FR3049130A1 - Systeme de conversion d'energie electrique, appareil de stockage d'energie electrique et chaine de traction pour un vehicule ferroviaire - Google Patents

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Abstract

Ce système de conversion d'énergie électrique (40) est destiné à être connecté à une charge (38), et comprend des bornes de connexion (46), aptes à être connectées à la charge (38), un convertisseur d'énergie électrique (50), et un filtre (52) comportant au moins un condensateur (54). Ce système de conversion d'énergie électrique (40) comprend en outre un module de commutation (56) configuré pour commuter entre une première configuration dans laquelle le filtre (52) est connecté entre le convertisseur (50) et les bornes de connexion (46) et une deuxième configuration dans laquelle le convertisseur (50) est connecté directement aux bornes de connexion (46), le filtre (52) étant court-circuité.

Description

Système de conversion d’énergie électrique, appareil de stockage d’énergie électrique et chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire
La présente invention concerne un système de conversion d’énergie électrique destiné à être connecté à une charge.
Le système de conversion comprend des bornes de connexion aptes à être connectées à la charge, un convertisseur d’énergie électrique, et un filtre comportant au moins un condensateur. L’invention concerne également un appareil de stockage d’énergie électrique, destiné à être embarqué à bord d’un véhicule ferroviaire, l’appareil comprenant une batterie électrique et un tel système de conversion d’énergie électrique connecté à la batterie. L’invention concerne également une chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire, la chaîne de traction comprenant un moteur électrique et un tel appareil de stockage d’énergie électrique. L’invention concerne le domaine de l’alimentation électrique d’un véhicule de transport, tel qu’un véhicule ferroviaire, en particulier une motrice ferroviaire avec une chaîne de traction. L’alimentation électrique s’effectue à partir d’une liaison électrique, telle qu’une caténaire, et la chaîne de traction comporte en outre un appareil de stockage d’énergie électrique à titre de source complémentaire d’énergie lorsque la chaîne de traction n’est plus alimentée par la liaison électrique.
Le document US 2013/0271084 A1 décrit un système de conversion d’énergie électrique du type précité. Le système de conversion d’énergie comprend un convertisseur d’une tension continue en une autre tension continue pour la charge et la décharge d’une unité de stockage d’énergie, telle qu’une batterie électrique. Le convertisseur est un convertisseur abaisseur de tension. Le système de conversion comprend en outre un condensateur de filtrage connecté en amont du convertisseur et une bobine de filtrage connecté en aval du convertisseur, entre le convertisseur et l’unité de stockage d’énergie. La bobine de filtrage sert à filtrer les oscillations de la tension fournie à l’unité de stockage d’énergie par le convertisseur fonctionnant en hacheur élévateur.
Toutefois, la bobine de filtrage présente généralement un encombrement important, afin d’offrir un filtrage adéquat pour assurer la charge de l’unité de stockage d’énergie avec la qualité de courant requise, ce qui augmente le volume et le coût d’un tel système de conversion d’énergie.
Le but de l’invention est alors de proposer un système de conversion d’énergie électrique présentant un encombrement réduit, tout en offrant un filtrage adéquat pour assurer la charge de l’unité de stockage d’énergie avec la qualité de courant requise. A cet effet, l’invention a pour objet un système de conversion d’énergie électrique destiné à être connecté à une charge, le système de conversion comprenant : - des bornes de connexion, aptes à être connectées à la charge, - un convertisseur d’énergie électrique, et - un filtre comportant au moins un condensateur, et - un module de commutation configuré pour commuter entre une première configuration dans laquelle le filtre est connecté entre le convertisseur et les bornes de connexion et une deuxième configuration dans laquelle le convertisseur est connecté aux bornes de connexion, le filtre étant court-circuité.
Le système de conversion selon l’invention permet, dans la première configuration, de réduire les oscillations dans la tension délivrée à la charge de par la connexion du filtre entre le convertisseur et des bornes de connexion, et dans la deuxième configuration, de réchauffer la charge ou de débiter sur la charge, en supprimant le filtrage , le convertisseur étant connecté aux bornes de connexion et le filtre étant court-circuité, la suppression du filtrage permettant par exemple d’augmenter les ondulations dues au convertisseur. Autrement dit, dans la deuxième configuration, le convertisseur est connecté directement aux bornes de connexion, et le filtre n’est pas utilisé, le filtre étant dans la deuxième configuration isolé du convertisseur et des bornes de connexion.
