WO2015110669A2 - Système de transport ferroviaire autonome en énergie électrique - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a railway transport system comprising:
  • At least one train comprising railway vehicles
  • the rail transport system is in particular a large-scale metro system (UlC Standard B).
  • the train is for example composed of four cars and capable of loading more than 800 passengers for a total mass exceeding 200 tons, and to circulate at 70 km / h.
  • the energy and power requirements of a large metro are much higher than those of a light rail or light rail, usually carrying about 200 passengers and traveling at 60 km / h.
  • the power supply is achieved through catenaries or a third rail, the first two rails constituting the railway track taken by the train.
  • An object of the invention is therefore to remedy all or part of the above disadvantages, particularly by proposing a rail transportation system that is less expensive to construct and that is simple to implement.
  • the invention relates to a rail transport system comprising:
  • each rail vehicle comprising a storage device capable of storing electrical energy
  • the railway vehicles being a motor vehicle comprising an onboard traction device adapted to move the railway vehicle between any two successive stations of said plurality, the traction device consuming electrical traction energy during the movement, the storage device of the railway vehicle being adapted to provide on its own electrical traction energy to the traction device during the displacement, and
  • each station comprising a device for recharging the storage devices
  • the recharging device comprising distribution units adapted to be respectively in electrical contact with the storage devices when the train is stopped in said station, and for respectively supplying said electric energies to the storage devices.
  • the rail transport system comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • each storage device comprises at least one electric storage tank, and a supervision and protection unit adapted to:
  • the supervision and protection unit comprises an electronic control module for the electrical energy stored in the storage device, the electronic module being able to communicate, preferably by radio waves, with the distribution unit to control the supplying electrical energy to the storage device;
  • the train includes an on-board energy management device, and an on-board computer network adapted to connect the energy management device to each of the storage devices, the energy management device being adapted to receive each storage device information representative of the electrical energy stored in each storage device;
  • the train includes an autopilot system capable of driving the train, the onboard energy management device being connected by the computer network to the autopilot system and being adapted:
  • the recharging device comprises a transformer, a rectifier station, and a single buffer electricity tank connected in shunt of each of the distribution units, the electricity tank having an electricity storage capacity greater than or equal to the sum of the storage capacities of the storage devices of the train, and not more than twice the sum of the storage capacities of the storage devices of the trainset;
  • each of the distribution units comprises at least one buffer electricity tank, and preferably only one electricity tank;
  • each distribution unit comprises a terminal adapted to be respectively electrically connected to one of the storage devices, the terminal being movable in translation in a vertical direction relative to the stationary railway vehicle, and mobile in rotation with respect to the vehicle railway stationary around an axis substantially parallel to a longitudinal direction of the railway vehicle, or
  • each storage device comprises a connection member adapted to be respectively electrically connected to one of the distribution units, the connecting member being movable in translation relative to the railway vehicle stationary in the vertical direction, and mobile in rotation relative to the rail vehicle stationary about an axis substantially parallel to the longitudinal direction.
  • the invention also relates to a rail transport method comprising the following steps:
  • each station comprising a device for recharging the storage devices, each charging device comprising energy distribution units,
  • the railway vehicle being a motor vehicle
  • FIG. 1 is a schematic view of a rail transport system according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic view of the electricity storage tank and the supervision and protection unit belonging to one of the storage devices represented in FIG. 1;
  • FIG. 3 is a schematic view of a connection mechanism between one of the railway vehicles and one of the charging devices shown in FIG. 1, and
  • FIG. 4 is a schematic view of a charging device representing a variant of the charging device represented in FIG.
  • the railway transport system comprises a train 5 comprising railway vehicles 7A, 7B, 7C, 7D or "cars", and a plurality of stations 10, only one of which is shown in FIG.
  • the train 5 is adapted to stop successively in the stations 10, for example to allow passengers (not shown) to go up or down railway vehicles 7A to 7D.
  • the train 5 is for example a large size automatic metro (UIC Standard
  • the train 5 is for example composed of four cars and adapted to embark more than 800 passengers for a total mass greater than 200 tons, and to circulate to
  • the train 5 comprises four railway vehicles 7A to 7D successively coupled.
  • the train 5 comprises another number of railway vehicles, for example eight.
  • the trains are indeed modular by aggregation of cars and configured in capacity (passenger and energy) and power, depending on the needs of the rail transport system.
  • the train 5 further comprises an onboard energy management device 12, an on-board control device 14 capable of driving the train, and a computer network 16 interconnecting the energy management device and the autopilot system.
  • the train 5 also includes auxiliary devices 18 consumers non-tensile electric power and which may be one or more of the following components of compressed air generation apparatus, air-conditioning generating apparatus, door opening mechanisms, and battery chargers; help.
  • the elements 12, 14, 16, 18 are not precisely located in FIG. This means that these elements could be located at other places in the train 5.
  • the train 5 has a redundant architecture.
  • the train 5 is formed by the aggregation of autonomous rail vehicles energy between two stations.
  • Each railway vehicle 7A to 7D includes a storage device 20 for storing electrical energy.
  • the first two rail vehicles 7A, 7B on the left of Figure 1 and the rightmost rail vehicle 7D in Figure 1 are advantageously motor vehicles.
  • the second rail vehicle 7C from the right of Figure 1 is advantageously a towed vehicle.
  • the train 5 comprises a different number of motor vehicles and "trailer” vehicles, and / or the order of the railway vehicles 7A to 7D in the train is different.
  • the railway motor vehicles 7A, 7B, 7D comprise an on-board traction device 22 adapted to move the railway vehicle between any two successive stations.
  • Each motor rail vehicle 7A, 7B, 7D is advantageously devoid of energy conversion member for the traction device.
  • the motor rail vehicles 7A, 7B, 7D are advantageously similar to each other.
  • the 7C trailer railway vehicle has no on-board traction system.
  • the trailer rail vehicle 7C comprises a static converter 24 electrically connected to its storage device 20 and advantageously to all the auxiliary devices of the train.
  • Trailer railway vehicles, in the variants where they are several, are advantageously similar to each other.
  • the traction device 22 comprises a traction inverter 26 electrically connected to the storage device 20, and for example two electric traction motors 28 electrically connected to the traction inverter.
  • the traction device 22 is advantageously adapted to transmit a braking current to the storage device 20 in order to recover the electrical energy generated by the traction device 22 during braking of the railway vehicle.
  • the storage devices 20 of the railway motor vehicles 7A, 7B, 7D are advantageously similar to each other, so only one of them will be described below.
  • the storage device 20 comprises an electric storage tank 30 (FIGS. 1 and 2), a supervision and protection unit 32, and a connection member 34 (FIGS. 1 and 3) electrically connected to the tank 30 and adapted to establish an electrical connection with a charging device 40 of the station 10 which will be described later.
  • Each storage device 20 of the vehicles 7A, 7B and 7D is adapted to electrically power alone the corresponding traction device 22 during the complete movement of one of the stations 10 to another of the stations 10 equipped with the recharging device 40. Indeed, it is possible that some stations of a line are not equipped with such a charging device.
  • the storage device 20 of the railway trailer vehicle 7C is adapted to electrically power alone all the auxiliary devices 18 during the complete movement of one of the stations 10 to another.
  • the storage device 20 of the railway trailer vehicle 7C has a storage capacity of the same order as that of the railway motor vehicles. This capacity is adapted in particular according to the distances between the stations and the air conditioning needs of the train 5.
  • the storage capacity of the tank 30 in each railway vehicle 7A to 7D depends on the performance and the operating needs. This capacity is greater than the strict energy requirement to move the train 5 between two stations 10 equipped, in order to cope with certain situations such as a forced stop online (off-station).
