EP2670618A2 - Procédé et système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire - Google Patents

Procédé et système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire

Info

Publication number
EP2670618A2
EP2670618A2 EP12707633.9A EP12707633A EP2670618A2 EP 2670618 A2 EP2670618 A2 EP 2670618A2 EP 12707633 A EP12707633 A EP 12707633A EP 2670618 A2 EP2670618 A2 EP 2670618A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy
storage means
sources
machine
frequency domain
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12707633.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Alain Jeunesse
Yannick EVAIN
Florian JOFFRIN
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.)
SNCF Mobilites
Original Assignee
SNCF Mobilites
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Filing date
Publication date
Application filed by SNCF Mobilites filed Critical SNCF Mobilites
Publication of EP2670618A2 publication Critical patent/EP2670618A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/12—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries responding to state of charge [SoC]
    • 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
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
    • B60L50/15—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines with additional electric power supply
    • 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
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/53—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells in combination with an external power supply, e.g. from overhead contact lines
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a method for managing the energy of a railway vehicle. It also relates to a corresponding management system.
  • the invention is more particularly concerned with the field of rail transport, particularly in the field of hybrid railway vehicles.
  • the first architecture is based on electric locomotives and the second architecture is based on diesel locomotives.
  • energy is distributed by sampling over a catenary through pantographs, transformers (in the case of alternative networks) and converters.
  • energy is produced on site by a generator associated with a heat engine.
  • Both architectures have a common part consisting of traction motors and auxiliaries.
  • railway engines powered by an electric motor had only one source of energy such as a catenary, a third rail, a heat engine, and so on. This source was sized to provide the maximum power needed to ensure the traction of the machine and the
  • the main source reloads the storage means from a predefined threshold. This command aligns the power generation with the speed of the machine and the state charge of the storage means.
  • this type of energy management of a railway vehicle is not suitable for a railway vehicle comprising a plurality of on-board electrical energy sources of different types.
  • the present invention aims to improve the situation.
  • the invention relates first of all to a method for managing the energy of a railway vehicle comprising a plurality of on-board energy sources and consumers of electrical energy, said sources comprising storage means for energy, said method comprising the steps of:
  • the use of the autonomy of the electrical energy storage means makes it possible to optimize the management of the energy of the machine by making it possible to optimally use the energy storage means.
  • the sources comprise, in addition to the energy storage means, a main energy source comprising a generator and / or a fuel cell.
  • This onboard main energy source allows the production of the energy necessary for the operation of the machine and the load of the storage means.
  • the optimization step comprises a step of controlling the start of the main energy source if the autonomy is below a determined threshold.
  • the optimization step thus makes it possible to limit the use of the main energy source and favors the taking of energy from the storage means.
  • the threshold is between 20 and 40 seconds, in particular equal to 30 seconds. This threshold corresponds to the start-up and power-up time of the main energy source.
  • the start control step comprises a step of transmitting an electrical energy instruction to the main energy source.
  • the optimization step comprises the steps of:
  • control of the machine to use in priority the storage means allocated to said frequency domain during operation of the machine in this area In each frequency domain, control of the machine to use in priority the storage means allocated to said frequency domain during operation of the machine in this area.
  • the frequency domain of operation is directly related to the variation of the electric power demand of the vehicle during this operation.
  • the power demanded shows large amplitude variations, brief and fast, thus corresponding to a frequency domain operating on the high frequency side.
  • the frequency domain of operation is, in this case, located on the low frequency side.
  • the defined frequency domains comprise:
  • the first frequency domain close to the continuum, is an image of the mean value of the mission of the machine while the second frequency domain corresponds to very variable regimes.
  • the storage means allocated to the first frequency domain is a battery pack.
  • the characteristics of the batteries indeed require operation in steady state for optimum use in terms of efficiency, consumption, pollutant emission lifetime, etc.
  • the batteries are thus able to withstand operating frequencies located in the low frequencies, from continuous to a few mHz.
  • the storage means allocated to the second frequency domain is a block of supercapacitors.
  • supercapacitors are able to withstand operating cycles of about one hundred MHz to a few Hz. In other words, their charge and discharge cycles have a frequency adapted to the second frequency range.
  • the step of collecting information relating to the maximum electrical power likely to be absorbed by the consumers comprises a step of predicting this maximum power from recorded values of the electrical power absorbed by the consumers. during previous operations of the machine.
  • the invention also relates to a system for managing the energy of a railway vehicle comprising a plurality of on-board energy sources and consumers of electrical energy, said sources comprising energy storage means, said system including means of:
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the electrical structure of a railway vehicle according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the structure and operation of the energy management system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the detailed structure of the processing means of the management system of FIG. 2 according to one embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the energy management method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is an enlarged view of part of the diagram of FIG. 4.
  • FIG. 1 illustrates the electrical network of a railway vehicle 2 of the hybrid type.
  • the machine 2 is provided with a traction unit 4 for driving the machine.
  • the traction unit 4 comprises, by way of non-limiting example, four electric traction motors 6.
  • the traction unit 4 also comprises a power supply 8 for energizing the motors 6.
  • the traction diagram of the vehicle 2 allows braking by energy recovery.
  • These motors 6 consume electrical energy produced by a plurality of electrical sources on board the vehicle 2. These onboard sources 30 produce or store energy on board the craft 2.
  • these sources comprise a generator 12.
  • the generator 12 includes a diesel engine providing a power equal to 230 kW, for example. It is the main source of electrical energy.
  • this main source may comprise a fuel cell, or a combination of a generator with a fuel cell.
  • the sources on board the craft 2 also include energy storage means 14.
  • the energy storage means 14 comprise in particular a battery pack 16 and a block of supercapacitors 18.
  • the battery pack 16 preferably comprises Ni-Cd batteries
  • the battery pack 16 comprises 2 groups of 6 modules of 48 cells of battery cells with a capacity of 135 Ah.
  • the supercapacitor block 18 comprises a plurality of supercapacitors, for example 8 modules of 200 5000F / 2.5V supercapacitors connected in series. The total capacity of the block of supercapacitors 18 is then equal, in this example to 200 F.
  • supercapacitors of different capacity for example 2600F or 9000F.
  • the machine 2 also comprises a set of auxiliaries 20 which comprises, in particular, fans 22 of the traction motors 6, an air compressor 24 for the operation of the brakes of the machine 2, and a battery charger 26 coupled to an electric accumulator supplying energy to a low voltage circuit (72 V) of the machine 2.
  • auxiliaries 20 comprises, in particular, fans 22 of the traction motors 6, an air compressor 24 for the operation of the brakes of the machine 2, and a battery charger 26 coupled to an electric accumulator supplying energy to a low voltage circuit (72 V) of the machine 2.
  • All the sources of electrical energy ie the generator group 12, the battery pack 16 and the block of supercapacitors 18, and consumers of electrical energy, that is to say the traction motors 6 and the auxiliaries 20 are connected to each other via a bus or high-voltage electrical network 28, otherwise called a power bus.