Suivant d’autres aspects avantageux, l’invention comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : - le module de commutation comporte un premier interrupteur connecté en série du filtre, et un deuxième interrupteur connecté en parallèle du filtre et du premier interrupteur connectés en série, le premier interrupteur étant fermé dans la première configuration et ouvert dans la deuxième configuration, et le deuxième interrupteur étant ouvert dans la première configuration et fermé dans la deuxième configuration ; - le filtre comporte en outre une bobine électromagnétique ; - le filtre comporte en outre une résistance électrique ; - la charge est une batterie électrique, et + le module de commutation est dans la première configuration lors d’une charge de la batterie, pour réduire des ondulations, dues au convertisseur, dans une tension délivrée à la batterie, et + le module de commutation est dans la deuxième configuration lors d’une décharge de la batterie ou lors d’un réchauffage de la batterie ; - le convertisseur est un hacheur ; - le convertisseur est un hacheur abaisseur dans la première configuration et un hacheur élévateur dans la seconde configuration ; - le système de conversion d’énergie électrique comprend en outre une diode de protection connectée entre le convertisseur et les bornes de connexion, la diode de protection étant configurée pour protéger le convertisseur contre une inversion de tension de la charge. L’invention a également pour objet un appareil de stockage d’énergie électrique, destiné à être embarqué à bord d’un véhicule ferroviaire, l’appareil comprenant une batterie électrique et un système de conversion d’énergie électrique connecté à la batterie, le système de conversion d’énergie électrique étant tel que défini ci-dessus. L’invention a également pour objet une chaîne de traction pour un véhicule ferroviaire, la chaîne de traction comprenant un moteur électrique et un appareil de stockage d’énergie électrique, l’appareil de stockage d’énergie électrique étant tel que défini ci-dessus.
Ces caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une représentation schématique d’un véhicule ferroviaire comprenant une chaîne de traction, la chaîne de traction comportant un moteur électrique et un appareil de stockage d’énergie électrique, et - la figure 2 est une représentation schématique de l’appareil de stockage d’énergie électrique de la figure 1.
Sur la figure 1, un véhicule ferroviaire 10 comprend une chaîne de traction 12, la chaîne de traction comportant un pantographe 14 apte à être connecté à une caténaire, non représentée.
La chaîne de traction 12 comprend un commutateur électrique 16 connecté au pantographe 14 et un disjoncteur électrique 18 connecté au commutateur électrique 16. La chaîne de traction 12 comprend, en complément facultatif, un équipement auxiliaire 20 connecté entre le commutateur électrique 16 et le disjoncteur électrique 18, en dérivation par rapport au disjoncteur électrique 18.
La chaîne de traction 12 comprend en outre un ensemble de traction 22 comportant un moteur électrique 24 et un appareil de stockage d’énergie électrique 26, l’appareil de stockage d’énergie électrique 26 étant également appelé coffre d’autonomie.
Le commutateur électrique 16, le disjoncteur électrique 18 et l’équipement auxiliaire 20 sont connus en soi, et ne sont pas décrits plus en détail. L’équipement auxiliaire 20 est par exemple un convertisseur statique. L’ensemble de traction 22 est connecté au disjoncteur électrique 18, et l’appareil de stockage d’énergie électrique 26 est connecté à l’ensemble de traction 22. L’ensemble de traction 22 comporte le moteur électrique 24, un onduleur 28 destiné à délivrer une tension alternative au moteur 24 à partir de la tension continue issue d’un bus continu 30 relié au disjoncteur électrique 18.
En complément, l’ensemble de traction 22 comporte un dispositif de filtrage 32, comportant notamment un condensateur de filtrage 34.
Le moteur électrique 24 est un moteur alternatif, par exemple un moteur triphasé. L’appareil de stockage d’énergie électrique 26 est destiné à être embarqué à bord du véhicule ferroviaire 10, et comprend une batterie électrique 38 et un système de conversion d’énergie électrique 40 connecté à la batterie 38.
La batterie électrique 38 est par exemple constituée d’un empilement d’éléments unitaires de stockage d’énergie électrique 42, comme représenté sur la figure 2.
Le système de conversion d’énergie électrique 40 est destiné à être connecté, d’une part, à une charge, telle que la batterie électrique 38, et d’autre part à une source d’énergie électrique, telle que le bus continu 30, par l’intermédiaire d’une liaison électrique 44.
Le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend des premières bornes de connexion 46, aptes à être connectés à la charge, telle que la batterie électrique 38, des deuxièmes bornes de connexion 48 aptes à être connectées à la source, telle que le bus continu 30, un convertisseur d’énergie électrique 50 et un filtre 52 comportant un premier condensateur 54, comme représenté sur la figure 2.
