Brevet FR2897018A1 — publié le 20070810

L'invention concerne en général les rames de métro. Plus précisément, l'invention concerne une rame de métro comprenant au moins un moteur électrique de traction présentant une entrée de puissance et une alimentation électrique principale de puissance du ou de chaque moteur. En cas de rupture durable de l'alimentation électrique principale de la rame, l'évacuation par la voie des passagers d'une rame immobilisée entre deux stations est généralement la seule solution possible. Une évacuation par la voie est toujours une opération difficile pour l'exploitant du métro, qui doit vérifier l'absence de personnes sur la voie dans toutes les zones avant redémarrage de la circulation du métro. En outre, une telle évacuation impose un temps élevé d'immobilisation de la rame (de l'ordre d'une heure) voire de l'ensemble du réseau. Par ailleurs, cette opération présente des risques humains importants : chute de personnes, blessures. Enfin, l'image de marque de l'exploitant est dégradée quand ce type d'incidents intervient. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une rame de métro qui permet de diminuer la fréquence de l'évacuation des passagers par les voies en cas de perte de l'alimentation électrique principale. Dans ce but, l'invention porte sur une rame de métro du type décrit ci- dessus, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de stockage d'énergie électrique et des moyens de commutation pour sélectivement relier électriquement l'entrée de puissance du ou de chaque moteur à l'alimentation électrique principale ou aux moyens de stockage d'énergie électrique, les moyens de stockage d'énergie électrique étant dimensionnés pour four- nir au ou aux moteurs électriques une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins 300 mètres à plat, en étant initialement à l'arrêt. L'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - les moyens de stockage d'énergie électrique sont dimensionnés pour fournir au ou aux moteurs électriques une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins 300 mètres avec une pente montante de 2% en étant initialement à l'arrêt ; - les moyens de stockage d'énergie électrique sont dimensionnés pour fournir au ou aux moteurs électriques une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins 300 mètres avec une pente montante d'au moins 5% en étant initialement à l'arrêt ; - les moyens de stockage d'énergie électrique sont dimensionnés pour fournir une énergie électrique utile totale supérieure à 12 kWh ; - les moyens de stockage d'énergie électrique sont dimensionnés pour fournir une puissance électrique continue totale supérieure à 20 kW ; - les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent au moins une batterie ; - la ou chaque batterie est de type Nickel Métal Hydrure, ou Lithium Ion (Li-Ion), ou plomb gel, ou Nickel Cadmium ; - les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent au moins une super capacité ; - la ou chaque super capacité est de type à charbon actif, ou à polymère conducteur, ou aux oxydes métalliques ; - les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent au moins une pile thermique - la rame comprend des moyens pour alimenter au moins certains équipements auxiliaires de la rame en secours à partir de la ou des batte-ries ; - la rame comprend un convertisseur statique relié électriquement d'une part à l'alimentation électrique principale et d'autre part aux moyens de stockage d'énergie électrique, et susceptible de convertir le courant électrique fourni par l'alimentation électrique principale en un courant de charge des moyens de stockage d'énergie électrique ; - la rame comprend un équipement spécifique apte à recharger les moyens de stockage d'énergie électrique ; et - la rame comprend des moyens de commande des moyens de commutation situés dans la cabine de pilotage de la rame. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limita-tif, en référence aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique l'alimentation électri- que du moteur de traction de la rame, selon un premier mode de réalisation de l'invention dans lequel l'alimentation électrique de secours est un jeu de batteries ; - la figure 2 est un schéma similaire à celui de la figure 1, pour un second mode de réalisation de l'invention dans lequel l'alimentation électrique de secours est un ensemble de super capacités ; et - la figure 3 est un schéma similaire à celui de la figure 1, pour un troisième mode de réalisation de l'invention dans lequel l'alimentation électrique de secours est un jeu de piles thermiques. Comme le montre la figure 1, la rame de métro comprend au moins une chaîne de traction 10 susceptible de propulser la rame le long de la voie, une alimentation électrique principale de puissance 12 de la chaîne de traction, et une alimentation électrique de secours 14 de la chaîne de traction. La chaîne de traction 10 comprend un moteur électrique 15 d'entraî- nement des