  • the electric power sources 12, 16, 18 and the consumers 6, 20 are further connected to each other via a CAN computer network 30 to which a supervisor 32 is connected.
  • the main function of the supervisor 32 is to optimally distribute the energy supplied from the available energy sources to the consumers and the energy supplied by the generator set 12 to the battery pack 16 and the supercapacitor block 18.
  • Supervisor 32 is the component in which the steps of the energy management method of the invention are implemented. In other words, it is this component which comprises the means of the energy management system of the invention.
  • the supervisor 32 comprises a controller 34 and a real-time calculator 36.
  • the controller 34 performs control control functions of the machine 2 by implementing a digitized logic.
  • the computer 36 which is the subject of the invention, ensures the optimized management of the energy on board the vehicle 2 by developing voltage or current instructions that the sources and the consumers must supply and / or absorb. depending on the rail mission to be performed and according to the state of the equipment (in service or not, for example).
  • a human machine interface HMI 38 is also provided. This interface
  • HMI 38 connected to the network CAN 30 is able to show a driver 20 or maintenance of the machine 2, the state of energy sources, their autonomy, energy flows, instructions issued, etc. This information can be given as numeric values and / or as animation.
  • the HMI interface 38 is implemented either traditionally by conventional commands to a control panel, or by a touch screen 25 connected to the control system and / or maintenance by a computer link.
  • the energy management system manages energy flows between the plurality of sources and consumers. It ensures the energy needs of the mission of the machine 2 while optimizing the consumption, pollution and the life of the component components. By observing the mission of the machine and the state sources, including storage means 14, it decides at any time the contribution of each source according to its availability and its capacity in terms of autonomy and maximum power including, as will be described in the following description .
  • the energy management system comprises information acquisition means 40. These means include means for decoding the information available on the CAN 30 computer network and means for scaling this information. for example means for standardizing the units of measurement, etc.
  • the information acquired o are analog or Boolean. By way of nonlimiting examples, this information can be a state of charge of the batteries and / or supercapacitors, a quantity of energy stored in the storage means, an instantaneous power consumed and / or supplied, effort instructions , equipment availability, geolocation data from
  • the energy management system also includes means 42 for processing the information acquired.
  • the energy management system also includes means of transmitting
  • These means are capable of performing post-processing of the information received from the processing means 42. These post-processing operations include the scaling of this information and their encoding into messages transmitted on the CAN 30 network.
  • the processing means 42 include means 46 for collecting information relating to the quantities of available electrical energy that can be supplied by the sources and to the maximum electrical power likely to be absorbed by the consumers from the information acquired by the users.
  • the collection means 46 receive means 40 for acquiring information relating to the power of the generator set. 12, to the charge states of the battery pack 16 and / or the block of supercapacitors 18, to a ramping slope limitation of the storage means 14, to a quantity of available energy stored in the storage means 14, to a power necessary for the mission, that is to say 5 to be provided to the traction motors 6, etc.
  • the processing means 42 also comprise means 48 for calculating autonomy of the storage means 14 from the information collected by the collection means 46.
  • the autonomy is defined as the ratio between the electrical energy available in the storage means 14 and the maximum electrical power likely to be absorbed by the consumers.
  • the energy available in each of the storage means 14 is related to a maximum discharge depth tolerated by said storage means taking into account the number of cycles of the storage means for a defined lifetime.
  • the maximum power likely to be absorbed by the consumers is proportional to the sum of the maximum currents consumed by the auxiliaries 20 and the traction motors 6.
  • the calculated autonomy is transmitted to control means 50 for starting up the generator set 12.
  • control means 50 decide to start up the generator set 12 when the value of the calculated autonomy is lower than a determined threshold, preferably between 20 and 40 seconds, in particular equal to 30 seconds.
  • This threshold of autonomy is determined by taking into account the composition of the train towed by the machine and its mission, in terms of speed to meet, line profile, etc., and the characteristics of the means of storage in order to optimize their use in terms of energy efficiency, pollution, lifespan, etc.
  • the control means 50 transmit an electrical energy setpoint 52 to be supplied by the generator set 12 and a corresponding electric power setpoint 54 to be supplied by the generator set 12.
  • the processing means 42 furthermore comprise means 56 for calculating the electric current to be supplied by the storage means 14 from the stream 57 to be supplied to the consumers for carrying out the mission, the value of which is received from the means 40 acquisition of information, and the electrical current setpoint 54 to be supplied by the generator 12 received from the control means 50.
  • the calculation means 56 implement the principle of conservation of the currents (node law), the electric current 58 to be provided by the storage means 14 then being equal to the difference between the current 57 to o be provided to consumers for carrying out the mission and the electrical current setpoint 54 to be supplied by the generator 12.
  • the processing means 42 also comprise frequency discriminating means 60. These frequency discriminating means 60 distribute the current 58 to be supplied by the storage means 14 to at least two frequency domains according to the characteristics of the desired mission. gear 2.
  • the frequency discrimination means 60 define three frequency domains 62, 64, 66 for operating the machine 2.
  • the first frequency domain 62 is close to the continuous. It corresponds to the average value of the mission of the vehicle 2.
  • a local service is an example of an operation of the vehicle 2 in this frequency domain. Indeed, during such a service, the power requested by the mission is almost continuous with amplitudes that can be important and not very variable.
  • This first frequency domain 62 preferably includes frequencies below 10 mHz.
  • the second frequency domain 64 corresponds to a very variable operating mode of the vehicle 2.
  • a maneuver is an example of an operation of the vehicle 2 in this frequency domain. Indeed, during such a maneuver, the power requested by the mission shows large amplitude variations, brief and fast.
  • This second frequency domain 64 preferably includes frequencies above 20 mHz.
  • the third frequency domain 66 is intermediate to the first and second frequency domain. It preferably includes frequencies between 10 mHz and 20 mHz.
  • the frequency discriminating means 60 allocate to each defined frequency domain 5 at least one source capable of supplying electrical energy during operation of the machine in said domain.
  • the inventors have discovered that the intrinsic temporal properties of the energy storage components project at locations distinct from the frequency axis. More particularly, the batteries are located in the field of low frequencies, the continuous to a few mHz while the supercapacitors are able to withstand operating cycles of about one hundred MHz to a few Hz. The characteristics of flywheels of inertia place them between the batteries and the supercapacitors.
  • the frequency discrimination means 60 allocate the battery pack 16 to the first frequency domain 62 first.
  • the generator set 12 is also adapted to this frequency domain 62.
  • the frequency discrimination means 60 allocate the block of supercapacitors 18 to the second frequency domain 64.
  • the frequency discrimination means 60 allocate a flywheel 20 and / or the battery pack 16 and / or the block of supercapacitors 18 to the third frequency domain 66, as the case may be, according to the amount of stored energy available. and their state of charge.