Le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend en outre un module de commutation 56 configuré pour commuter entre une première configuration dans laquelle le filtre 52 est connecté entre le convertisseur 50 et les premières bornes de connexion 46, et une deuxième configuration dans laquelle le convertisseur 50 est connecté aux premières bornes de connexion 46, le filtre 52 étant alors court-circuité.
En complément facultatif, le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend un dispositif de filtrage 58 disposé entre le convertisseur 50 et les deuxièmes bornes de connexion 48. Le dispositif de filtrage 58 est par exemple un filtre LC, comportant une première bobine électromagnétique 60 et un deuxième condensateur 62 connecté aux bornes du convertisseur 50 du côté de la source.
En complément facultatif, le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend en outre une diode de protection 64 connectée entre le convertisseur 50 et les premières bornes de connexion 46, la diode de protection 64 étant configurée pour protéger le convertisseur 50 contre une inversion de tension de la charge.
Le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend un capteur de tension 66 configuré pour mesurer une valeur de la tension issue du convertisseur 50 en direction des premières bornes de connexion 46. Le capteur de tension 66 est par exemple connecté en parallèle de la diode de protection 64.
Le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend en outre un capteur de courant 68 configuré pour mesurer une valeur de l’intensité du courant délivré vers les premières bornes de connexion 46 lorsque le module de commutation 56 est dans la première configuration et que le filtre 52 est alors connecté entre le convertisseur 50 et les premières bornes de connexion 46.
En complément facultatif, le système de conversion d’énergie électrique 40 comprend un voyant de présence tension 70 configuré pour signaler la présence d’une tension entre les premières bornes de connexion 46 lorsque le module de commutation 56 est dans la première configuration. Ce voyant de présence tension 70 permet notamment de vérifier lors d’une opération de maintenance l’absence d’une tension résiduelle dans le premier condensateur 54.
Le convertisseur 50 est par exemple un hacheur configuré pour convertir une tension continue en une autre tension continue.
Dans l’exemple de la figure 2, le convertisseur 50 est configuré pour fonctionner en convertisseur abaisseur de tension lorsque le courant circule depuis les deuxièmes bornes de connexion 48 en direction des premières bornes de connexion 46. Inversement, le convertisseur 50 est configuré pour fonctionner en élévateur de tension lorsque le courant circule depuis les premières bornes de connexion 46 en direction des deuxièmes bornes de connexion 48. Autrement dit, lorsque la charge est la batterie 38, le convertisseur 50 est configuré pour fonctionner en abaisseur de tension pendant le chargement de la batterie 38, et pour fonctionner en élévateur de tension pendant la décharge de la batterie 38.
Le convertisseur 50 est connu en soi. Le convertisseur 50 comporte, par exemple, une deuxième bobine électromagnétique 72 connectée à la diode de protection 64, et au moins un bras de commutation 74, chaque bras de commutation comportant un demi-bras supérieur 76 et un demi-bras inférieur 78. Le demi-bras supérieur 76 est connecté entre l’une des deuxièmes bornes de connexion 48 correspondant au potentiel positif de la tension continue et un point milieu 80, et le demi-bras inférieur 78 est connecté entre l’autre des deuxièmes bornes de connexion 48 et le point milieu 80. La deuxième bobine électromagnétique 72 est connectée entre le point milieu 80 et la diode de protection 64.
Dans l’exemple de la figure 2, le convertisseur 50 comporte deux bras de commutation 74 connectés en parallèle afin d’assurer la conversion d’un courant de puissance plus élevé. Comme connu en soi, chaque demi-bras 76, 78 comporte au moins un interrupteur bidirectionnel 82, formé par exemple d’un transistor 84 et d’une diode de roue libre 86 connectée en antiparallèle du transistor 84.
Le filtre 52 comporte au moins un condensateur, tel que le premier condensateur 54. Le filtre 52 comporte en outre au moins une bobine électromagnétique, telle qu’une troisième bobine électromagnétique 88. Le filtre 52 comporte en outre au moins une résistance électrique 90. Cette résistance électrique 90 permet de décharger le premier condensateur 54 dans la deuxième configuration, notamment afin de pouvoir sécuriser des opérations de maintenance.