  • the storage capacity is typically between 10 and 20 kWh, while the power delivered by the tank exceeds the MW.
  • the reservoir 30 comprises branches 42 mounted in parallel with each other and advantageously similar. There are, for example, eight branches 42 in each tank 30 of the railway motor vehicles 7A, 7B; 7D. Only two branches 42 have been shown in Figure 2 for simplicity.
  • the branches 42 comprise modules 44 connected in series.
  • the modules 44 comprise a plurality of supercapacitor cells 46.
  • Each module 44 locally integrates a supercapacitor cell monitoring device 46, which individually measures the state of charge and health of the each cell, and charge balancing between cells, responsible for equalizing the charge level of the multiple cells that make up the module 44.
  • a supercapacitor is a particular technique capacitor having an energy density adapted to provide intermediate power between batteries and conventional electrolytic capacitors. These components therefore make it possible to store an amount of intermediate energy between these two storage modes, and to restore it faster, more efficiently and with greater efficiency than a battery.
  • the supervision and protection unit 32 is adapted to isolate the tank 30 electrically in case of electrical overload or failure, and to provide information on parameters representative of a state of the tank, for example representative of a level of load, an instantaneous level of current, losses, and aging of the tank components.
  • the supervision and protection unit 32 comprises, for example, for each branch 42, one or more of the following elements:
  • circuit breaker 50 for protecting the supercapacitors of the branch
  • a disconnector 60 making it possible to manually isolate the reservoir 30 during maintenance operations of the storage device 20, and
  • an electronic control module 62 for monitoring and management of the ultracapacitor modules 44, as well as the control of the electromechanical components of the supervision and protection unit 32.
  • the supervision and protection unit 32 is adapted so that the average current exchanged with the traction inverter 26 at each phase (traction, braking, recharging) is shared between all the branches 42 of the tank 30. This sharing reduces the current circulating at the cells so as to limit the size of the modules 44 and the complexity of a cooling device (not shown) of the tank.
  • the electronic module 62 is adapted to report the state of the reservoir 30 to the energy management device 12 of the train 5.
  • the energy management device 12 is called “intelligent”. It is configured so that the train 5 has the electrical energy necessary to reach the next station 10. For this purpose, the energy management device 12 is configured to determine, preferably in real time, the appropriate acceleration and speed profile for the train 5 from one or more of the following information:
  • the energy management device 12 is adapted to know the typology of the line and the mission of the train 5.
  • the computer network 16 connects the energy management device 12 in particular to the supervision and protection units 32 of each storage device 20.
  • the on-board energy management device 12 Due to its connection with the supervision and protection units 32, the on-board energy management device 12 is informed at all times of the available energy reserves for the race of the train 5 and the state of the devices of the train. storage 20.
  • the energy management device 12 is adapted to monitor the evolution of the charge level and the electrical performance of each storage device 20.
  • the energy management device 12 Due to its connection with the autopilot system 14, the energy management device 12 is informed of the current position, speed and mission of the train 5.
  • the mission includes for example one or more of the following information: next station to be served, availability of the corresponding route, speed profile provided for the train 5, load of the train in passengers.
  • the energy management device 12 is adapted to estimate in real time the energy needs and to calculate the evolution of the reserves. In a critical case, that is to say if a risk of lack of electrical energy is detected (for example as a result of an online stop or a failure of the charging device of the next equipped station), the energy management device 12 is configured to request the autopilot system 14 to change the course of the train 5 to ensure that the train arrives and stops at the next station 10.
  • Diagnosis of the state of health of the storage devices 20 is based on the analysis of physical parameters of the components of the tanks of the storage devices.
  • the autopilot system 14 is adapted to allow the precise stopping of the train 5 vis-à-vis the recharging device 40 of the station 10 concerned.
  • Each station 10 comprises a recharging device 40 similar to the charging device shown in FIG.
  • the stations 10 are part of a network (not shown) of stations, one or more of which do not have a charging device similar to the charging device shown in FIG.
  • some stations in the network are equipped with a charging device, such as stations 10, and other stations are not.
  • the recharging device 40 (FIG. 1) comprises a connection 70 to an electrical energy source 72, a transformer 74, a rectification station 76, a single buffer energy reservoir 78, and distribution units 80 adapted to be respectively in electrical contact with the storage devices 20 when the train 5 is stopped in said station 10.
  • the source of electrical energy 72 is advantageously the public electricity network of medium voltage of a city.
  • medium voltage is meant, for example, an alternating voltage of between 1 and 50 kV.
  • the straightening station 76 is of conventional design.
  • the tank 78 has a high power capacity.
  • the power level to be transmitted to each rail vehicle exceeds 1 MW.
  • the reservoir 78 is sized to provide the electrical energy required for rapid charging of two trains similar to the train 5 shown in FIG. 1, i. e. one in the direction of circulation, and to reconstitute its own energy reserve during a time interval between two trains stopping one after the other in the station concerned.
  • the time interval between two trains traveling in the same direction is typically greater than 60 seconds.
  • the buffer tank 78 uses, for example, one or the other of the following technologies known in themselves: flywheels, supercapacitor modules, or superconducting magnetic storage.
  • the reservoir 78 is for example constituted by a branch association of several storage units by supercapacitors or several flywheels.
  • the distribution units 80 comprise 82 DC / DC power converters (impedance matching device).
  • the distribution units 80 are powered only when the train 5 is in the charging position.
  • the autopilot system 14 of the train 5 is adapted to control the feed of the units of distribution 80 in electricity, advantageously so that the electrical energy is provided while the doors are open and is cut after the closing of the doors.
  • the distribution units 80 are respectively adapted to limit the load currents arriving in the tanks 30 of the storage devices 20 and to control the load of the tanks individually.
  • Each distribution unit 80 is adapted to communicate, preferably by radio waves, with the electronic energy control module 62 of the corresponding storage device 20.
  • Each distribution unit 80 comprises, for example, a support 84 and a tip 86 mounted on the support (FIG. 3).
  • the tip 86 is for example in the form of an inverted "V", and advantageously located vertically at the level of the railway.
  • connection member of the storage devices 20 comprises a mobile part 88, forming for example an arm.
  • the connection member 34 comprises a complementary end piece 90 of the end piece 86 of the distribution units 80.
  • the connection member 34 is adapted to be respectively electrically connected to one of the distribution units 80.
  • the arm 88 is movable in translation relative to the rail vehicle 7A to 7D stationary in a vertical direction V of the railway vehicle, and rotatable relative to the stationary rail vehicle about an axis D1 substantially parallel to a longitudinal direction L of the railway vehicle.
  • the arm 88 is movable between a rest position (left in FIG. 3) and a lowered position (on the right in FIG. 3) in which the complementary end piece 90 is in electrical contact with the end piece 86 of the unit. corresponding distribution 80.
  • the mobile part 88 is integrated in the distribution unit 80 of the station and not to the connection member 34 of the storage device 20 of the railway vehicle.
  • Each distribution unit 80 then comprises a terminal adapted to be respectively electrically connected to one of the storage devices 20, the terminal being movable in translation relative to the rail vehicle 7A to 7D at a standstill in the vertical direction V, and mobile in rotation relative to its support 84 about an axis substantially parallel to the longitudinal direction L.
  • connection member 34 of the storage device 20 and the corresponding distribution unit 80 are adapted to establish a very low impedance electrical contact at the endpiece 86 and the complementary endpiece 90.
  • the autopilot system 14 is configured to provide longitudinal alignment of the train 5 and the distribution units 80 when stopping the train in the station.