roues de la rame pourvu d'une entrée de puissance électrique 16. En variante, le moteur électrique 15 est un moteur magnétique linéaire, propulsant la rame en coopérant avec des moyens magnétiques complémentaires répartis le long de la voie de circulation de la rame. L'alimentation électrique principale 12 est typiquement formée d'un patin coopérant avec un rail d'amenée de puissance s'étendant le long de la voie de circulation du métro. L'alimentation électrique principale 12 fournit un courant continu haute tension, d'une tension de 750 V par exemple. L'alimentation principale 12 peut alternativement être formé d'un pantographe coopérant avec une caténaire surplombant la voie de circulation du métro. Dans ce cas, l'alimentation 12 fournit un courant continu haute tension de 1500 V par exemple. Ces tensions peuvent varier d'un pays à l'autre. L'alimentation électrique de secours 14 comprend un jeu de batteries. A titre d'exemple, il comprend trois blocs de batteries de type Ni-MH (Nickel Métal Hydrure) fonctionnant à une tension de 110 V. La rame comprend par ailleurs des moyens de commutation 18 aptes à sélectivement relier électriquement l'entrée de puissance 16 du moteur électrique, soit à l'alimentation électrique principale 12, soit aux batteries de secours 14. Le commutateur 18 est par exemple piloté par un calculateur 19, lui-même commandé par un terminal disposé dans la cabine de pilotage de la rame de métro. La rame de métro comprend également un circuit basse tension 20, fonctionnant sous 110 V par exemple, et un circuit moyenne tension 21, fonctionnant sous 400 V etlou 220V par exemple. Le circuit basse tension 20 alimente des équipements auxiliaires de la rame tels que la ventilation des cabines passagers, l'éclairage, ... . Le circuit moyenne tension 21 alimente des équipements tels que la climatisation des cabines de conduite. Les circuits basse et moyenne tension 20 et 21 sont normalement alimentés par l'alimentation électrique principale 12, par l'intermédiaire d'un convertisseur statique 22 dont l'entrée est électriquement reliée au dispositif d'alimentation électrique principale 12. Une sortie moyenne tension 23 de ce convertisseur 22 est électriquement reliée au circuit moyenne tension 21. Une sortie basse tension 24 du convertisseur 22 est reliée électriquement à une borne d'entrée 25 d'un commutateur 26. Les batteries de l'alimentation électrique de secours 14 sont reliées électriquement à une autre entrée 28 du commutateur 26. La sortie 29 de ce commutateur 26 est électriquement reliée au circuit basse tension 20. Le commutateur 26 est apte à sélectivement relier électriquement le circuit basse tension 20, soit à la sortie 24 du convertisseur statique 22, soit aux batteries de l'alimentation électrique de secours 14. Le commutateur 26 est piloté par le calculateur 19. Par ailleurs, les batteries de l'alimentation électrique de secours 14 sont électriquement reliées à la sortie basse tension 24 du convertisseur statique 22. Un chargeur 30 peut par exemple être interposé entre les batte-ries et le convertisseur. Le convertisseur statique 22 transforme le courant continu haute tension en un courant moyenne tension alternatif, par exemple de 220 V et/ou 400 V, recueilli à la sortie 23, et en un courant basse tension continu par exemple de 110 V, recueilli à la sortie 24. Les batteries de l'alimentation électrique de secours 14 sont dimensionnées pour permettre à la rame de métro, en cas de perte de l'alimentation électrique principale 12, d'atteindre de manière autonome la station de métro suivante. Les caractéristiques des batteries sont déterminées au cas par cas, en fonction de la masse de la rame, de la longueur maximale de la voie séparant deux stations successives de la ligne de métro, du profil de la voie, c'est-à-dire des pentes montantes ou descendantes de la voie et de la vitesse de déplacement. Les batteries sont dimensionnées pour fournir au moteur électrique une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins trois cents mètres à plat, de préférence d'au moins trois cents mètres avec une pente montante de 2 %, et encore de préférence d'au moins trois cents mètres avec une pente montante de 5 %. Dans le profil de mission étudié (huit cents mètres sous une pente montante de 2 %, à 4 km/h, ou encore une distance de sept cents mètres, sous une pente montante de 5 % à 5 km/h) et pour une rame comportant 5 voitures dont trois motrices, d'une masse à vide totale de 180 tonnes, pré-vue pour embarquer 6 passagers au mètre carré, les batteries de l'alimentation électrique de secours sont dimensionnées pour pouvoir délivrer une puissance continue de 100 kW, et une énergie utile totale de 18 kWh. Il est à noter que de telles batteries permettent l'alimentation électrique des équipements auxiliaires de secours desservis par le circuit basse tension 20, pendant par exemple environ 1 heure, sous réserve que l'alimentation de secours ne soit pas utilisée pour alimenter la