  • Electrical energy instructions 68, 70, 72 to be provided by the storage means allocated to the first, second and third frequency domains are transmitted by the frequency discrimination means 60.
  • the processing means 42 also include mission carry-over means 74. These transfer means 74 receive the electrical energy instructions 68, 70, 72 of the three frequency domains 62, 64, 66 transmitted from the frequency discrimination means 60. They also receive the electrical energy instruction 52 to be supplied by the generator 12 from the control means 50 for starting the generator 12. The reporting means 74 also receive information relating to the functional characteristics of the different sources from the information collection means 46.
  • such a limitation is, for example, the level of charge, the maximum current of discharge or charge.
  • the carryover means 74 determines the amount of energy that can actually be provided by each source from the physical limitations.
  • the transfer means 74 compare the electrical energy setpoint to be supplied by the source and the determined amount of energy that can actually be supplied by the same source. If the setpoint is greater than the determined amount of energy, the transfer means 74 selects another source and controls the other source to provide the energy difference between the setpoint and the determined amount of energy.
  • the transfer means 74 control
  • the transfer means 74 can transfer part of the mission from one frequency domain to another frequency domain when the first domain can not ensure
  • the transfer strategy implemented when selecting another source promotes the use of the block of supercapacitors 18 which have a longer life in terms of the number of charge and discharge cycles.
  • new electrical energy orders 76, 78, 80 to be provided by the storage means allocated to the first, second and third frequency domains are transmitted from reporting means 74.
  • an instruction to limit the traction force 81 is emitted from the transfer means 74, to the transmission means 44 setpoints, when the sum of the electric energy can be provided by the different sources n is not sufficient to ensure the operation required by the mission.
  • the processing means 42 comprise balancing means 82, 84, 86 of the use of the sources allocated to the frequency domain 62, 64, 66 respectively.
  • the balancing means balance the requested task, that is to say the electrical energy setpoint to be provided by the sources allocated to the frequency domain concerned, between each of the sources allocated to said domain.
  • the balancing means ensure the balancing of the load levels.
  • the battery pack 16 is allocated to the first frequency range 62.
  • the balancing means 82 then seek to balance the charge levels of the batteries of the battery pack 16. This avoids that one of the batteries are completely discharged while another would be fully charged.
  • the block of supercapacitors 18 is allocated to the second frequency domain 64.
  • the balancing means 84 then seek to balance the charge levels of the supercapacitors of the block of 30 supercapacitors 18. This prevents one of the supercapacitors completely unloaded while another would be fully loaded.
  • new electrical energy instructions 88, 90, 92 to be provided by the allocated storage means respectively the first, second and third frequency domains are transmitted from the balancing means 82, 84, 86 to the transmission means 44 setpoints.
  • FIG. 4 illustrates an example of management of the energy of the vehicle 2 by the processing means 42 when the vehicle 2 performs a local service between two stations.
  • This diagram shows the evolution of the power sources supplied by the sources 12, 16, 18 and the power absorbed by the traction motors 6.
  • the diagram of FIG. 4 comprises 6 curves 100, 102, 104, 106, 108,
  • the curve 100 represents the power absorbed by the traction motors 6 expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s). This power is of negative sign since it is absorbed.
  • the curve 102 represents the power supplied by the generator set expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s).
  • the curve 104 represents the power provided by the battery pack 16 expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s).
  • Curve 106 represents the power provided by the block of supercapacitors 18 expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s).
  • the curve 108 represents the speed of the vehicle in km / h as a function of time and the curve 1 represents the fuel consumption by the vehicle in liters per hour as a function of time.
  • the diagram of FIG. 5 is an extract of the diagram of FIG. 4 for the period of time between 0 and approximately 180 seconds.
  • the machine is stopped. Indeed, the speed 108 of the machine 2 and the power 100 absorbed by the traction motors 6 are zero. Meanwhile, the battery pack 16 (negative power on curve 104) is recharged by the block of supercapacitors 18 (positive power on curve 106). The generator 12 is stopped during this time (zero power on the curve 102).
  • the machine 2 starts.
  • the speed 108 is almost zero and the power 100 absorbed by the traction motors 6 increases slowly. This operation falls within the first frequency domain 62.
  • the frequency discrimination means 60 it is the battery block 16 that is biased (positive power on the curve 104 while the power is zero on the curves 102 and 106).
  • the traction demand becomes greater.
  • the speed 108 increases and the power 100 absorbed by the traction motors 6 increases more rapidly.
  • the battery pack 16 can no longer supply the energy necessary for the mission of the machine 2.
  • the transfer means 74 then command the block of
  • Supercapacitors 18 complete the power supply although operation is still in the first frequency domain 62.
  • the power provided by the battery pack 16 is at a maximum. There is indeed a plateau at the curve 104.
  • the power provided by the block of supercapacitors 18 increases.
  • the autonomy of the storage means calculated by the autonomy calculation means 48 becomes less than the threshold of 30 seconds. More particularly, as pointed out by the arrows 120, the autonomy of the block of supercapacitors 18 becomes insufficient to ensure the need for the traction mission of the machine 2.
  • the control means 50
  • the generator fully ensures the traction mission of the machine, the blocks of 5 batteries 16 and supercapacitors 18 providing no power.
  • the traction is cut to reduce the speed of the machine 2 to park.
  • the available energy of the generator set 12 allows charging of the battery packs 16 and supercapacitors 18 while the machine 2 is still in motion (curve 108). Charging supercapacitors is much faster than batteries.
  • the energy management method described in the present application comprises the steps of:
  • control of the machine (2) to use in priority the source allocated to said frequency domain during operation of the machine (2) in this area In each frequency domain, control of the machine (2) to use in priority the source allocated to said frequency domain during operation of the machine (2) in this area.
  • Said sources comprising energy storage means (14), said method comprises the steps of: - collecting information on the quantities of available electrical energy that can be provided by the storage means (14) and the maximum electrical power that can be absorbed by consumers (6,20);
  • said method comprises, for each source, the steps of:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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Description

Procédé et système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire
La présente invention concerne un procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire. Elle concerne également un système de gestion correspondant. 5 L'invention s'intéresse plus particulièrement au domaine du transport ferroviaire, notamment au domaine des engins ferroviaires hybrides.
Actuellement, deux architectures principales d'engins ferroviaires sont exploitées en Europe. La première architecture repose sur des locomotives électriques et la deuxième architecture repose sur des locomotives diesel. A bord î o des locomotives électriques, l'énergie est distribuée par prélèvement sur une caténaire à travers des pantographes, des transformateurs (dans le cas de réseaux alternatifs) et des convertisseurs. Sur une locomotive diesel, l'énergie est produite sur place par un générateur associé à un moteur thermique. Les deux architectures ont une partie commune constituée de moteurs de traction et 15 d'auxiliaires.