  • the autopilot system 14 is further adapted to control the deployment of each arm after stopping the train 5 station and a fold of each arm before the departure of the train.
  • Typical values adopted for the positioning tolerances of the train 5 with respect to the distribution units 80 are, for example:
  • the recharging device 40 does not comprise a single energy reservoir or a single rectifier.
  • Each distribution unit 80 includes a rectifier 76A, 76B, 76C, 76D and a buffer energy reservoir 78A, 78B, 78C, 78D mounted in series with each other.
  • the energy reservoirs 78A, 78B, 78C, 78D buffer distribution units 80 advantageously incorporate flywheels. In this case, it is possible to dispense with 82 DC / DC impedance matching converters. In this configuration, one of the buffer energy reservoirs 78A to 78D is respectively associated with one of the railway vehicles 7A to 7D.
  • the electronic control module 62 of energy control of each onboard tank 30 is then adapted to directly control the flywheel associated with the rail vehicle to control the load of the onboard tank.
  • the operation of the rail transport system 1 will now be described.
  • the train 5 arrives in the station 10.
  • the braking currents are transmitted by the inverters 26 to the storage devices 20.
  • the reservoirs 30 of the storage devices 20 specific to each railway vehicle 7A to 7D may be in an incomplete state of charge. Indeed, the storage devices 20 of the motor vehicles 7A, 7B, 7D respectively supplied the traction devices with electricity 22, and the storage device 20 of the trailer vehicle 7C supplied the auxiliary devices 18 of the train 5.
  • the automatic control system 14 controls the train 5 so that it stops in the station 10 in the position shown in Figure 1, wherein the connecting members 34 of the storage devices 20 are vis-à-vis distribution units 80 of the charging device 40, with tolerance.
  • the automatic control system 14 controls the opening of the doors of each railway vehicle 7A to 7D and any landing doors vis-à-vis.
  • the The automatic control system 14 controls the supply of electricity to the distribution units 80, the distribution units advantageously not being powered when there is no stationary train in the station 10.
  • the automatic piloting system 14 lowers the mobile part 88 of each connection member 34 of the storage devices 20.
  • the end piece 86 of each distribution unit 80 and the complementary end piece 90 of each connection member 34 then move into position. low impedance electrical contact. If necessary, the mobile part 88 pivots around the axis D1 so as to allow a certain tolerance in the relative position of the railway vehicle 7A to 7D transversely by the support 84 of the distribution unit 80.
  • the recharging of the reservoirs 30 of the storage devices 20 then begins.
  • the electronic energy control modules 62 communicate respectively with the 82 DC / DC power converters to individually limit the charging current of each storage device 20.
  • Each electronic module 62 adapts the charging strategy to the level of charge of the respective reservoir 30 considered individually.
  • the charging current is regulated in order to limit the dissipation in the cables and at the contact between the end-piece 86 and the complementary end-piece 90.
  • a regulation the charging power is implemented.
  • the electricity comes mainly from the buffer energy reservoir 78.
  • the buffer energy reservoir 78 is supplied by the power source 72 via the transformer 74 and the rectifier 76.
  • the buffer energy reservoir 78 makes it possible to provide for the occasional calls of energy necessary to charge the trains 5 at the station, while ensuring a smoothing over time of the electrical power consumed by the recharging device 40 coming from the source. of electrical energy 72.
  • the supervision and protection unit 32 can isolate the tank 30 electrically in the event of electrical overload or failure, and supplies the energy management device 12 of the train 5 with the parameters representative of the state. of the tank.
  • the automatic piloting system 14 removes the mobile part 88 of each connection member 34 from the storage devices 20.
  • the automatic piloting system 14 also activates the closing of the doors of the train 5 and, advantageously, deactivates the power supply of the distribution units 80.
  • the train 5 then leaves one of the stations 10 to go to another of the stations 10.
  • the train 5 is then autonomous in electrical energy.
  • the buffer tank 78 of the recharging device 40 then begins to reconstitute its own energy reserve before another train 5 stops in the station 10.
  • Each traction device 22 consumes electrical traction energy during the movement of the station 10 to the other station.
  • Each storage device 20 of railway vehicles 7A, 7B, 7D engines alone provides the traction energy to the corresponding traction device 22 during displacement.
  • the energy management device 12 adapts the mission of the train 5 with a goal of energy optimization. It acts so that the train 5 has the necessary electrical energy to reach the next station 10.
  • the energy management device 12 determines, preferably in real time, the appropriate acceleration and speed profile for the train 5.
  • the energy management device 12 is informed at every moment by the supervision and protection units 32 of the energy reserves available for the race of the train 5 and the state of the storage devices 20.
  • the energy management device 12 tracks the evolution of the level of charge and the electrical performance of each storage device 20.
  • the energy management device 12 is informed by the autopilot system 14 of the current position, speed and mission of the train 5.
  • the energy management device 12 estimates in real time the energy needs and calculates the evolution of the reserves. In a critical case, the energy management device 12 requests the autopilot system 14 to change the course of the train 5 in order to ensure that the train arrives and stops at the scheduled station.
  • the train 5 arrives in this other station 10. The process is repeated as described above.
  • the railway transport system 1 operates without catenary or third rail.
  • the rail transport system 1 is therefore less expensive to build and simple to implement, especially with regard to maintenance.
  • the train 5 advantageously incorporates on board the energy capacity necessary to ensure the required performance in any operating condition, without compromising its availability rate.
  • the availability rate of the train 5 is maintained or even improved by redundantly compensating for the possible failure of the storage device 20 of one of the motor vehicles of the train.
  • Each tank 30 being directly connected to an inverter 26 without a voltage converter, energy efficiency and reliability are maximized.
  • the size and weight of the storage devices 20 are further limited.
  • the storage devices 20 have a lifetime corresponding to a number of charge / discharge cycles greater than one million; and the state of the tanks 30 (state of charge during operation and aging of cells for maintenance) is supervised in a simple manner.
  • connection device shown in FIG. 3 makes it possible to establish a reliable and low energy loss connection between each onboard tank 30 and the recharging device 40.
  • the amount of energy transferred to each of the tanks 30 of the train 5 is individually adapted.
  • the energy reservoir (s) 78 of the recharging device 40 offers (s) the following advantages: a smoothing of the power consumption of the public network, a significant reduction of the power of connection to the network, and a significant reduction of the power of the substation (transformer and rectifier).
  • the rail transport system 1 ensures the complete transfer of the energy required for the onboard tanks 30 in a period less than the time associated with the descent of passengers and the rise of new passengers in the train 5.
  • the rail transport system 1 avoids peaks in energy consumption from the public network and does not disturb this network.

Abstract

Système de transport ferroviaire (1) comprenant : - au moins une rame (5) comportant des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D), comprenant un dispositif de stockage (20) propre à stocker une énergie électrique, et - une pluralité de stations (10) dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement, au moins l'un (7A) des véhicules ferroviaires étant un véhicule moteur comprenant un dispositif de traction (22) embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité, le dispositif de traction consommant une énergie électrique de traction pendant le déplacement, le dispositif de stockage du véhicule ferroviaire (7A) étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique de traction pendant le déplacement, et chaque station comprenant un dispositif de recharge (40) des dispositifs de stockage, le dispositif de recharge comportant des unités de distribution (80) adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage lorsque la rame est arrêtée dans ladite station, et pour fournir respectivement lesdites énergies électriques aux dispositifs de stockage.

