voltage of the conductor wire forming the power line.
  • the present invention therefore aims to improve the quality of the electrical contact between the catenary line and the pantograph of a train or between any other electrical current capture system.
  • Another object of the invention is to solve the problem of wear of the power line and the pantograph due to the friction forces.
  • At least one of the aforementioned objects is achieved with a method for supplying an electric motor vehicle with electric power from an electrical line.
  • the vehicle comprises at least one electric current collector connected directly or via a power distribution system to the motor.
  • This collector has a potential difference with the power line.
  • a feral plasma is created by means of a high power pulsed femtosecond laser, a conductive plasma between the collector and the power line, the potential difference being sufficient for the plasma to trigger and guide an electric discharge. .
  • the electrical power delivered by a voltage or catenary line is transported to an electrical contact, the collector, located in the fixed or moving vehicle and connected to to the electric motor of the vehicle.
  • the collector located in the fixed or moving vehicle and connected to to the electric motor of the vehicle.
  • Plasma provides a good quality of the electrical contact between the power line and the collector, even at high speed and any changes in distances between the collector and the power line.
  • one end of the collector can be placed a few centimeters from the power line.
  • the distance between the power line and the collector does not require critical adjustment, as the process of forming a laser-guided, guided, electrical discharge occurs over several centimeters or even several meters.
  • the method can therefore be applied for a wide speed range of the vehicle.
  • the process of forming an ionized region of the air greater than the Rayleigh distance of the laser beam is generally described in the scientific literature as femtosecond filamentation.
  • a high power laser pulse is able to ionize the molecules of the atmosphere.
  • the technology of short-pulse lasers makes it possible to reach the necessary powers for the ionization of the air with very modest pulse energies, much lower than the joule.
  • These lasers have a duration of the pulse less than one picosecond, or 10 ⁇ 12 seconds and can reach an instantaneous power greater than 10 GW, or 10 7 watts.
  • infrared pulses of a few millijoules of energy focused in the air with the aid of a single lens, are sufficient to create a conductive plasma over distances of several centimeters around the focus of the lens.
  • the laser pulses came from a femtosecond laser with titanium-doped sapphire as active medium.
  • the physical process leading to ionization of air over a large length is well identified, it is a competition between autofocusing of the laser beam and multiphoton ionization involving the simultaneous absorption of a large number of infrared photons.
  • the plasma created by femtosecond filamentation makes it possible to temporarily short-circuit a device constituted by two electrodes subjected to an electric field of a few kV / cm.
  • the power line is under high voltage and the potential difference is preferably greater than 10kV, for example between 10 and 25 kV.
  • the laser operates at a high repetition rate, for example greater than the kilohertz, so as to regenerate the plasma and thus maintain a good flow of electric current.
  • the power of the pulses provided by the laser is preferably greater than the millijoule.
  • said vehicle is a train and the collector is an associated pantograph.
  • a device for supplying an electric motor vehicle with electric current from an electrical line said vehicle comprising at least one electric current collector connected to the motor and having a potential difference with the electric line.
  • the device comprises a femtosecond laser pulsed at high power to create, by femtosecond filamentation, a conductive plasma between said collector and said power line, the potential difference being sufficient for an electric discharge to be triggered and guided by plasma.
  • the only figure illustrates a train 1 moving on rails.
  • the motor 2 of the train 1 is supplied with electric current by a pantograph 3 whose free end 4, above the train, is disposed close to a catenary 5.
  • the latter is a high voltage power line, typically 25kV.
  • the train also comprises a femtosecond laser 6 providing high power pulses which are focused in the air in the vicinity of the catenary 5 and the end 4 of the pantograph 3.
  • the focusing is carried out by means of a lens 7.
  • the Filamentary beam forms a plasma column 8 connecting the catenary to the pantograph 3 by its end 4.
  • the current flowing through the plasma is conducted by the pantograph to the electric motor 2.
  • the laser 6 operates at a high repetition rate, which makes it possible to regenerate the plasma and to avoid power failures.
  • This femtosecond laser operates at rates higher than the kilohertz with energies per pulse exceeding the millijoule.
  • the device according to the invention can be multiplied in several copies on the same train to increase the total current and to prevent inadvertent interruption of the passage of electric current.
  • the invention is not limited to the examples that have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
  • the present invention can be applied to all systems responsible for conducting an electric current from a power line to an electric motor, whether it is moving or not.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Current-Collector Devices For Electrically Propelled Vehicles (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé pour créer un plasma conducteur dans l'air à l'aide d'un laser femtoseconde qui est puisé à haute puissance et à haute cadence de répétition. Ce plasma est chargé de conduire le courant entre une ligne électrique ou caténaire destinée à alimenter un véhicule, tel qu'un train, et un contact électrique, un pantographe par exemple, situé dans le véhicule en déplacement et relié au système de distribution de l'énergie électrique du véhicule. Le plasma est en contact d'une part avec la ligne électrique ou caténaire et d'autre part avec le contact électrique.