Les engins ferroviaires propulsés par un moteur électrique ne disposaient auparavant que d'une seule source d'énergie comme par exemple une caténaire, un troisième rail, un moteur thermique, etc. Cette source était dimensionnée pour fournir la puissance maximale nécessaire pour assurer la traction de l'engin et les
20 besoins des auxiliaires comme par exemple le confort des voyageurs, la production d'air, le refroidissement des organes de puissance, etc. Ainsi, à tout instant, le besoin en puissance électrique de la mission de l'engin est assuré par la seule source d'énergie présente.
Il existe actuellement des engins ferroviaires comprenant deux sources
25 d'énergie électrique combinant une source d'énergie principale et un moyen de stockage électrique. Pour ces engins, la mise en œuvre d'un moyen de stockage en plus de la source principale demande une évolution légère des principes de commande existant pour tenir compte des caractéristiques du moyen de stockage.
30 A titre d'exemple d'une telle commande, la source principale recharge le moyen de stockage à partir d'un seuil prédéfini. Cette commande permet d'aligner la génération d'alimentation électrique par rapport à la vitesse de l'engin et l'état de charge du moyen de stockage.
Cependant, ce type de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire n'est pas adapté à un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie électrique embarquées de différents types.
5 La présente invention vise à améliorer la situation.
A cet effet, l'invention concerne d'abord un procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées et de consommateurs d'énergie électrique, lesdites sources comprenant des moyens de stockage d'énergie, ledit procédé comprenant les étapes de:
î o - collecte d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les moyens de stockage et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs ;
- calcul d'une autonomie des moyens de stockage, ladite autonomie étant égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de
15 stockage et la puissance électrique maximale collectée ; et
- optimisation de l'utilisation des sources pour la fourniture de l'énergie électrique en fonction de l'autonomie calculée.
L'utilisation de l'autonomie des moyens de stockage d'énergie électrique permet d'optimiser la gestion de l'énergie de l'engin en permettant d'utiliser de 20 manière optimisée les moyens de stockage d'énergie.
Avantageusement, les sources comprennent, outre les moyens de stockage d'énergie, une source d'énergie principale comprenant un groupe électrogène et/ou une pile à combustible.
Cette source d'énergie principale embarquée permet la production de 25 l'énergie nécessaire au fonctionnement de l'engin et à la charge des moyens de stockage.
Avantageusement, l'étape d'optimisation comprend une étape de commande de mise en marche de la source d'énergie principale si l'autonomie est inférieure à un seuil déterminé.
30 L'étape d'optimisation permet ainsi de limiter le recours à la source d'énergie principale et privilégie le prélèvement d'énergie sur les moyens de stockage.
De préférence, le seuil est compris entre 20 et 40 secondes, notamment égal à 30 secondes. Ce seuil correspond au temps de démarrage et de mise en puissance de la source d'énergie principale.
Avantageusement, l'étape de commande de mise en marche comprend une étape de transmission d'une consigne d'énergie électrique vers la source 5 d'énergie principale.
Selon une réalisation préférée, l'étape d'optimisation comprend les étapes de :
- définition d'au moins deux domaines fréquentiels de fonctionnement de l'engin ;
î o - allocation d'au moins un moyen de stockage parmi les moyens de stockage à chaque domaine fréquentiel défini ; et
- dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin pour utiliser en priorité le moyen de stockage alloué audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin dans ce domaine.
15 Cela permet d'optimiser l'utilisation des moyens de stockage embarqués en exploitant l'adéquation de chaque type de moyen de stockage à un domaine fréquentiel de fonctionnement particulier. Le domaine fréquentiel de fonctionnement est directement lié à la variation de la sollicitation en puissance électrique de l'engin pendant ce fonctionnement.
20 A titre d'exemple, lors d'une manœuvre, la puissance sollicitée montre des variations d'amplitude importantes, brèves et rapides, correspondant ainsi à un domaine fréquentiel de fonctionnement situé du côté des hautes fréquences.
A l'inverse, lors de dessertes locales, la puissance sollicitée par le fonctionnement de l'engin est davantage continue, son amplitude pouvant être
25 importante et peu variable. Le domaine fréquentiel de fonctionnement est, dans ce cas, situé du côté des basses fréquences.
De préférence, les domaines fréquentiels définis comprennent :
- un premier domaine de fréquences inférieures à une dizaine de mHz (millihertz) ; et
30 - un deuxième domaine de fréquences supérieures à une vingtaine de mHz.
Le premier domaine fréquentiel, proche du continu, est une image de la valeur moyenne de la mission de l'engin alors que le deuxième domaine fréquentiel correspond à des régimes très variables.
De préférence, le moyen de stockage alloué au premier domaine de fréquences est un bloc de batteries.
5 Les caractéristiques des batteries nécessitent en effet un fonctionnement en régime stabilisé pour une utilisation optimale en terme de rendement, de consommation, de durée de vie d'émission de polluants, etc. Les batteries sont ainsi aptes à supporter des fréquences de fonctionnement situées dans les basses fréquences, du continu à quelques mHz.
î o Avantageusement, le moyen de stockage alloué au deuxième domaine de fréquences est un bloc de supercondensateurs.
En effet, les supercondensateurs sont aptes à supporter des cycles de fonctionnement voisins de la centaine de mHz jusqu'à quelques Hz. Autrement dit, leurs cycles de charge et de décharge présentent une fréquence adaptée au 15 deuxième domaine de fréquences.
Selon une réalisation préférée, l'étape de collecte d'informations relatives à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs comprend une étape de prédiction de cette puissance maximale à partir de valeurs enregistrées de la puissance électrique absorbée par les 20 consommateurs lors de fonctionnements précédents de l'engin.
En effet, lors de chaque fonctionnement de l'engin, les valeurs de la puissance électrique absorbée par les consommateurs sont enregistrées. Une étude statistique de ces valeurs enregistrées pour différents types de mission (opération de maintenance, desserte entre deux stations données, etc.) permet de 25 prédire la puissance maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs lors d'une future mission de l'engin.
L'invention concerne également un système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées et de consommateurs d'énergie électrique, les dites sources comprenant des 30 moyens de stockage d'énergie, ledit système comprenant des moyens de :
- collecte d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les moyens de stockage et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs ;
- calcul d'une autonomie des moyens de stockage, ladite autonomie étant égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage et la puissance électrique maximale collectée ; et
5 - optimisation de l'utilisation des sources pour la fourniture de l'énergie électrique en fonction de l'autonomie calculée.
Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels :
î o - la figure 1 est un schéma illustrant la structure électrique d'un engin ferroviaire selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement du système de gestion de l'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est un schéma illustrant la structure détaillée des moyens de 15 traitement du système de gestion de la figure 2 selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est un diagramme illustrant le fonctionnement du procédé de gestion de l'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 5 est une vue agrandie d'une partie du diagramme de la figure 4.