Description

Système de transport ferroviaire autonome en énergie électrique
La présente invention concerne un système de transport ferroviaire comprenant :
- au moins une rame comportant des véhicules ferroviaires, et
- une pluralité de stations dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement.
Le système de transport ferroviaire est en particulier un système de métro à grand gabarit (UlC Standard B). La rame est par exemple composée de quatre voitures et capable d'embarquer plus de 800 passagers pour une masse totale supérieure à 200 tonnes, et de circuler à 70 km/h.
Les besoins en énergie et en puissance d'un métro à grand gabarit sont nettement supérieurs à ceux d'un tramway ou d'un train léger, embarquant habituellement environ 200 passagers et circulant à 60 km/h.
Pour un tel système ferroviaire, l'alimentation en énergie électrique est réalisée grâce à des caténaires ou à un troisième rail, les deux premiers rails constituant la voie ferrée empruntée par la rame.
La pose de caténaires et/ou d'un troisième rail s'avère coûteuse au moment de la construction. Ces éléments nécessitent ensuite une maintenance en pleine voie entraînant des coûts d'exploitation.
En outre, ces éléments d'électrification des voies ferrées créent un risque d'électrocution, en général et en particulier lors de leur l'entretien. Ce risque est traité par des moyens connus en eux-mêmes ou des mises en garde, mais il ne peut toutefois être totalement éliminé, notamment en cas d'imprudence d'une personne ou de non suivi de consignes de sécurité.
Un but de l'invention est donc de remédier à tout ou partie des inconvénients ci- dessus, en proposant notamment un système de transport ferroviaire moins coûteux à la construction et qui soit simple à mettre en œuvre.
A cet effet, l'invention concerne un système de transport ferroviaire comprenant :
- au moins une rame comportant des véhicules ferroviaires, chaque véhicule ferroviaire comprenant un dispositif de stockage propre à stocker une énergie électrique, et
- une pluralité de stations dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement,
au moins l'un des véhicules ferroviaires étant un véhicule moteur comprenant un dispositif de traction embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité, le dispositif de traction consommant une énergie électrique de traction pendant le déplacement, le dispositif de stockage du véhicule ferroviaire étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique de traction au dispositif de traction pendant le déplacement, et
chaque station comprenant un dispositif de recharge des dispositifs de stockage, le dispositif de recharge comportant des unités de distribution adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage lorsque la rame est arrêtée dans ladite station, et pour fournir respectivement lesdites énergies électriques aux dispositifs de stockage.
Selon des modes particuliers de réalisation, le système de transport ferroviaire comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- chaque dispositif de stockage comprend au moins un réservoir de stockage d'électricité, et une unité de supervision et de protection adaptée pour :
. fournir des paramètres représentatifs d'un état du réservoir, et
. isoler électriquement le réservoir en cas de surcharge électrique ou de panne du réservoir ;
- l'unité de supervision et de protection comporte un module électronique de contrôle de l'énergie électrique stockée dans le dispositif de stockage, le module électronique étant propre à communiquer, de préférence par ondes radio, avec l'unité de distribution pour contrôler la fourniture de l'énergie électrique au dispositif de stockage ;
- la rame comprend un dispositif de gestion de l'énergie embarqué, et un réseau informatique embarqué adapté pour connecter le dispositif de gestion de l'énergie à chacun des dispositifs de stockage, le dispositif de gestion de l'énergie étant propre à recevoir de chaque dispositif de stockage une information représentative de l'énergie électrique stockée dans chaque dispositif de stockage ;
- la rame comprend un système de pilotage automatique propre à piloter la rame, le dispositif de gestion de l'énergie embarqué étant connecté par le réseau informatique au système de pilotage automatique et étant adapté :
. pour calculer un besoin énergétique de la rame pour atteindre la deuxième des deux stations successives à partir de paramètres fournis par le système de pilotage automatique, et
. pour envoyer au système de pilotage automatique un ordre de modification du pilotage de la rame ;
- le dispositif de recharge comprend un transformateur, un poste de redressement, et un unique réservoir d'électricité tampon monté en dérivation de chacune des unités de distribution, le réservoir d'électricité ayant une capacité de stockage d'électricité supérieure ou égale à la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage de la rame, et au maximum égale au double de la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage de la rame ;
- chacune des unités de distribution comprend au moins un réservoir d'électricité tampon, et de préférence un seul réservoir d'électricité ; et
- le système de transport ferroviaire tel que défini ci-dessus, dans lequel :
. chaque unité de distribution comprend une borne adaptée pour être respectivement connectée électriquement à l'un des dispositifs de stockage, la borne étant mobile en translation selon une direction verticale par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt autour d'un axe sensiblement parallèle à une direction longitudinale du véhicule ferroviaire, ou
. chaque dispositif de stockage comprend un organe de connexion adapté pour être respectivement connecté électriquement à l'une des unités de distribution, l'organe de connexion étant mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt selon la direction verticale, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction longitudinale.
L'invention a également pour objet un procédé de transport ferroviaire comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d'au moins une rame comportant des véhicules ferroviaires comprenant un dispositif de stockage propre à stocker une énergie électrique,
- fourniture d'une pluralité de stations dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement,
- chaque station comportant un dispositif de recharge des dispositifs de stockage, chaque dispositif de recharge comportant des unités de distribution d'énergie,
- mise en contact électrique, dans chaque station, des unités de distribution respectivement avec les dispositifs de stockage lorsque la rame est arrêtée dans la station,
- fourniture, dans chaque station, des énergies électriques respectivement aux dispositifs de stockage par les unités de distribution lorsque la rame est arrêtée dans la station,
- déplacement d'au moins l'un des véhicules ferroviaires entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité à l'aide d'un dispositif de traction embarqué dudit véhicule ferroviaire, le véhicule ferroviaire étant un véhicule moteur,
- consommation par le dispositif de traction d'une énergie électrique de traction pendant le déplacement, et - fourniture par le dispositif de stockage, à lui seul, de l'énergie électrique de traction au dispositif de traction.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique d'un système de transport ferroviaire selon l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique du réservoir de stockage d'électricité et de l'unité de supervision et de protection appartenant à l'un des dispositifs de stockage représentés sur la figure 1 ,
- la figure 3 est une vue schématique d'un mécanisme de connexion entre l'un des véhicules ferroviaires et l'un des dispositifs de recharge représentés sur la figure 1 , et
- la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif de recharge représentant une variante du dispositif de recharge représenté sur la figure 1 .
En référence à la figure 1 , on décrit un système de transport ferroviaire, selon l'invention.
Le système de transport ferroviaire comprend une rame 5 comportant des véhicules ferroviaires 7A, 7B, 7C, 7D ou « voitures », et une pluralité de stations 10, dont seulement une est représentée sur la figure 1 .
La rame 5 est adaptée pour s'arrêter successivement dans les stations 10, par exemple pour permettre à des voyageurs (non représentés) de monter ou descendre des véhicules ferroviaires 7A à 7D.
La rame 5 est par exemple un métro automatique à grand gabarit (UIC Standard
B). La rame 5 est par exemple composée de quatre voitures et adaptée pour embarquer plus de 800 passagers pour une masse totale supérieure à 200 tonnes, et pour circuler à
70 km/h.
Dans l'exemple représenté, la rame 5 comporte quatre véhicules ferroviaires 7A à 7D attelés successivement.
Selon des modes de réalisation particuliers, la rame 5 comprend un autre nombre de véhicules ferroviaires, par exemple huit. Les rames sont en effet modulables par agrégation de voitures et configurées en capacité (de passagers et d'énergie) et en puissance, en fonction des besoins du système de transport ferroviaire.