Description

"Procédé et dispositif pour alimenter en courant électrique un véhicule à moteur électrique."
correction La présente invention se rapporte à un procédé et un dispositif pour alimenter en courant électrique un véhicule à moteur électrique depuis une ligne électrique. Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des véhicules à moteur électrique dont l'alimentation en courant électrique s'effectue par une ligne électrique ou caténaire comme par exemple les trains électriques et autres moyens de transports urbains et interurbains. En particulier, elle s'applique avantageusement à l'ensemble des trains électriques circulant à très grande vitesse. Toutefois, l'invention est d'un cadre plus large car elle peut être appliquée à tout système d'alimentation par courant électrique de forte intensité.
Pour un train électrique, la capture du courant est couramment associée à un dispositif mécanique articulé dit pantographe chargé drétablir et de maintenir un contact électrique afin de fournir la puissance au moteur du train et à toutes les servitudes de ce dernier. La qualité du contact est fortement dépendante des qualités mécaniques du pantographe et des qualités électriques et mécaniques de la caténaire utilisée. Elle est dans tous les cas sujet à des forces de friction. La qualité du contact devient problématique à haute vitesse de déplacement du train, comme dans les trains à grande vitesse. En effet, il est reconnu que l'un des problèmes auxquels on se trouve confronté dans les trains à grande vitesse est le maintien d'un bon contact électrique entre la ligne caténaire et le pantographe du train. A titre d'exemple, les essais destinés à battre les records de vitesse nécessitent un réglage particulier de la tension du fil conducteur formant la ligne électrique. La présente invention a donc pour but d'améliorer la qualité du contact électrique entre la ligne caténaire et le pantographe d'un train ou entre tout autre système de capture de courant électrique.
Un autre but de l'invention est de résoudre le problème d'usure de la ligne électrique et du pantographe dû au forces de friction.
On atteint au moins l'un des buts précités avec un procédé pour alimenter en courant électrique un véhicule à moteur électrique depuis une ligne électrique. Le véhicule comprend au moins un collecteur de courant électrique relié, directement ou via un système de distribution d'énergie, au moteur. Ce collecteur présente une différence de potentiel avec la ligne électrique. Selon l'invention, on crée, par filamentation ferαtoseconde au moyen d'un laser femtoseconde puisé à haute puissance, un plasma conducteur entre le collecteur et la ligne électrique, la différence de potentielle étant suffisante pour que le plasma déclenche et guide une décharge électrique.
Avec le procédé selon la présente invention, on transporte, en l'absence de friction mécanique, la puissance électrique délivrée par une ligne à tension ou caténaire jusqu'à un contact électrique, le collecteur, situé dans le véhicule fixe ou en mouvement et relié au moteur électrique du véhicule. Ainsi, contrairement au système actuel, on a supprimé le contact mécanique permanent entre la ligne électrique ou caténaire et le contact chargé de collecter le courant.
Le plasma assure une bonne qualité du contact électrique entre la ligne électrique et le collecteur, même à grande vitesse et quelque soit des variations de distances entre le collecteur et la ligne électrique. En pratique, on peut placer une extrémité du collecteur à quelques centimètres de la ligne électrique. Toutefois, la distance entre la ligne électrique et le collecteur ne nécessite pas de réglage critique, car le processus de formation d'une décharge électrique déclenchée et guidée par filamentation laser se produit sur plusieurs centimètres, voire plusieurs mètres. Le l'
procédé peut donc s'appliquer pour une grande plage de vitesses du véhicule.
D'une façon générale, le processus de formation d'une région ionisée de l'air supérieure à la distance de Rayleigh du faisceau laser est généralement décrit dans la littérature scientifique sous le vocable de filamentation femtoseconde. Une impulsion laser de haute puissance est capable d'ioniser les molécules de l'atmosphère. La technologie des lasers à impulsions brèves permet d'atteindre des puissances nécessaires pour l'ionisation de l'air avec des énergies par impulsion très modestes, bien inférieure au joule. Ces lasers présentent une durée de l'impulsion inférieure à une picoseconde, soit 10~12 seconde et peuvent atteindre une puissance instantanée supérieure à 10 GW, soit 107 watts. A titre d'exemple, les inventeurs ont démontré que des impulsions infrarouges de quelques millijoules d'énergie, focalisées dans l'air à l'aide d'une simple lentille sont suffisantes pour créer un plasma conducteur sur des distances de plusieurs centimètres autour du foyer de la lentille. Les impulsions laser provenaient d'un laser femtoseconde ayant comme milieu actif du saphir dopé au titane. Le processus physique entraînant une ionisation de l'air sur une grande longueur est bien identifié, il s'agit d'une compétition entre autofocalisation du faisceau laser et l'ionisation multiphotonique impliquant l'absorption simultanée d'un grand nombre de photons infrarouge. On a également montré en laboratoire que le plasma créé par filamentation femtoseconde permet de court-circuiter temporairement un dispositif constitué par deux électrodes soumises à un champ électrique de quelques kV/cm. Selon la présente invention, la ligne électrique est sous haute tension et la différence de potentielle est de préférence supérieure à 1OkV, par exemple entre 10 et 25 kV.