Dans l’exemple de la figure 2, le premier condensateur 54 est connecté entre les premières bornes de connexion 46, c’est-à-dire en parallèle de la charge, telle que la batterie électrique 38, lorsqu’elle est connectée aux premières bornes de connexion 46. La troisième bobine électromagnétique 88 est connectée entre le point milieu 80 et la première borne de connexion 46 correspondant au point milieu 80. La résistance 90 est par exemple connectée en parallèle du premier condensateur 54.
Le module de commutation 56 comporte, dans l’exemple de la figure 2, un premier interrupteur 92 connecté en série du filtre 52, et un deuxième interrupteur 94 connecté en parallèle du filtre 52 et du premier interrupteur 92 connectés en série, le premier interrupteur 92 étant fermé dans la première configuration et ouvert dans la deuxième configuration, et le deuxième interrupteur 94 étant ouvert dans la première configuration et fermé dans la deuxième configuration.
En complément facultatif, le module de commutation 56 comporte un troisième interrupteur 96 connecté en série du filtre 52 et du premier interrupteur 92, le troisième interrupteur 96 étant fermé dans la première configuration et ouvert dans la deuxième configuration. En complément facultatif, le module de commutation 56 comporte en outre une diode 98 connectée en série du filtre 52, entre le premier interrupteur 92 et le troisième interrupteur 96.
Lorsque la charge est la batterie électrique 38, lors d’une charge, ou chargement, de la batterie 38, le module de commutation 56 est commuté dans la première configuration pour réduire des ondulations, dues au convertisseur 50, dans la tension délivrée à la batterie 38.
Lors d’un réchauffage de la batterie 38, le module de commutation 56 est commuté dans la deuxième configuration pour augmenter les ondulations dues au convertisseur 50.
Lors d’une décharge de la batterie 38, le module de commutation 56 est également dans la deuxième configuration, ce qui permet la circulation d’un courant d’intensité plus importante ne passant pas par le filtre 52, le filtre 52 étant dimensionné pour des courants d’intensité plus faible.
Ainsi, dans la première configuration, le filtre 52 est connecté entre le convertisseur 50 et les premières bornes de connexion 46, et le filtre 52 permet de réduire les oscillations dans la tension délivrée à la charge.
Dans l’exemple de la figure 2 où le module de commutation 56 comporte les premier, deuxième et troisième interrupteurs 92, 94, 96, la première configuration correspond à la fermeture des premier et troisième interrupteurs 92, 96 et à l’ouverture du deuxième interrupteur 94.
Dans la deuxième configuration, le courant circule directement entre le convertisseur 50 et les premières bornes de connexion 46 sans passer par le filtre 52, le filtre 52 n’étant alors pas utilisé dans cette deuxième configuration.
Dans l’exemple de la figure 2 où le module de commutation comporte les premier, deuxième et troisième interrupteurs 92, 94, 96, la deuxième configuration correspond à la fermeture du deuxième interrupteur 94 et à l’ouverture des premier et troisième interrupteurs 92, 96.
Le convertisseur 50 fonctionne en abaisseur pour recharger la batterie 38, par exemple en phase de freinage du véhicule de transport. Lorsque le convertisseur 50 fonctionne en abaisseur, le module de commutation 56 est commandé dans la première configuration, afin que le filtre 52 atténue les ondulations de courant présentes dans la tension issue du convertisseur 50, c’est-à-dire afin d’offrir un filtrage adéquat pour assurer la charge de la batterie 38 avec la qualité de courant requise.
Lorsque le convertisseur 50 fonctionne en élévateur de tension, c’est-à-dire lorsque le courant circule depuis les premières bornes de connexion 46 vers les deuxièmes bornes de connexion 48, le module de commutation 56 est commandé dans la deuxième configuration qui est utilisée soit pour le réchauffage de la batterie 38, soit pour la décharge de la batterie 38. Les ondulations de courant créées par le convertisseur fonctionnant en élévateur sont alors utilisables pour préchauffer la batterie 38. Lors de la décharge de la batterie 38, la deuxième configuration permet de ne pas faire circuler le courant à travers le filtre 52, et autorise alors la circulation d’un courant d’intensité plus importante, le filtre 52 étant dimensionné seulement pour des courants de faible intensité.