La rame 5 comprend en outre un dispositif de gestion de l'énergie 12 embarqué, un dispositif de pilotage 14 embarqué propre à piloter la rame, et un réseau informatique 16 interconnectant le dispositif de gestion de l'énergie et le système de pilotage automatique. La rame 5 comprend aussi des dispositifs auxiliaires 18 consommateurs d'énergie électrique non destinés à la traction et pouvant être un ou plusieurs des éléments suivants des appareils de production d'air comprimé, des appareils de production d'air climatisé, des mécanismes d'ouverture de portes, et des chargeurs de batteries de secours.
Les éléments 12, 14, 16, 18 ne sont pas précisément situés sur la figure 1 . On entend par là que ces éléments pourraient être situés à d'autres endroits de la rame 5.
La rame 5 possède une architecture redondante. La rame 5 est formée par l'agrégation de véhicules ferroviaires autonomes en énergie entre deux stations.
Chaque véhicule ferroviaire 7 A à 7D comprend un dispositif de stockage 20 propre à stocker une énergie électrique.
Dans l'exemple représenté, les deux premiers véhicules ferroviaires 7A, 7B sur la gauche de la figure 1 et le véhicule ferroviaire 7D le plus à droite sur la figure 1 sont avantageusement des véhicules moteurs. Le deuxième véhicule ferroviaire 7C en partant de la droite de la figure 1 est avantageusement un véhicule remorque.
Selon des variantes non représentées, la rame 5 comprend un nombre différent de véhicules moteurs et de véhicules « remorques », et/ou l'ordre des véhicules ferroviaires 7A à 7D dans la rame est différent.
Les véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B, 7D comportent un dispositif de traction 22 embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire entre deux stations 10 successives quelconques. Chaque véhicule ferroviaire moteur 7A, 7B, 7D est avantageusement dépourvu d'organe de conversion d'énergie destinée au dispositif de traction. Les véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B, 7D sont avantageusement analogues les uns aux autres.
Le véhicule ferroviaire remorque 7C est dépourvu de système de traction embarqué. Le véhicule ferroviaire remorque 7C comporte un convertisseur statique 24 connecté électriquement à son dispositif de stockage 20 et avantageusement à tous les dispositifs auxiliaires de la rame. Les véhicules ferroviaires remorques, dans les variantes où ils sont plusieurs, sont avantageusement analogues les uns aux autres.
Le dispositif de traction 22 comprend un onduleur de traction 26 connecté électriquement au dispositif de stockage 20, et par exemple deux moteurs électriques de traction 28 connectés électriquement à l'onduleur de traction.
Le dispositif de traction 22 est avantageusement adapté pour transmettre un courant de freinage au dispositif de stockage 20 afin de récupérer l'énergie électrique générée par le dispositif de traction 22 lors du freinage du véhicule ferroviaire. Les dispositifs de stockage 20 des véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B, 7D sont avantageusement analogues les uns aux autres, aussi seul l'un d'entre eux sera décrit ci- après.
Le dispositif de stockage 20 comprend un réservoir 30 de stockage d'électricité (figures 1 et 2), une unité de supervision et de protection 32, et un organe de connexion 34 (figures 1 et 3) connecté électriquement au réservoir 30 et adapté pour établir une connexion électrique avec un dispositif de recharge 40 de la station 10 qui sera décrit ultérieurement.
Chaque dispositif de stockage 20 des véhicules 7A, 7B et 7D est adapté pour alimenter électriquement à lui seul le dispositif de traction 22 correspondant pendant le déplacement complet de l'une des stations 10 à une autre des stations 10 équipées du dispositif de recharge 40. En effet, il est possible que certaines stations d'une ligne ne soient pas équipées d'un tel dispositif de recharge.
Le dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire remorque 7C est adapté pour alimenter électriquement à lui seul l'intégralité des dispositifs auxiliaires 18 pendant le déplacement complet d'une des stations 10 à une autre.
Le dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire remorque 7C possède une capacité de stockage du même ordre que celle des véhicules ferroviaires moteurs. Cette capacité est adaptée notamment en fonction des distances entre les stations et des besoins de climatisation de la rame 5.
La capacité de stockage du réservoir 30 dans chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D est fonction des performances et des besoins d'exploitation. Cette capacité est supérieure au strict besoin énergétique nécessaire au déplacement de la rame 5 entre deux stations 10 équipées, afin de pouvoir faire face à certaines situations telles qu'un arrêt forcé en ligne (hors station).
La capacité de stockage est typiquement comprise entre 10 et 20 kWh, tandis que la puissance délivrée par le réservoir dépasse le MW.
Comme visible sur la figure 2, le réservoir 30 comporte des branches 42 montées en parallèles les unes des autres et avantageusement analogues. Il y a par exemple huit branches 42 dans chaque réservoir 30 des véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B ; 7D. Seulement deux branches 42 ont été représentées sur la figure 2 par raison de simplicité.
Les branches 42 comportent des modules 44 montés en série.
Les modules 44 comportent une pluralité de cellules de supercondensateurs 46. Chaque module 44 intègre localement un dispositif de surveillance des cellules de supercondensateurs 46, qui mesure individuellement l'état de charge et de santé de chaque cellule, et d'équilibrage de charge entre cellules, responsable d'égaliser le niveau de charge des multiples cellules qui composent le module 44.
Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière possédant une densité d'énergie adaptée pour fournir une puissance intermédiaire entre les batteries et les condensateurs électrolytiques classiques. Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement, plus efficacement et avec une meilleure efficacité qu'une batterie.
L'unité de supervision et de protection 32 est adaptée pour isoler électriquement le réservoir 30 en cas de surcharge électrique ou de panne, et pour fournir des informations sur des paramètres représentatifs d'un état du réservoir, par exemple représentatifs d'un niveau de charge, d'un niveau instantané de courant, de pertes, et du vieillissement des composants du réservoir.
L'unité de supervision et de protection 32 comprend par exemple, pour chaque branche 42, l'un ou plusieurs des éléments suivants :
- un disjoncteur 50 de protection des supercondensateurs de la branche,
- un contacteur 52 de pré-charge de la branche,
-: une résistance 54 de pré-charge de la branche,
- un capteur de tension 56 de la branche,
- une carte de signalisation 58 de la présence de tension de supercondensateurs,
- un organe de sectionnement 60 permettant d'isoler manuellement le réservoir 30 lors d'interventions d'entretien du dispositif de stockage 20, et
- un module électronique 62 de contrôle d'énergie propre à assurer une surveillance et une gestion des modules 44 de supercondensateurs, ainsi que le pilotage des organes électromécaniques de l'unité de supervision et de protection 32.
L'unité de supervision et de protection 32 est adaptée pour que le courant moyen échangé avec l'onduleur de traction 26 à chaque phase (traction, freinage, recharge) soit partagé entre toutes les branches 42 du réservoir 30. Ce partage réduit le courant circulant au niveau des cellules de manière à limiter la taille des modules 44 et la complexité d'un dispositif de refroidissement (non représenté) du réservoir.
Le module électronique 62 est adapté pour rapporter l'état du réservoir 30 au dispositif de gestion de l'énergie 12 de la rame 5.
Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est dit « intelligent ». Il est configuré pour que la rame 5 dispose de l'énergie électrique nécessaire pour rejoindre la station 10 suivante. A cet effet, le dispositif de gestion de l'énergie 12 est configuré pour déterminer, de préférence en temps réel, le profil d'accélération et de vitesse adéquat pour la rame 5 à partir d'une ou plusieurs des informations suivantes :
- un niveau de charge de chaque réservoir 30 envoyé par le module électronique 62 de contrôle d'énergie correspondant, et
- la position et la vitesse en temps réel de la rame 5 fournies par le système de pilotage automatique 14.
Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est adapté pour avoir connaissance de la typologie de la ligne et la mission de la rame 5.
Le réseau informatique 16 relie le dispositif de gestion de l'énergie 12 notamment aux unités de supervision et protection 32 de chaque dispositif de stockage 20.
Du fait de sa connexion avec les unités de supervision et protection 32, le dispositif de gestion de l'énergie 12 embarqué est informé à chaque instant des réserves d'énergie disponibles pour la course de la rame 5 et de l'état des dispositifs de stockage 20. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est adapté pour suivre l'évolution du niveau de charge et de la performance électrique de chaque dispositif de stockage 20.
Du fait de sa connexion avec le système de pilotage automatique 14, le dispositif de gestion de l'énergie 12 est informé de la position, de la vitesse et la mission courantes de la rame 5.
La mission comprend par exemple l'une ou plusieurs des informations suivantes : prochaine station à desservir, disponibilité de l'itinéraire correspondant, profil de vitesse prévu pour la rame 5, charge de la rame en passagers.
Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est adapté pour estimer en temps réel les besoins énergétiques et pour calculer l'évolution des réserves. En cas critique, c'est-à- dire si un risque de manque d'énergie électrique est détecté (par exemple à la suite d'un arrêt en ligne ou d'une défaillance du dispositif de recharge de la prochaine station équipée), le dispositif de gestion de l'énergie 12 est configuré pour demander au système de pilotage automatique 14 une modification de la marche de la rame 5 afin d'assurer que la rame parvienne et s'arrête à la prochaine station 10.
Le diagnostic de l'état de santé des dispositifs de stockage 20 est fondé sur l'analyse de paramètres physiques des composants des réservoirs des dispositifs de stockage.
Le système de pilotage automatique 14 est adapté pour permettre l'arrêt précis de la rame 5 en vis-à-vis du dispositif de recharge 40 de la station 10 concernée.
Chaque station 10 comprend un dispositif de recharge 40 analogue au dispositif de recharge représenté sur la figure 1 . Optionnellement, les stations 10 font partie d'un réseau (non représenté) de stations dont l'une ou plusieurs ne comportent pas de dispositif de recharge analogue au dispositif de recharge représenté sur la figure 1 . Dit autrement, optionnellement, certaines stations du réseau sont équipées d'un dispositif de recharge, comme les stations 10, et d'autres stations ne le sont pas.
Le dispositif de recharge 40 (figure 1 ) comprend une connexion 70 à une source d'énergie électrique 72, un transformateur 74, un poste de redressement 76, un unique réservoir d'énergie tampon 78, et des unités de distribution 80 adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage 20 lorsque la rame 5 est arrêtée dans ladite station 10.
La source d'énergie électrique 72 est avantageusement le réseau électrique public de moyenne tension d'une ville. Par « moyenne tension », on entend par exemple une tension alternative comprise entre 1 et 50 kV.
Le poste de redressement 76 est de conception classique.
Le réservoir 78 dispose d'une capacité de puissance élevée. Le niveau de puissance à transmettre vers chaque véhicule ferroviaire dépasse 1 MW.
Le réservoir 78 est dimensionné pour fournir l'énergie électrique nécessaire à la recharge rapide de deux rames analogues à la rame 5 représentée sur la figure 1 , i. e. une par sens de circulation, et pour reconstituer sa propre réserve d'énergie pendant un intervalle de temps entre deux rames s'arrêtant l'une après l'autre dans la station concernée.
L'intervalle de temps entre deux rames circulant dans le même sens est typiquement supérieur à 60 secondes.
Le réservoir 78 tampon fait par exemple appel à l'une ou l'autre des technologies suivantes connues en elles-mêmes : volants d'inertie, modules de supercondensateurs, ou stockage magnétique à supraconducteurs.
Le réservoir 78 est par exemple constitué d'une association en dérivation de plusieurs unités de stockage par supercondensateurs ou de plusieurs volants d'inertie.
Les unités de distribution 80 comprennent des convertisseurs 82 DC/DC de puissance (dispositif d'adaptation d'impédance).
Il y a avantageusement au moins autant d'unités de distribution 80 que de véhicules ferroviaires 7A à 7D dans la rame, ou dans deux rames si la station 10 concernée est à double sens de circulation.
Afin d'éviter tout risque d'électrisation, les unités de distribution 80 ne sont alimentées que lorsque la rame 5 est en position de charge. Le système de pilotage automatique 14 de la rame 5 est adapté pour commander l'alimentation des unités de distribution 80 en électricité, avantageusement de manière à ce que l'énergie électrique soit fournie pendant que les portes sont ouvertes et soit coupée après la fermeture des portes.
Les unités de distribution 80 sont respectivement adaptées pour limiter les courants de charge arrivant dans les réservoirs 30 des dispositifs de stockage 20 et pour contrôler la charge des réservoirs individuellement.
Chaque unité de distribution 80 est adaptée pour communiquer, de préférence par ondes radio avec le module électronique 62 de contrôle d'énergie du dispositif de stockage 20 correspondant.
Chaque unité de distribution 80 comprend par exemple un support 84 et un embout 86 monté sur le support (figure 3).
L'embout 86 est par exemple en forme de « V » inversé, et avantageusement situé verticalement au niveau de la voie ferrée.
Dans l'exemple représenté, l'organe de connexion des dispositifs de stockage 20 comporte une partie mobile 88, formant par exemple un bras. L'organe de connexion 34 comprend un embout complémentaire 90 de l'embout 86 des unités de distribution 80. L'organe de connexion 34 est adapté pour être respectivement connecté électriquement à l'une des unités de distribution 80.
Le bras 88 est mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire 7A à 7D à l'arrêt selon une direction verticale V du véhicule ferroviaire, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt autour d'un axe D1 sensiblement parallèle à une direction longitudinale L du véhicule ferroviaire. Le bras 88 est mobile entre une position de repos (à gauche sur la figure 3) et une position descendue (à droite sur la figure 3) dans laquelle l'embout complémentaire 90 est en contact électrique avec l'embout 86 de l'unité de distribution 80 correspondante.
Selon une variante non représentée, la partie mobile 88 est intégrée à l'unité de distribution 80 de la station et non à l'organe de connexion 34 du dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire. Chaque unité de distribution 80 comprend alors une borne adaptée pour être respectivement connectée électriquement à l'un des dispositifs de stockage 20, la borne étant mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire 7 A à 7D à l'arrêt selon la direction verticale V, et mobile en rotation par rapport à son support 84 autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction longitudinale L.
L'organe de connexion 34 du dispositif de stockage 20 et l'unité de distribution 80 correspondante sont adaptés pour établir un contact électrique de très basse impédance au niveau de l'embout 86 et de l'embout complémentaire 90. Le système de pilotage automatique 14 est configuré pour assurer un alignement longitudinal de la rame 5 et des unités de distribution 80 lors de l'arrêt de la rame dans la station. Le système de pilotage automatique 14 est en outre adapté pour commander le déploiement de chaque bras après l'arrêt de la rame 5 en station et un repli de chaque bras avant le départ de la rame.
Des valeurs usuelles retenues pour les tolérances de positionnement de la rame 5 par rapport aux unités de distribution 80 sont par exemple :
longitudinalement : ± 250 mm,
- transversalement : ± 27 mm, et
- en hauteur : ± 30 mm.