20 La figure 1 illustre le réseau électrique d'un engin ferroviaire 2 de type hybride. L'engin 2 est muni d'un bloc de traction 4 pour l'entraînement de l'engin. Le bloc de traction 4 comprend, à titre d'exemple non limitatif, quatre moteurs 6 de traction électrique.
Le bloc de traction 4 comprend également une alimentation 8 d'excitation 25 des moteurs 6.
De préférence, le schéma de traction de l'engin 2 autorise un freinage par récupération d'énergie.
Ces moteurs 6 consomment de l'énergie électrique produite par une pluralité de sources électriques embarquées sur l'engin 2. Ces sources embarquées 30 produisent ou stockent de l'énergie à bord de l'engin 2.
Dans l'exemple de la figure 1 , ces sources comprennent un groupe électrogène 12. Le groupe électrogène 12 comprend notamment un moteur thermique diesel fournissant une puissance égale à 230 kW, par exemple. Il constitue la source principale de l'énergie électrique.
En variante, cette source principale peut comprendre une pile à combustible, 5 ou une combinaison d'un groupe électrogène avec une pile à combustible.
Les sources embarquées à bord de l'engin 2 comprennent également des moyens de stockage d'énergie 14.
Les moyens de stockage d'énergie 14 comprennent notamment un bloc de batteries 16 et un bloc de supercondensateurs 18.
î o Le bloc de batteries 16 comprend de préférence des batteries Ni-Cd
(cadmium - nickel). A titre d'exemple, le bloc de batteries 16 comprend 2 groupes de 6 modules de 48 éléments de cellules de batteries d'une capacité de 135 Ah.
Le bloc de supercondensateurs 18 comprend une pluralité de supercondensateurs, par exemple 8 modules de 200 supercondensateurs 15 5000F/2,5V connectés en série. La capacité totale du bloc de supercondensateurs 18 est alors égale, dans cet exemple à 200 F.
Il est également possible d'utiliser des supercondensateurs de capacité différente, par exemple 2600F ou 9000F.
L'engin 2 comprend également un ensemble d'auxiliaires 20 qui comprend 20 notamment des ventilateurs 22 des moteurs de traction 6, un compresseur d'air 24 pour le fonctionnement des freins de l'engin 2, et un chargeur de batterie 26 couplé à un accumulateur électrique fournissant une énergie à un circuit basse tension (72 V) de l'engin 2.
L'ensemble des sources d'énergie électrique, c'est-à-dire le groupe 25 électrogène 12, le bloc de batteries 16 et le bloc de supercondensateurs 18, et des consommateurs d'énergie électrique, c'est-à-dire les moteurs de traction 6 et les auxiliaires 20, sont raccordés entre eux par l'intermédiaire d'un bus ou réseau électrique haute tension 28, autrement appelé bus de puissance.
Les sources d'énergie électrique 12, 16, 18 et les consommateurs 6, 20 sont 30 en outre raccordées entre eux à travers un réseau informatique de bord CAN 30 auquel est raccordé un superviseur 32. Le superviseur 32 a pour fonction principale de répartir de manière optimale l'énergie fournie des sources d'énergie disponibles vers les consommateurs et l'énergie fournie par le groupe électrogène 12 vers le bloc de batteries 16 et le bloc de supercondensateurs 18.
5 Le superviseur 32 constitue le composant dans lequel sont mises en œuvre les étapes du procédé de gestion d'énergie de l'invention. Autrement dit, c'est ce composant qui comprend les moyens du système de gestion d'énergie de l'invention.
Le superviseur 32 comprend un automate 34 et un calculateur temps réel î o 36.
L'automate 34 réalise notamment des fonctions de contrôle commande de l'engin 2 en mettant en œuvre une logique numérisée.
Le calculateur 36, faisant l'objet de l'invention, assure la gestion optimisée de l'énergie à bord de l'engin 2 en élaborant des consignes de tension ou de 15 courant que doivent fournir et/ou absorber les sources et les consommateurs en fonction de la mission ferroviaire à accomplir et en fonction de l'état des équipements (en service ou non par exemple).
Une interface homme machine IHM 38 est également prévue. Cette interface
IHM 38 raccordée au réseau CAN 30 est apte à montrer à un agent de conduite 20 ou de maintenance de l'engin 2, l'état des sources d'énergie, leur autonomie, les flux énergétiques, les consignes émises, etc. Ces informations peuvent être données sous forme de valeurs numériques et/ou sous forme d'animation.
L'interface IHM 38 est mise en œuvre soit de manière traditionnelle par des commandes classiques à un pupitre de commande, soit par un écran tactile 25 raccordé au système de conduite et/ou de maintenance par une liaison informatique.
La structure du système de gestion de l'énergie de l'invention, mis en œuvre par le calculateur 36, est décrite en référence à la figure 2.
Le système de gestion de l'énergie gère les flux d'énergie entre la pluralité 30 de sources et les consommateurs. Il assure le besoin énergétique de la mission de l'engin 2 tout en optimisant la consommation, la pollution et la durée de vie des composants le constituant. Par l'observation de la mission de l'engin et de l'état des sources, notamment des moyens de stockage 14, il décide à tout moment de la contribution de chacune des sources selon sa disponibilité et sa capacité en termes d'autonomie et de puissance maximale notamment, ainsi que cela sera décrit dans la suite de la description.
5 Le système de gestion d'énergie comprend des moyens d'acquisition d'informations 40. Ces moyens comprennent notamment des moyens de décodage des informations disponibles sur le réseau informatique de bord CAN 30 et des moyens de mise à l'échelle de ces informations, par exemple des moyens d'uniformisation des unités de mesure, etc. Les informations acquises î o sont analogiques ou booléennes. A titre d'exemples non limitatifs, ces informations peuvent être un état de charge des batteries et/ou des supercondensateurs, une quantité d'énergie stockée dans les moyens de stockage, une puissance instantanée consommée et/ou fournie, des consignes d'effort, une disponibilité des équipements, une donnée de géolocalisation de
15 l'engin dans le domaine ferroviaire, une vitesse de l'engin, un niveau de carburant dans le réservoir qui alimente le groupe électrogène, etc.
Le système de gestion d'énergie comprend également des moyens de traitement 42 des informations acquises.
Le système de gestion de l'énergie comprend aussi des moyens d'émission
20 44 de consignes. Ces moyens sont aptes à réaliser des post-traitements des informations reçues des moyens de traitement 42. Ces post-traitements comprennent notamment la mise à l'échelle de ces informations et leur codage en messages émis sur le réseau de bord CAN 30.
La structure et le fonctionnement des moyens de traitement 42 sont détaillés
25 en référence à la figure 3.
Les moyens de traitement 42 comprennent des moyens de collecte 46 d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les sources et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs à partir des informations acquises par les
30 moyens d'acquisition d'informations 40.