chaîne de trac- tion de la rame de métro. Ces besoins électriques sont estimés à une puissance de 20kW et une énergie utile de 12kWh pour la rame considérée. Si les batteries sont utilisées pour alimenter à la fois la chaîne de traction et les équipements auxiliaires, ces équipements auxiliaires pourront être alimentés pendant moins d'une heure avant épuisement des batteries. Toutefois, il est probable que, dans ce cas, la rame aura rejoint la station la plus proche dans ce délai, et l'évacuation des passagers aura été réalisée. Le fonctionnement de l'alimentation électrique de la rame va mainte- nant être décrit. En situation normale, la chaîne de traction 10 de la rame est alimentée à partir de l'alimentation électrique principale 12. De même, les circuits basse et moyenne tension 20 et 21 sont alimentés par l'alimentation électrique principale 12 via le convertisseur statique 22. Les batteries de l'alimen-tation électrique de secours 14 sont constamment maintenues en charge par le convertisseur 22 ou par un chargeur dédié 30 si ce dernier n'est pas intégré dans le convertisseur. En cas de perte de l'alimentation électrique principale, plusieurs situations peuvent se présenter. Si la rame est à quai à une station de métro, les passagers peuvent évacuer la rame très rapidement. Le commutateur 26 bascule l'alimentation du circuit basse tension 20 automatiquement vers l'alimentation électrique de secours 14. Le conducteur ne commande pas le basculement de l'alimentation électrique de la chaîne de traction 10 vers l'alimentation électrique de secours 14. Si la rame se trouve entre deux stations au moment où la perte de l'alimentation électrique principale se produit, le commutateur 26 bascule automatiquement l'alimentation du circuit basse tension 20 vers l'alimentation électrique de secours 14. Si l'alimentation électrique principale revient rapidement, la rame de métro repart normalement. En revanche, si la perte de cette alimentation se prolonge au-delà d'une durée prédéterminée, par exemple dix minutes, le conducteur commande alors le basculement de l'alimentation de la chaîne de traction vers l'alimentation électrique de secours 14. La rame se déplace alors à petite vitesse, quelques kilomètres/heure, jusqu'à la station de métro suivante en utilisant l'énergie des batteries de l'alimentation électrique de secours 14. Les passagers sont évacués normalement, par les quais, à la station de métro. On comprend donc bien que la rame de métro décrite ci-dessus pré-sente de multiples avantages. L'utilisation de batteries dimensionnées comme indiquée ci-dessus pour alimenter en secours la chaîne de traction de la rame de métro en cas de perte de l'alimentation électrique principale permet de diminuer le nombre de cas où il est nécessaire d'évacuer les passagers par la voie. En effet, la rame de métro est capable de rallier de manière autonome la station de métro suivante, en utilisant l'énergie électrique stockée dans les batteries. Les passagers sont évacués par les quais à la station de métro, mais pas par la voie. L'encombrement des batteries est modéré, et leur poids est égale-ment modéré. Le coût total de l'alimentation électrique de secours et du commutateur permettant de basculer la chaîne de traction vers l'alimentation de se- cours est faible au regard du coût total de la rame. Par ailleurs, ces batteries assurent la fonction d'alimentation des auxiliaires de secours et la fonction d'alimentation de secours de la chaîne de traction en cas de besoin. Les batteries ne sont donc pas un équipement supplémentaire à intégrer dans le train. Il est possible d'utiliser d'autres types de batterie que des batteries Ni-MH, par exemple des batteries Nickel-Cadmium, Lithium-Ion ou gel plomb. Actuellement les batteries Ni-MH sont les plus adaptées à cette application du fait de leurs meilleures performances à masse égale ou de leur meilleur aboutissement industriel. L'utilisation de la technologie de batterie la plus performante est recommandée. Enfin, le dispositif d'alimentation de secours est facilement adaptable en fonction du poids de la rame et du profil de mission à satisfaire (pente, vitesse, distance), en modifiant le nombre de batteries (deux, trois, voire quatre ou plus) et en modifiant les caractéristiques des batteries, en particu- lier l'énergie électrique utile totale susceptible d'être fournie par ces batte-ries. Il est à noter que la rame de métro peut être équipée de plusieurs chaînes de traction, ayant chacune un moteur électrique. Dans ce cas, les batteries de l'alimentation de secours 14 peuvent être communes à tous les moteurs, ou au contraire, chaque moteur peut être associé à une ou plu-sieurs batteries qui lui sont spécifiques. En variante, seuls certains moteurs disposent d'une alimentation élec- trique de secours, d'autres en étant dépourvus. Par ailleurs, il est possible d'utiliser d'autres moyens de stockage d'énergie électrique à la place des batteries 14, par exemple un ensemble