Selon une variante représentée sur la figure 4, le dispositif de recharge 40 ne comprend pas de réservoir d'énergie unique, ni de redresseur unique. Chaque unité de distribution 80 comporte un redresseur 76A, 76B, 76C, 76D et un réservoir d'énergie 78A, 78B, 78C, 78D tampon montés en série l'un avec l'autre.
Les réservoirs d'énergie 78A, 78B, 78C, 78D tampon des unités de distribution 80 intègrent avantageusement des volants d'inertie. Dans ce cas, il est possible de se passer des convertisseurs 82 DC/DC d'adaptation d'impédance. Dans cette configuration, un des réservoirs d'énergie tampon 78A à 78D est associé respectivement à un des véhicules ferroviaires 7A à 7D. Le module électronique 62 de contrôle d'énergie de chaque réservoir 30 embarqué est alors adapté pour piloter directement le volant d'inertie associé au véhicule ferroviaire afin de contrôler la charge du réservoir embarqué.
Le fonctionnement du système de transport ferroviaire 1 va maintenant être décrit. La rame 5 arrive dans la station 10. Les courants de freinage sont transmis par les onduleurs 26 aux dispositifs de stockage 20.
Néanmoins, les réservoirs 30 des dispositifs de stockage 20 propres à chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D peuvent être dans un état de charge incomplet. En effet, les dispositifs de stockage 20 des véhicules moteurs 7A, 7B, 7D ont alimenté en électricité respectivement les dispositifs de traction 22, et le dispositif de stockage 20 du véhicule remorque 7C a alimenté les dispositifs auxiliaires 18 de la rame 5.
Le système de pilotage automatique 14 commande la rame 5 pour que celle-ci s'arrête dans la station 10 dans la position représentée sur la figure 1 , dans laquelle les organes de connexion 34 des dispositifs de stockage 20 sont en vis-à-vis des unités de distribution 80 du dispositif de recharge 40, avec tolérance.
Le système de pilotage automatique 14 commande l'ouverture des portes de chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D et des éventuelles portes palières en vis-à-vis. Le système de pilotage automatique 14 commande l'alimentation en électricité des unités de distribution 80, les unités de distribution n'étant avantageusement pas alimentées en l'absence de rame à l'arrêt dans la station 10.
Le système de pilotage automatique 14 fait descendre la partie mobile 88 de chaque organe de connexion 34 des dispositifs de stockage 20. L'embout 86 de chaque unité de distribution 80 et l'embout complémentaire 90 de chaque organe de connexion 34 se mettent alors en contact électrique à faible impédance. Si nécessaire, la partie mobile 88 pivote autour de l'axe D1 de façon à permettre une certaine tolérance dans la position relative du véhicule ferroviaire 7A à 7D transversalement par au support 84 de l'unité de distribution 80.
La recharge des réservoirs 30 des dispositifs de stockage 20 commence alors. Les modules électroniques 62 de contrôle d'énergie communiquent respectivement avec les convertisseurs 82 DC/DC de puissance pour limiter individuellement le courant de charge de chaque dispositif de stockage 20.
Chaque module électronique 62 adapte la stratégie de recharge au niveau de charge du réservoir 30 correspondant considéré individuellement. Quand le réservoir 30 est plutôt vide, le courant de charge est régulé afin de limiter la dissipation dans les câbles et au niveau du contact entre l'embout 86 et l'embout complémentaire 90. A mesure que le niveau de charge augmente, une régulation de la puissance de charge est mise en œuvre.
L'électricité provient essentiellement du réservoir d'énergie 78 tampon. Le réservoir d'énergie 78 tampon est alimenté par la source d'énergie électrique 72 via le transformateur 74 et le redresseur 76.
Le réservoir d'énergie 78 tampon permet de pourvoir aux appels ponctuels d'énergie nécessaires à la charge des rames 5 en station, tout en assurant un lissage dans le temps de la puissance électrique consommée par le dispositif de recharge 40 en provenance de la source de d'énergie électrique 72.
A tout moment, l'unité de supervision et de protection 32 peut isoler électriquement le réservoir 30 en cas de surcharge électrique ou de panne, et fournit au dispositif de gestion de l'énergie 12 de la rame 5 les paramètres représentatifs de l'état du réservoir.
Avant le départ de la rame 5, le système de pilotage automatique 14 fait remonter la partie mobile 88 de chaque organe de connexion 34 des dispositifs de stockage 20. Le système de pilotage automatique 14 active aussi la fermeture des portes de la rame 5 et, avantageusement, désactive l'alimentation en électricité des unités de distribution 80. La rame 5 quitte ensuite l'une des stations 10 pour se diriger vers une autre des stations 10. La rame 5 est alors autonome en énergie électrique.
Le réservoir 78 tampon du dispositif de recharge 40 commence alors à reconstituer sa propre réserve d'énergie avant qu'une autre rame 5 s'arrête dans la station 10.
Dans la rame 5 qui vient de partir, les dispositifs auxiliaires 18 considérés ensemble consomment une énergie électrique auxiliaire pendant le déplacement entre les deux stations 10 successives. Le dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire 7C remorque fournit à lui seul l'énergie électrique auxiliaire de l'intégralité des véhicules ferroviaire 7A, 7B, 7C et 7D de la rame 5.
Chaque dispositif de traction 22 consomme une énergie électrique de traction pendant le déplacement de la station 10 vers l'autre station. Chaque dispositif de stockage 20 des véhicules ferroviaires 7A, 7B, 7D moteurs fournit à lui seul l'énergie de traction au dispositif de traction 22 correspondant pendant le déplacement.
Le dispositif de gestion de l'énergie 12 adapte la mission de la rame 5 avec un objectif d'optimisation énergétique. Il agit pour que la rame 5 dispose de l'énergie électrique nécessaire pour rejoindre la station 10 suivante.
A cet effet, le dispositif de gestion de l'énergie 12 détermine, de préférence en temps réel, le profil d'accélération et de vitesse adéquat pour la rame 5. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est informé à chaque instant par les unités de supervision et protection 32 des réserves d'énergie disponibles pour la course de la rame 5 et de l'état des dispositifs de stockage 20. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 suit l'évolution du niveau de charge et de la performance électrique de chaque dispositif de stockage 20. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est informé par le système de pilotage automatique 14 de la position, de la vitesse et la mission courantes de la rame 5.
Le dispositif de gestion de l'énergie 12 estime en temps réel les besoins énergétiques et calcule l'évolution des réserves. En cas critique, le dispositif de gestion de l'énergie 12 demande au système de pilotage automatique 14 une modification de la marche de la rame 5 afin d'assurer que la rame parvienne et s'arrête à la station prévue.
La rame 5 arrive dans cette autre station 10. Le processus se répète comme décrit ci-dessus.
Grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, le système de transport ferroviaire 1 fonctionne sans caténaire ni troisième rail. Le système de transport ferroviaire 1 est donc moins coûteux à la construction et simple à mettre en œuvre, notamment en ce qui concerne la maintenance. Grâce au diagnostic de l'état de santé des dispositifs de stockage 20, il est possible de mettre en place une maintenance préventive des dispositifs de stockage.
La rame 5 incorpore avantageusement à bord la capacité d'énergie nécessaire à assurer les performances requises en toute condition d'exploitation, sans compromettre son taux de disponibilité.
Le taux de disponibilité de la rame 5 est maintenu, voire amélioré, en palliant par redondance l'éventuelle défaillance du dispositif de stockage 20 de l'un des véhicules moteurs de la rame.
Chaque réservoir 30 étant directement relié à un onduleur 26 sans convertisseur de tension, l'efficacité énergétique et la fiabilité sont maximisées. L'encombrement et le poids des dispositifs de stockage 20 sont en outre limités.