Plus particulièrement, les moyens de collecte 46 reçoivent des moyens d'acquisition 40 des informations relatives à la puissance du groupe électrogène 12, aux états de charge du bloc de batteries 16 et/ou du bloc de supercondensateurs 18, à une limitation de pente de montée en charge des moyens de stockage 14, à une quantité d'énergie disponible stockée dans les moyens de stockage 14, à une puissance nécessaire pour la mission, c'est-à-dire 5 devant être fournie aux moteurs de traction 6, etc.
Les moyens de traitement 42 comprennent également des moyens de calcul 48 d'une autonomie des moyens de stockage 14 à partir des informations collectées par les moyens de collecte 46. L'autonomie est définie comme étant le rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage 14 et la î o puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs.
L'énergie disponible dans chacun des moyens de stockage 14 est liée à une profondeur de décharge maximale tolérée par ledit moyen de stockage en tenant compte du nombre de cycles du moyen de stockage pour une durée de vie 15 définie.
La puissance maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs est proportionnelle à la somme des courants maximum consommables par les auxiliaires 20 et les moteurs de traction 6.
L'autonomie calculée est transmise vers des moyens de commande 50 de 20 mise en marche du groupe électrogène 12. Ces moyens de commande décident la mise en marche du groupe électrogène 12 lorsque la valeur de l'autonomie calculée est inférieure à un seuil déterminé, compris de préférence entre 20 et 40 secondes, notamment égal à 30 secondes.
Ce seuil d'autonomie est déterminé en tenant compte de la composition de 25 la rame tractée par l'engin ainsi que de sa mission, en termes de vitesse à respecter, de profil de ligne, etc., ainsi que des caractéristiques des moyens de stockage afin d'optimiser leur utilisation en termes d'efficacité énergétique, de pollution, de durée de vie, etc.
Les moyens de commande 50 transmettent une consigne d'énergie 30 électrique 52 devant être fournie par le groupe électrogène 12 et une consigne de courant électrique 54 correspondante devant être fournie par le groupe électrogène 12. Les moyens de traitement 42 comprennent en outre des moyens de calcul 56 du courant électrique devant être fourni par les moyens de stockage 14 à partir du courant 57 devant être fourni aux consommateurs pour la réalisation de la mission, dont la valeur est reçue depuis les moyens d'acquisition 40 5 d'informations, et de la consigne de courant électrique 54 devant être fournie par le groupe électrogène 12 reçue depuis les moyens de commande 50.
Les moyens de calcul 56 mettent en œuvre le principe de conservation des courants (loi des nœuds), le courant électrique 58 devant être fourni par les moyens de stockage 14 étant alors égal à la différence entre le courant 57 devant î o être fourni aux consommateurs pour la réalisation de la mission et la consigne de courant électrique 54 devant être fournie par le groupe électrogène 12.
Les moyens de traitement 42 comprennent également des moyens de discrimination fréquentielle 60. Ces moyens de discrimination fréquentielle 60 répartissent le courant 58 devant être fourni par les moyens de stockage 14 sur 15 au moins deux domaines de fréquences selon les caractéristiques de la mission souhaitée de l'engin 2.
Plus particulièrement, les moyens de discrimination fréquentielle 60 définissent trois domaines fréquentiels 62, 64, 66 de fonctionnement de l'engin 2.
Le premier domaine fréquentiel 62 est proche du continu. Il correspond à la 20 valeur moyenne de la mission de l'engin 2. Une desserte locale constitue un exemple d'un fonctionnement de l'engin 2 dans ce domaine fréquentiel. En effet, lors d'une telle desserte, la puissance sollicitée par la mission est quasi continue avec des amplitudes pouvant être importantes et peu variables. Ce premier domaine de fréquences 62 comprend, de préférence, des fréquences inférieures 25 à 10 mHz.
Le deuxième domaine fréquentiel 64 correspond à un régime de fonctionnement très variable de l'engin 2. Une manœuvre constitue un exemple d'un fonctionnement de l'engin 2 dans ce domaine fréquentiel. En effet, lors d'une telle manœuvre, la puissance sollicitée par la mission montre des variations 30 d'amplitude importantes, brèves et rapides. Ce deuxième domaine de fréquences 64 comprend, de préférence, des fréquences supérieures à 20 mHz. Le troisième domaine fréquentiel 66 est intermédiaire au premier et au deuxième domaine fréquentiels. Il comprend, de préférence, des fréquences comprises entre 10 mHz et 20 mHz.
Les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent à chaque domaine 5 fréquentiel défini au moins une source apte à fournir de l'énergie électrique lors d'un fonctionnement de l'engin dans ledit domaine.
De manière remarquable, les inventeurs ont découvert que les propriétés intrinsèques temporelles des composants de stockage de l'énergie se projettent à des endroits distincts de l'axe fréquentiel. Plus particulièrement, les batteries se î o situent dans le domaine des basses fréquences, du continu à quelques mHz alors que les supercondensateurs sont aptes à supporter des cycles de fonctionnement voisins de la centaine de mHz vers quelques Hz. Les caractéristiques des volants d'inertie les placent entre les batteries et les supercondensateurs.
Ainsi, les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent en priorité le 15 bloc de batteries 16 au premier domaine fréquentiel 62. Le groupe électrogène 12 est également adapté à ce domaine fréquentiel 62.
Par ailleurs, les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent le bloc de supercondensateurs 18 au deuxième domaine fréquentiel 64.
En outre, les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent un volant 20 d'inertie et/ou le bloc de batteries 16 et/ou le bloc de supercondensateurs 18 au troisième domaine fréquentiel 66, selon le cas, suivant leur quantité d'énergie stockée disponible et leur état de charge.
Des consignes d'énergie électrique 68, 70, 72 devant être fournies par les moyens de stockage alloués au premier, deuxième et troisième domaines de 25 fréquences sont émises par les moyens de discrimination fréquentielle 60.
Les moyens de traitement 42 comprennent également des moyens de report 74 de missions. Ces moyens de report 74 reçoivent les consignes d'énergie électriques 68, 70, 72 des trois domaines fréquentiels 62, 64, 66 émises depuis les moyens de discrimination fréquentielle 60. Ils reçoivent également la consigne 30 d'énergie électrique 52 devant être fournie par le groupe électrogène 12 depuis les moyens de commande 50 de mise en marche du groupe électrogène 12. Les moyens de report 74 reçoivent également des informations relatives aux caractéristiques fonctionnelles des différentes sources depuis les moyens de collecte 46 d'informations.
Ces caractéristiques fonctionnelles sont notamment les limitations physiques 5 des sources.
Dans le cas du groupe électrogène 12, de telles limitations sont par exemple la puissance maximale pouvant être fournie et/ou le temps d'arrêt minimal entre deux fonctionnements successifs.
Dans le cas des moyens de stockage 14, une telle limitation est par exemple î o le niveau de charge, le courant maximal de décharge ou de charge.