Les oscillations de courant créées par le convertisseur 50 lors du réchauffage de la batterie sont de préférence des oscillations autour d’une valeur moyenne proche de zéro afin de minimiser la consommation d’énergie fournie par la batterie 38. La vitesse d’augmentation de la température de la batterie 38 est proportionnelle à la valeur efficace du courant et à sa fréquence. Lors du réchauffage de la batterie 38, la puissance consommée est alors sensiblement nulle, les ondulations de courant ayant un courant de valeur moyenne sensiblement nulle, tout en ayant une valeur efficace non nulle. L’amplitude des ondulations de courant est susceptible d’être augmentée en diminuant la fréquence de commutation du convertisseur 50. A titre d’exemple, un réchauffement de l’ordre de 2,5°C/minute est obtenu avec un courant ayant une amplitude de l’ordre de 200 ampères. L’homme du métier comprendra bien entendu que ces valeurs sont des valeurs données uniquement à titre indicatif, et dépendent à la fois de la technologie de la batterie 38 et du nombre d’éléments unitaires de stockage d’énergie électrique 42 la composant.
On conçoit ainsi que le système de conversion d’énergie électrique 40 selon l’invention permet à la fois de réduire les oscillations de courant dans la tension délivrée à la charge, en particulier lorsque la charge est une unité de stockage d’énergie électrique, le filtre 52 permettant alors d’assurer un chargement de ladite unité de stockage d’énergie avec une qualité de courant satisfaisante, et également en supprimant le filtrage dans la deuxième configuration, de réchauffer la charge avec une augmentation des ondulations dues au convertisseur 50 ou d’améliorer le débit dans la charge avec la circulation d’un courant d’intensité plus importante ne passant pas par le filtre 52.
Le système de conversion d’énergie électrique 40 permet alors, de par le module de commutation 56, de pouvoir commuter entre les première et deuxième configurations offrant des modes de fonctionnement respectifs complémentaires, tout en ayant un encombrement réduit par rapport au système de conversion d’énergie électrique de l’état de la technique.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1. Système de conversion d’énergie électrique (40) destiné à être connecté à une charge (38), le système de conversion d’énergie électrique (40) comprenant : - des bornes de connexion (46), aptes à être connectées à la charge (38), - un convertisseur d’énergie électrique (50), et - un filtre (52) comportant au moins un condensateur (54), caractérisé en ce qu’il comprend en outre un module de commutation (56) configuré pour commuter entre une première configuration dans laquelle le filtre (52) est connecté entre le convertisseur (50) et les bornes de connexion (46) et une deuxième configuration dans laquelle le convertisseur (50) est connecté aux bornes de connexion (46), le filtre (52) étant court-circuité.
  2. 2. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon la revendication 1, dans lequel le module de commutation (56) comporte un premier interrupteur (92) connecté en série du filtre (52), et un deuxième interrupteur (94) connecté en parallèle du filtre (52) et du premier interrupteur (92) connectés en série, le premier interrupteur (92) étant fermé dans la première configuration et ouvert dans la deuxième configuration, et le deuxième interrupteur (94) étant ouvert dans la première configuration et fermé dans la deuxième configuration.
  3. 3. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le filtre (52) comporte en outre une bobine électromagnétique (88).
  4. 4. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le filtre (52) comporte en outre une résistance électrique (90).
  5. 5. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la charge est une batterie électrique (38), et - le module de commutation (56) est dans la première configuration lors d’une charge de la batterie (38), pour réduire des ondulations, dues au convertisseur (50), dans une tension délivrée à la batterie (38), et - le module de commutation (56) est dans la deuxième configuration lors d’une décharge de la batterie (38) ou lors d’un réchauffage de la batterie (38).
  6. 6. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le convertisseur (50) est un hacheur.
  7. 7. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon la revendication 6, dans lequel le convertisseur (50) est un hacheur abaisseur dans la première configuration et un hacheur élévateur dans la seconde configuration.
  8. 8. Système de conversion d’énergie électrique (40) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le système de conversion d’énergie électrique (40) comprend en outre une diode de protection (64) connectée entre le convertisseur (50) et les bornes de connexion (46), la diode de protection (64) étant configurée pour protéger le convertisseur (50) contre une inversion de tension de la charge (38).
  9. 9. Appareil de stockage d’énergie électrique (26), destiné à être embarqué à bord d’un véhicule ferroviaire (10), l’appareil de stockage d’énergie électrique (26) comprenant une batterie électrique (38) et un système de conversion d’énergie électrique (40) connecté à la batterie (38), caractérisé en ce que le système de conversion d’énergie électrique (40) est selon l’une quelconque des revendications précédentes.
  10. 10. Chaîne de traction (12) pour un véhicule ferroviaire (10), la chaîne de traction (12) comprenant un moteur électrique (24) et un appareil de stockage d’énergie électrique (26), caractérisé en ce que l’appareil de stockage d’énergie électrique (26) est selon la revendication précédente.
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