de super capacités 32 (figure 2) ou un jeu de piles thermiques 34 (figure 3). Dans ce cas, les auxiliaires de la rame ne sont pas alimentés en secours par les moyens de stockage d'énergie électrique dédiés à la chaîne de traction mais plutôt par un jeu de batteries 35 prévu à cet effet. Les super capacités 32 sont par exemple du type à charbon actif, ou de type à polymère conducteur, ou de type aux oxydes métalliques, ou de tout autre type adapté. Par ailleurs, les super capacités 32 sont électrique- ment reliées à la sortie basse tension 24 du convertisseur statique 22, si nécessaire, par l'intermédiaire d'un chargeur dédié. Les super capacités 32 sont ainsi constamment maintenues en charge. Les piles thermiques 34 sont dimensionnées pour fournir au moteur électrique une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins trois cents mètres à plat, de préférence d'au moins trois cents mètres avec une pente montante de 2 %, et encore de préférence d'au moins trois cents mètres avec une pente mon-tante de 5 %. Pour cela, il est nécessaire d'équiper la rame de 3 coffrets de piles thermiques délivrant ensemble une puissance de 100kW et une éner- gie de 18kWh afin de répondre au profil de mission ci-dessus. Les piles thermiques 34 sont par exemple chacune du type comprenant des pastilles solides d'électrolyte, des pastilles de lithium formant l'anode et un dispositif d'amorçage pyrotechnique ou électrique. Le dispositif d'amorçage est commandé par le conducteur de la rame et est apte à dé- clencher la fusion des pastilles d'électrolyte, ce qui provoque la génération de courant. REVENDICATIONS 1. Rame de métro comprenant au moins un moteur électrique (15) de traction de la rame présentant une entrée de puissance (16), et une alimentation électrique principale de puissance (12) du ou de chaque moteur (15), caractérisée en ce qu'elle comprend au moins des moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 34) et des moyens de commutation (18) pour sélectivement relier électriquement l'entrée de puissance (16) du ou de chaque moteur (15) à l'alimentation électrique principale (12) ou aux moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 34), les moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 34) étant dimensionnés pour fournir au ou aux moteurs électriques (15) une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins 300 mètres à plat, en étant initialement à l'arrêt. 2. Rame de métro selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 24) sont dimensionnés pour fournir au ou aux moteurs électriques (15) une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins 300 mètres avec une pente montante de 2% en étant initialement à l'arrêt. 3. Rame de métro selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 34) sont dimensionnés pour fournir au ou aux moteurs électriques (15) une énergie électrique utile totale suffisante pour propulser la rame de métro sur une distance d'au moins 300 mètres avec une pente montante d'au moins 5% en étant initialement à l'arrêt. 4. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 34) sont dimensionnés pour fournir une énergie électrique utile totale supérieure à 12 kWh. 5. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32, 34) sont dimensionnés pour fournir une puissance électrique continue totale supérieure à 20 kW. 6. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent au moins une batterie (14). 7. Rame de métro selon la revendication 6, caractérisée en ce que la ou chaque batterie (14) est de type Nickel Métal Hydrure, ou Lithium Ion (Li-Ion), ou plomb gel, ou Nickel Cadmium. 8. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent au moins une super capacité (32). 9. Rame de métro selon la revendication 8, caractérisée en ce que la ou chaque super capacité (32) est de type à charbon actif, ou à polymère conducteur, ou aux oxydes métalliques. 10. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que les moyens de stockage d'énergie électrique comprennent au moins une pile thermique (34). 11. Rame de métro selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (26) pour alimenter au moins certains équipements auxiliaires de la rame en secours à partir de la ou des batteries (14). 12. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un convertisseur statique (22) relié électriquement d'une part à l'alimentation électrique principale (12) et d'autre part aux moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32), et susceptible de convertir le courant électrique fourni par l'alimentation électrique principale (12) en un courant de charge des moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32). 13. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un équipement spécifique (30) apte à recharger les moyens de stockage d'énergie électrique (14, 32). 14. Rame de métro selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de commande des moyens de commutation (18) situés dans la cabine de pilotage de la rame.