De manière remarquable, les moyens de report 74 déterminent la quantité d'énergie pouvant effectivement être fournie par chaque source à partir des limitations physiques.
Ensuite, pour chaque source, les moyens de report 74, comparent la 15 consigne d'énergie électrique devant être fournie par la source et la quantité d'énergie déterminée pouvant être effectivement fournie par cette même source. Si la consigne est supérieure à la quantité d'énergie déterminée, les moyens de report 74 sélectionnent une autre source et commandent à l'autre source de fournir la différence d'énergie entre la consigne et la quantité d'énergie 20 déterminée.
A titre d'exemple, si la consigne d'énergie électrique devant être fournie par les sources allouées au deuxième domaine fréquentiel 64 est égale à 70% de l'énergie totale nécessaire au fonctionnement de l'engin alors que ces sources ne peuvent fournir que 30% de l'énergie totale, les moyens de report 74 commandent
25 aux sources d'énergie allouées au premier et troisième domaines de fréquences de fournir la différence d'énergie égale à 40%.
Ainsi, afin d'assurer un fonctionnement correct de l'engin, les moyens de report 74 peuvent reporter une partie de la mission d'un domaine fréquentiel vers un autre domaine fréquentiel quand le premier domaine ne peut assurer
30 totalement la mission qui lui a été assignée par les moyens de discrimination fréquentielle 60. A titre d'exemple, la stratégie de report mise en œuvre lors de la sélection d'une autre source favorise l'utilisation du bloc de supercondensateurs 18 qui présentent une durée de vie plus longue en termes du nombre de cycles de charge et décharge.
5 Suite à la mise en œuvre du report par les moyens de report 74, de nouvelles consignes d'énergie électrique 76, 78, 80 devant être fournies par les moyens de stockage alloués au premier, deuxième et troisième domaines de fréquences sont émises à partir des moyens de report 74.
En outre, une consigne de limitation de l'effort de traction 81 est émise à î o partir des moyens de report 74, vers les moyens d'émission 44 de consignes, lorsque la somme des énergies électriques pouvant être fournies par les différentes sources n'est pas suffisante pour assurer le fonctionnement exigé par la mission.
En outre, les moyens de traitement 42 comprennent des moyens 15 d'équilibrage 82, 84, 86 de l'utilisation des sources allouées au domaine fréquentiel 62, 64, 66 respectivement. Les moyens d'équilibrage équilibrent la tâche demandée, c'est-à-dire la consigne d'énergie électrique devant être fournie par les sources allouées au domaine fréquentiel concerné, entre chacune des sources allouées audit domaine.
20 Plus particulièrement, pour des moyens de stockage de même type, les moyens d'équilibrage assurent l'équilibrage des niveaux de charge.
A titre d'exemple, le bloc de batteries 16 est alloué au premier domaine de fréquences 62. Les moyens d'équilibrage 82 cherchent alors à équilibrer les niveaux de charge des batteries du bloc de batteries 16. On évite ainsi qu'une 25 des batteries soit complètement déchargée alors qu'une autre serait entièrement chargée.
De la même manière, le bloc de supercondensateurs 18 est alloué au deuxième domaine de fréquences 64. Les moyens d'équilibrage 84 cherchent alors à équilibrer les niveaux de charge des supercondensateurs du bloc de 30 supercondensateurs 18. On évite ainsi qu'un des supercondensateurs soit complètement déchargé alors qu'un autre serait entièrement chargé. Suite à la mise en œuvre de l'équilibrage de l'utilisation des sources par les moyens de d'équilibrage 82, 84, 86, de nouvelles consignes d'énergie électrique 88, 90, 92 devant être fournies par les moyens de stockage alloués respectivement au premier, deuxième et troisième domaines de fréquences sont 5 émises depuis les moyens de d'équilibrage 82, 84, 86 vers les moyens d'émission 44 de consignes.
Le diagramme de la figure 4 illustre un exemple de gestion de l'énergie de l'engin 2 par les moyens de traitement 42 lorsque l'engin 2 effectue une desserte locale entre deux stations. Ce diagramme montre l'évolution des puissances î o fournies par les sources 12, 16, 18 et de la puissance absorbée par les moteurs de traction 6.
Le diagramme de la figure 4 comprend 6 courbes 100, 102, 104, 106, 108,
1 10.
La courbe 100 représente la puissance absorbée par les moteurs de 15 traction 6 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s). Cette puissance est de signe négatif étant donné qu'elle est absorbée.
La courbe 102 représente la puissance fournie par le groupe électrogène 12 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s).
La courbe 104 représente la puissance fournie par le bloc de batteries 16 20 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s).
La courbe 106 représente la puissance fournie par le bloc de supercondensateurs 18 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s).
Par ailleurs, la courbe 108 représente la vitesse de l'engin en km/h en 25 fonction du temps et la courbe 1 10 représente la consommation de carburant par l'engin en litres par heure en fonction du temps.
Le diagramme de la figure 5 est un extrait du diagramme de la figure 4 pour la période de temps comprise entre 0 et 180 secondes environ.
Dans un premier temps, compris entre 0 et 50 secondes environ, l'engin est 30 à l'arrêt. En effet, la vitesse 108 de l'engin 2 et la puissance 100 absorbée par les moteurs de traction 6 sont nulles. Pendant ce temps, le bloc de batteries 16 (puissance négative sur la courbe 104) est rechargé par le bloc de supercondensateurs 18 (puissance positive sur la courbe 106). Le groupe électrogène 12 est à l'arrêt pendant ce temps (puissance nulle sur la courbe 102).
Ensuite, dans un deuxième temps compris entre 50 et 75 secondes environ, l'engin 2 démarre. La vitesse 108 est quasi nulle et la puissance 100 absorbée 5 par les moteurs de traction 6 augmente lentement. Ce fonctionnement relève du premier domaine fréquentiel 62. Ainsi, conformément à la stratégie adoptée par les moyens de discrimination fréquentielle 60, c'est le bloc de batteries 16 qui est sollicité (puissance positive sur la courbe 104 alors que la puissance est nulle sur les courbes 102 et 106).
î o Puis, dans un troisième temps compris entre 75 et 100 secondes environ, la demande de traction devient plus importante. La vitesse 108 augmente et la puissance 100 absorbée par les moteurs de traction 6 augmente plus rapidement. Le bloc de batteries 16 n'arrive plus à fournir l'énergie nécessaire à la mission de l'engin 2. Les moyens de report 74 commandent alors au bloc de
15 supercondensateurs 18 de compléter la fourniture d'énergie bien que le fonctionnement est toujours dans le premier domaine fréquentiel 62. La puissance fournie par le bloc de batteries 16 est au maximum. On observe en effet un palier au niveau de la courbe 104. La puissance fournie par le bloc de supercondensateurs 18 augmente.