Typiquement, avec un champ électrique de 25 kV/cm, on constate une forte augmentation du courant circulant à travers la colonne d'air située entre deux électrodes et on obtient une décharge électrique. Des courants atteignant 700 ampères ont été mesurés. Des courants de plus grandes intensités peuvent être obtenus en fonction de la tension de la ligne électrique utilisée. Ce phénomène peut encore s ' expliquer par le fait que la colonne de plasma formée par filamentation chauffe une fine colonne d'air qui se dilate, créant ainsi une dépression centrale. Une décharge électrique s'engouffre le long de cette dépression après un délai inférieur à 100 nanosecondes. Selon une caractéristique de l'invention, le laser opère à haute cadence de répétition, par exemple supérieure au kilohertz, de façon à régénérer le plasma et maintenir ainsi une bonne circulation de courant électrique. En outre, la puissance des impulsions fournies par le laser est de préférence supérieure au millijoule.
En pratique, on peut focaliser, au moyen d'une lentille, les impulsions haute puissance fournies par le laser dans l'air au voisinage de la ligne électrique et de l'extrémité du collecteur. Selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention, ledit véhicule est un train et le collecteur est un pantographe associé.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour alimenter en courant électrique un véhicule à moteur électrique depuis une ligne électrique, ledit véhicule comprenant au moins un collecteur de courant électrique relié au moteur et présentant une différence de potentiel avec la ligne électrique. Selon l'invention, le dispositif comprend un laser femtoseconde puisé à haute puissance pour créer, par filamentation femtoseconde, un plasma conducteur entre ledit collecteur et ladite ligne électrique, la différence de potentielle étant suffisante pour qu'une décharge électrique soit déclenchée et guidée par le plasma. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en œuvre nullement limitatif, et de l'unique figure annexée.
L'unique figure illustre un train 1 en déplacement sur des rails. Le moteur 2 du train 1 est alimenté en courant électrique par un pantographe 3 dont l'extrémité libre 4, au dessus du train, est disposée proche d'une caténaire 5. Cette dernière est une ligne électrique à haute tension, typiquement 25kV. Le train comprend également un laser femtoseconde 6 fournissant des impulsions de haute puissance qui sont focalisées dans l'air au voisinage de la caténaire 5 et de l'extrémité 4 du pantographe 3. La focalisation est réalisée au moyen d'une lentille 7. Le faisceau filamenté forme une colonne de plasma 8 reliant la caténaire au pantographe 3 par son extrémité 4. Le courant circulant à travers le plasma est conduit par le pantographe vers le moteur électrique 2.
Le laser 6 opère à haute cadence de répétition, ce qui permet de régénérer le plasma et d'éviter des ruptures de courant. Ce laser femtoseconde fonctionne à des cadences supérieures au kilohertz avec des énergies par impulsion dépassant le millijoule.
Le dispositif selon l'invention peut être multiplié en plusieurs exemplaires sur le même train pour augmenter le courant total et pour éviter toute coupure intempestive du passage du courant électrique.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, la présente invention peut s ' appliquer à tous systèmes chargés de conduire un courant électrique d'une ligne d'alimentation à un moteur électrique, qu'il soit en déplacement ou non.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour alimenter en courant électrique un véhicule à moteur électrique depuis une ligne électrique, ledit véhicule comprenant au moins un collecteur de courant électrique relié au moteur et présentant une différence de potentiel avec la ligne électrique, caractérisé en ce qu'on crée, par filamentation femtoseconde au moyen d'un laser femtoseconde puisé à haute puissance, un plasma conducteur entre ledit collecteur et ladite ligne électrique, la différence de potentielle étant suffisante pour que le plasma déclenche et guide une décharge électrique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le laser opère à haute cadence de répétition de façon à régénérer le plasma.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le laser opère à une cadence supérieure au kilohertz.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la puissance des impulsions fournies par le laser est supérieure au millijoule.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la ligne électrique étant sous haute tension, la différence de potentielle est supérieure à 1OkV.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on place une extrémité du collecteur à quelques centimètres de la ligne électrique.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on focalise les impulsions haute puissance fournies par le laser dans l'air au voisinage de la ligne électrique et de l'extrémité du collecteur.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collecteur est un pantographe.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit véhicule est un train.
10. Dispositif pour alimenter en courant électrique un véhicule à moteur électrique depuis une ligne électrique, ledit véhicule comprenant au moins un collecteur de courant électrique relié au moteur et présentant une différence de potentiel avec la ligne électrique, caractérisé en ce qu'il comprend un laser femtoseconde puisé à haute puissance pour créer, par filamentation femtoseconde, un plasma conducteur entre ledit collecteur et ladite ligne électrique, la différence de potentielle étant suffisante pour qu'une décharge électrique soit déclenchée et guidée par le plasma.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une lentille pour focaliser les impulsions haute puissance fournies par le laser dans l'air au voisinage de la ligne électrique et à l'extrémité du collecteur.
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