Grâce à l'utilisation de cellules de supercondensateurs, les dispositifs de stockage 20 ont une durée de vie correspondant à un nombre de cycles de charge/décharge supérieur à un million ; et l'état des réservoirs 30 (état de la charge lors de l'exploitation et vieillissement des cellules pour la maintenance) est supervisé de manière simple.
Le dispositif de connexion représenté sur la figure 3 permet d'établir une connexion fiable et à basses pertes d'énergie entre chaque réservoir 30 embarqué et le dispositif de recharge 40.
La quantité d'énergie transférée vers chacun des réservoirs 30 de la rame 5 est adaptée individuellement.
Le ou les réservoirs d'énergie 78 tampon du dispositif de recharge 40 offre(nt) les avantages suivants : un lissage de la consommation d'énergie du réseau public, une diminution significative de la puissance de raccordement au réseau, et une réduction importante de la puissance de la sous-station (transformateur et redresseur).
Le système de transport ferroviaire 1 assure le transfert intégral de l'énergie indispensable aux réservoirs 30 embarqués dans une période inférieure au temps lié à la descente des voyageurs et à la montée de nouveaux voyageurs dans la rame 5.
Le dispositif de recharge 40 des stations 10 étant directement raccordé au réseau électrique de la ville, les coûts de déploiement d'une infrastructure exclusive de transport électrique en haute tension sont évités. Le système de transport ferroviaire 1 évite les crêtes de consommation d'énergie en provenance du réseau public et ne perturbe pas ce réseau.

Claims

REVENDICATIONS
1 . - Système de transport ferroviaire (1 ) comprenant :
- au moins une rame (5) comportant des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D), chaque véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) comprenant un dispositif de stockage (20) propre à stocker une énergie électrique, et
- une pluralité de stations (10) dans lesquelles la rame (5) est adaptée pour s'arrêter successivement,
au moins l'un (7A) des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) étant un véhicule moteur comprenant un dispositif de traction (22) embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire (7A) entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité, le dispositif de traction (22) consommant une énergie électrique de traction pendant le déplacement, le dispositif de stockage (20) du véhicule ferroviaire (7A) étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique de traction au dispositif de traction (22) pendant le déplacement, et
chaque station (10) comprenant un dispositif de recharge (40) des dispositifs de stockage (20), le dispositif de recharge (40) comportant des unités de distribution (80) adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage (20) lorsque la rame (5) est arrêtée dans ladite station (10), et pour fournir respectivement lesdites énergies électriques aux dispositifs de stockage (20).
2. - Système de transport ferroviaire selon la revendication 1 , dans lequel la rame (5) comporte des dispositifs auxiliaires (18) propres à produire de l'air comprimé ou de l'air climatisé, au moins l'un (7C) des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) étant un véhicule remorque dépourvu de système de traction embarqué, les dispositifs auxiliaires (18) considérés ensemble consommant une énergie électrique auxiliaire pendant le déplacement entre les deux stations (10) successives, le dispositif de stockage (20) du véhicule remorque étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique auxiliaire de l'intégralité des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D).
3. - Système de transport ferroviaire (1 ) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque dispositif de stockage (20) comprend au moins un réservoir (30) de stockage d'électricité, et une unité de supervision et de protection (32) adaptée pour :
- fournir des paramètres représentatifs d'un état du réservoir (30), et
- isoler électriquement le réservoir (30) en cas de surcharge électrique ou de panne du réservoir (30).
4. - Système de transport ferroviaire (1 ) selon la revendication 3, dans lequel l'unité de supervision et de protection (32) comporte un module électronique (62) de contrôle de l'énergie électrique stockée dans le dispositif de stockage (20), le module électronique (62) étant propre à communiquer, de préférence par ondes radio, avec l'unité de distribution (80) pour contrôler la fourniture de l'énergie électrique au dispositif de stockage (20).
5. - Système de transport ferroviaire (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la rame (5) comprend un dispositif de gestion de l'énergie (12) embarqué, et un réseau informatique (16) embarqué adapté pour connecter le dispositif de gestion de l'énergie (12) à chacun des dispositifs de stockage (20), le dispositif de gestion de l'énergie (12) étant propre à recevoir de chaque dispositif de stockage (20) une information représentative de l'énergie électrique stockée dans chaque dispositif de stockage (20).
6. - Système de transport ferroviaire (1 ) selon la revendication 5, dans lequel la rame (5) comprend un système de pilotage automatique (14) propre à piloter la rame (5), le dispositif de gestion de l'énergie (12) embarqué étant connecté par le réseau informatique (16) au système de pilotage automatique (14) et étant adapté :
- pour calculer un besoin énergétique de la rame (5) pour atteindre la deuxième des deux stations successives à partir de paramètres fournis par le système de pilotage automatique (14), et
- pour envoyer au système de pilotage automatique (14) un ordre de modification du pilotage de la rame (5).
7. - Système de transport ferroviaire (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif de recharge (40) comprend un transformateur (74), un poste de redressement (76), et un unique réservoir d'électricité (78) tampon monté en dérivation de chacune des unités de distribution (80), le réservoir d'électricité (78) ayant une capacité de stockage d'électricité supérieure ou égale à la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage (20) de la rame (5), et au maximum égale au double de la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage (20) de la rame (5).
8.- Système de transport ferroviaire (1 ) selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, dans lequel chacune des unités de distribution (80) comprend au moins un réservoir d'électricité (78A, 78B, 78C, 78D) tampon, et de préférence un seul réservoir d'électricité.
9. - Système de transport ferroviaire (1 ) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel :
- chaque unité de distribution (80) comprend une borne adaptée pour être respectivement connectée électriquement à l'un des dispositifs de stockage (20), la borne étant mobile en translation selon une direction verticale (V) par rapport au véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt autour d'un axe (D1 ) sensiblement parallèle à une direction longitudinale (L) du véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D), ou
- chaque dispositif de stockage (20) comprend un organe de connexion (34) adapté pour être respectivement connecté électriquement à l'une des unités de distribution (80), l'organe de connexion (34) étant mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt selon la direction verticale (V), et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction longitudinale (L).
10. - Procédé de transport ferroviaire comprenant les étapes suivantes :
- fourniture d'au moins une rame (5) comportant des véhicules ferroviaires (7A,
7B, 7C, 7D) comprenant un dispositif de stockage (20) propre à stocker une énergie électrique,
- fourniture d'une pluralité de stations (10) dans lesquelles la rame (5) est adaptée pour s'arrêter successivement,
- chaque station (10) comportant un dispositif de recharge (40) des dispositifs de stockage (20), chaque dispositif de recharge (40) comportant des unités de distribution (80) d'énergie,
- mise en contact électrique, dans chaque station (10), des unités de distribution (80) respectivement avec les dispositifs de stockage (20) lorsque la rame (5) est arrêtée dans la station (10),
- fourniture, dans chaque station (10), des énergies électriques respectivement aux dispositifs de stockage (20) par les unités de distribution (80) lorsque la rame (5) est arrêtée dans la station (10),
- déplacement d'au moins l'un (7A) des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité à l'aide d'un dispositif de traction (22) embarqué dudit véhicule ferroviaire (7A), le véhicule ferroviaire (7A) étant un véhicule moteur,
- consommation par le dispositif de traction (22) d'une énergie électrique de traction pendant le déplacement, et
- fourniture par le dispositif de stockage (20), à lui seul, de l'énergie électrique de traction au dispositif de traction (22).
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