20 Ensuite, dans un quatrième temps compris entre 100 et 150 secondes environ, la puissance absorbée par la traction (courbe 100) est constante alors que la vitesse de l'engin (courbe 108) augmente. Le bloc de batteries 16 et le bloc de supercondensateurs 18 fournissent la puissance nécessaire à la mission. On observe en effet deux paliers au niveau des courbes 104 et 106.
25 Au temps 150 secondes environ, l'autonomie des moyens de stockage calculée par les moyens de calcul d'autonomie 48 devient inférieure au seuil de 30 secondes. Plus particulièrement, ainsi que cela est pointé par les flèches 120, l'autonomie du bloc de supercondensateurs 18 devient insuffisante pour assurer le besoin de la mission de traction de l'engin 2. Les moyens de commande 50
30 commandent alors la mise en marche du groupe électrogène 12. La puissance fournie par le groupe électrogène 12 (courbe 102) augmente progressivement. Le groupe électrogène 12 prend d'abord la relève du bloc de supercondensateurs 18 puis du bloc de batteries 16.
Pendant le période de temps de 400 à 700 secondes environ, le groupe électrogène assure pleinement la mission de traction de l'engin, les blocs de 5 batteries 16 et de supercondensateurs 18 ne fournissant aucune puissance.
Au temps 700 secondes environ, la traction est coupée afin de réduire la vitesse de l'engin 2 pour stationner. Ainsi que cela est pointé par les flèches 130, l'énergie disponible du groupe électrogène 12 permet une recharge des blocs de batteries 16 et de supercondensateurs 18 alors que l'engin 2 est toujours en î o mouvement (courbe 108). La recharge des supercondensateurs est beaucoup plus rapide que celle des batteries.
Bien entendu, d'autres modes de réalisation peuvent encore être envisagés.
Il est ainsi possible de prévoir dans le système de gestion d'énergie de l'invention des moyens d' « éco-conduite ». Par la connaissance de la topologie 15 de la ligne, du temps de parcours, des arrêts en gare à effectuer, de la composition de l'engin, du trafic prévu et en temps réel, de tels moyens ont pour fonction d'anticiper les actions du système de gestion d'énergie afin d'obtenir une conduite encore plus économique. Par exemple, à l'approche d'une descente, de tels moyens d' « éco-conduite » peuvent commander la recharge des moyens de 20 stockage non pas par le groupe électrogène mais par un freinage récupératif.
Le procédé de gestion de l'énergie décrit dans la présente demande comprend les étapes de :
- définition d'au moins deux domaines fréquentiels (62,64,66) de fonctionnement de l'engin (2);
25 - allocation d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini ; et
- dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin (2) pour utiliser en priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin (2) dans ce domaine.
30 Lesdites sources comprenant des moyens de stockage d'énergie (14), ledit procédé comprend les étapes de: - collecte d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les moyens de stockage (14) et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs (6,20);
5 - calcul d'une autonomie des moyens de stockage (14), ladite autonomie étant égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage (14) et la puissance électrique maximale collectée ; et
- optimisation de l'utilisation des sources (12,14) pour la fourniture de l'énergie électrique en fonction de l'autonomie calculée.
î o En outre, ledit procédé comprend, pour chaque source, les étapes de :
- définition d'une consigne d'énergie électrique devant être fournie par ladite source;
- acquisition d'informations relatives à au moins une caractéristique fonctionnelle de ladite source ;
15 - détermination d'une quantité d'énergie électrique devant être fournie par ladite source en fonction de la caractéristique fonctionnelle de ladite source ; et
- si la consigne est supérieure à la quantité d'énergie déterminée,
- sélection d'une autre source ; et
- commande à l'autre source de fournir la différence d'énergie entre 20 la consigne et la quantité d'énergie déterminée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire (2) comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées (12,14) et de consommateurs d'énergie électrique (6,20), lesdites sources comprenant des moyens de stockage
5 d'énergie (14) , ledit procédé comprenant les étapes de:
- collecte d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les moyens de stockage (14) et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs (6,20);
- calcul d'une autonomie des moyens de stockage (14), ladite autonomie étant î o égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage (14) et la puissance électrique maximale collectée ; et
- optimisation de l'utilisation des sources (12,14) pour la fourniture de l'énergie électrique en fonction de l'autonomie calculée, cette étape d'optimisation comprenant les étapes de :
15 - définition d'au moins deux domaines fréquentiels (62, 64, 66) de fonctionnement de l'engin (2);
- allocation d'au moins un moyen de stockage parmi les moyens de stockage (14) à chaque domaine fréquentiel défini ; et
- dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin (2) pour utiliser en 20 priorité le moyen de stockage alloué audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin (2) dans ce domaine.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel les sources (12,14) comprennent, outre les moyens de stockage (14) d'énergie, une source d'énergie
25 principale comprenant un groupe électrogène (12) et/ou une pile à combustible.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape d'optimisation comprend une étape de commande de mise en marche de la source d'énergie principale (12) si l'autonomie est inférieure à un seuil déterminé.
30
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le seuil est compris entre 20 et 40 secondes, de préférence égal à 30 secondes.
5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'étape de commande de 35 mise en marche comprend une étape de transmission d'une consigne d'énergie
(52) électrique vers la source d'énergie principale (12).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les domaines fréquentiels définis comprennent :
- un premier domaine (62) de fréquences inférieures à une dizaine de mHz ; et
- un deuxième domaine (64) de fréquences supérieures à une vingtaine de mHz.
5
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel le moyen de stockage alloué au premier domaine de fréquences est un bloc de batteries (16).
8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le moyen de stockage î o alloué au deuxième domaine de fréquences est un bloc de supercondensateurs
(18).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de collecte d'informations relatives à la puissance électrique maximale
15 susceptible d'être absorbée par les consommateurs (6,20) comprend une étape de prédiction de cette puissance maximale à partir de valeurs enregistrées de la puissance électrique absorbée par les consommateurs lors de fonctionnements précédents de l'engin (2).
20 10. Système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire (2) comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées (12,14) et de consommateurs (6,20) d'énergie électrique, les dites sources comprenant des moyens de stockage (14) d'énergie, ledit système comprenant des moyens de :
- collecte (46) d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique 25 disponibles pouvant être fournies par les moyens de stockage (14) et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs (6,20) ;
- calcul d'une autonomie des moyens de stockage (14), ladite autonomie étant égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de
30 stockage (14) et la puissance électrique maximale collectée ; et
- optimisation de l'utilisation des sources (12,14) pour la fourniture de l'énergie électrique en fonction de l'autonomie calculée, lesdits moyens d'optimisation comprenant une :
- définition d'au moins deux domaines fréquentiels (62, 64, 66) de 35 fonctionnement de l'engin (2);
- allocation d'au moins un moyen de stockage parmi les moyens de stockage (14) à chaque domaine fréquentiel défini ; et - dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin (2) pour utiliser en priorité le moyen de stockage alloué audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin (2) dans ce domaine.
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