Brevet FR2924990A1 — publié le 20090619

Système d'alimentation pour véhicule à traction électrique à stockage d'énergie embarqué La présente invention concerne un second perfectionnement relatif à un système d'alimentation en énergie électrique pour véhicule à traction électrique à stockage d'énergie embarqué, tel que défini par la demande de brevet WO 2005/082666. 10 On connaît par la demande précitée un système d'alimentation en énergie électrique à très basse tension pour véhicule à traction électrique à stockage d'énergie embarqué. 15 Dans ce système d'alimentation, le courant qui circule dans les rails d'alimentation du véhicule peut atteindre plusieurs milliers d'ampères. En cas de perte de contact entre un patin collecteur de courant et son rail d'alimentation, par exemple lors de la traversée 20 d'une zone sans alimentation, il peut se produire un arc électrique susceptible d'endommager le patin collecteur de courant et son rail d'alimentation. 25 Le but de la présente invention est d'éviter dans un tel système la formation d'arcs électriques au niveau du couple collecteur de courant/ rail d'alimentation. Il est proposé à cet effet un second perfectionnement relatif au système d'alimentation pour véhicule à 30 traction électrique à stockage d'énergie embarqué précité afin de contribuer à éviter les dits inconvénients. Ce second perfectionnement peut en outre se combiner avantageusement avec le premier perfectionnement (FR 0605793) de la 35 demande précitée conduisant à un système d'alimentation électrique pour véhicule à stockage d'énergie embarqué avantageux tant au niveau de la mise en oeuvre que de l'efficacité énergétique. Ce nouveau système d'alimentation est applicable aux lignes de transport de type tramway ou trolleybus ou analogue. 40 L'invention concerne un système d'alimentation électrique d'au moins un véhicule circulant sur une voie et comprenant : - au moins deux moyens d'alimentation électrique, - au moins deux éléments de rails d'alimentation électrique discontinus ou éléments d'alimentation électriques analogues parallèles entre eux, contigus ou distants, dont les premiers sont reliés respectivement à une borne des moyens d'alimentation électrique et les seconds sont reliés à une autre borne desdits moyens d'alimentation électrique à travers leur élément de commutation électrique respectif, to - au moins une zone hors alimentation - au moins un premier moyen collecteur d'énergie électrique embarqué dans le véhicule, - au moins un second moyen collecteur d'énergie électrique également embarqué dans le véhicule, 15 - au moins une chaîne de traction dudit véhicule agissant sur les roues et comprenant de façon connue en soi au moins un moteur électrique et sa commande, - au moins un moyen de stockage d'énergie électrique embarqué dans le véhicule, 20 - au moins une alimentation électrique embarquée reliée audits moyens collecteurs d'énergie électrique, et qui est connectée d'une part audit moyen de stockage et d'autre part à ladite chaîne de traction, étant précisé que le moyen d'alimentation électrique embarqué est alimenté par un des moyens d'alimentation électrique et/ou le moyen 25 de stockage par la commande d'un calculateur lorsque le moyen collecteur d'énergie se trouve au dessus d'un élément de rail d'alimentation et par le moyen de stockage d'énergie quand le moyen collecteur se trouve au dessus d'une zone hors alimentation, ledit système étant caractérisé en ce que le moyen 30 d'alimentation embarqué est apte à piloter au moyen du calculateur la distribution d'énergie entre la chaîne de traction, le moyen de stockage et une alimentation électrique par le sol, intermittente en raison du mouvement du véhicule le long de la voie, provenant d'alimentations électrique et que ledit système comporte au moins un moyen de 35 protection pour éviter qu'un arc électrique endommage lesdits éléments de rails et/ ou le moyen collecteur d'énergie électrique lorsque le moyen collecteur quitte un élément de rail d'alimentation électrique. L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'exemples de réalisation non limitatifs et en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 représente un schéma fonctionnel d'un exemple de 5 mise en oeuvre du système d'alimentation a proximité d'une voie de circulation pour un véhicule sur pneus ; la figure 2 représente un exemple de réalisation du moyen détecteur d'une extrémité d'un élément de rail d'alimentation ; la figure 3 représente un schéma détaillé d'un exemple de mise en oeuvre du système d'alimentation dans un véhicule ; la figure 4 représente un schéma fonctionnel d'un exemple de 15 mise en oeuvre du système d'alimentation pour l'infrastructure de la voie d'un véhicule de type tramway ; La figure 1 représente un mode de réalisation où le véhicule (30) est un 20 véhicule sur pneus (31) circulant sur une voie (20) et prenant son alimentation par des éléments de rails d'alimentation électrique (41,42) reliés à un moyen d'alimentation (10) susceptible de fournir de l'énergie électrique aux éléments de rails (41,42) si le commutateur (11) est fermé et d'interrompre la fourniture d'énergie quand ledit commutateur est 25 ouvert. Le commutateur (11) est conçu spécialement pour couper de forts courants continu ou alternatif en toute sécurité. Le fonctionnement est le suivant : lorsqu'un véhicule (30) est détecté, de préférence de façon sécurisée, au dessus d'un élément de rail 30 d'alimentation électrique (42), le moyen de protection (40) ferme le commutateur (11) pour alimenter (41, 42). Tant que les moyens collecteurs de courant (51,52) sont respectivement en contact avec (41,42) le moyen d'alimentation embarqué (80) peut prendre de l'énergie du moyen d'alimentation (10) au sol si le commutateur (11) est fermé et 35 si le moyen d'alimentation (10) fonctionne. Le calculateur (85) pilote la distribution d'énergie pour diriger le courant venant de (10) par exemple vers la chaîne de traction (70) si celle-ci demande de l'énergie en plus de to celle susceptible d'être fournie par le moyen de stockage (60) ou par exemple le calculateur (85) dirige principalement le courant venant de (10) vers le moyen de stockage (60) si la demande en énergie de traction est faible voir nulle en cas de véhicule à l'arrêt. Le véhicule (30) se déplaçant sur la voie (20), il va arriver que les moyens collecteurs de courant (51,52) quittent respectivement leur élément de rail d'alimentation (41,42). Si aucune précaution n'est prise, il va s'en suivre au moment du décrochage la formation d'un arc électrique susceptible d'endommager les moyens collecteur de courant (51, 52) et/ou les éléments de rail (41,42). Un moyen détecteur (45) placé en fin de rail (42) a pour objet d'informer, à travers une liaison (46), le moyen de protection (40) que le moyen collecteur (52) va quitter de façon imminente le rail (42) afin que ce dernier coupe le courant de (10) en agissant, par une liaison (48), sur le commutateur (11) avant que ledit moyen collecteur (52) ne quitte effectivement ledit rail (42). Une fois le courant coupé, ledit moyen collecteur (52) peut quitter ledit rail (42) en toute sécurité. La figure 2 montre à titre d'exemple un mode de réalisation du moyen détecteur (45). Ce dernier comporte ici un élément de rail de petite longueur (42d) vis-à-vis du rail (42), contigu et électriquement isolé de celui-ci de telle sorte que lorsque le moyen collecteur (52) arrivera vers l'extrémité dudit rail (42), il établira une continuité électrique entre ledit rail (42) et ledit élément de petite longueur (42d) perceptible au niveau des liaisons électriques (46) et (47). Quand le moyen de protection (40) détecte une continuité électrique entre la liaison (46) et la liaison (47) c'est que ledit moyen collecteur (52) arrive à une extrémité dudit rail (42). Le moyen de protection (40) agit par une liaison (48) sur le commutateur (11) pour couper rapidement le courant venant du moyen d'alimentation (10) avant que ledit moyen collecteur (52) ait quitté ledit rail (42) et prévenir ainsi la formation d'un arc électrique entre eux susceptible de les endommager. La longueur du moyen collecteur (52) et celle du petit élément de rail détecteur (42d) sont ajustées en fonction du temps de réponse du moyen de protection (40) pour fonctionner dans tous les cas, y compris celui où le véhicule avance à la vitesse maximale autorisée. Après avoir quitté un élément de rail d'alimentation (42) en toute sécurité, le moyen collecteur de courant (52) se retrouve dans une zone hors alimentation électrique (44'). Le véhicule (30) avance alors en pure autonomie grâce à son moyen de stockage d'énergie (60) contrôlé par le calculateur de gestion de l'énergie (85). De préférence les zones hors alimentation (44, 44',...) sont réalisées en plusieurs éléments indépendants avec du rail analogue à audit rail (42) et non alimenté de façon à ce que ledit collecteur de courant (52) rencontre toujours sensiblement les mêmes matériaux sur son passage. La figure 3 représente un schéma détaillé d'un exemple de mise en oeuvre du système d'alimentation au niveau d'un véhicule sur rails. Le véhicule (30) circule sur deux rails de roulement (21, 22) d'une voie de circulation (20) dont au moins un rail (21) sert au retour du courant du collecteur de courant (51) de façon analogue au rail (41). Le collecteur de courant (52) prélève par intermittence du courant quand il est au dessus d'un élément de rail conducteur (42, 42',...), le véhicule étant en pure autonomie quand il est au dessus d'éléments non alimentés (44, 44',...). Le moyen de protection embarqué (50) agit de façon analogue à celui à proximité de la voie (40). Un moyen de détection (55), par exemple un capteur électrique, est disposé sur le moyen collecteur (52). Quand celui-ci est en contact avec un élément de rail conducteur (42), il y a continuité électrique entre une liaison 56 et une liaison (57). Quand ledit moyen collecteur (52) commence à quitter ledit rail (42), il y a interruption de la continuité électrique. Le moyen de protection (50) informe par une liaison (58) le calculateur (85) afin que celui-ci coupe le courant au niveau du convertisseur (81) avant que ledit moyen collecteur (52) n'ait complètement quitté ledit rail (42). La longueur dudit collecteur (52) est ajustée selon le temps de réponse de moyen de protection (50) pour fonctionner dans tous les cas, y compris celui où le véhicule avance à la vitesse maximale autorisée. Une autre façon de réaliser le moyen de détection (55) est d'utiliser un codeur incrémental qui donne par comptage d'impulsion une information de position du véhicule (30) le long de la voie (20) par rapport aux éléments de rails (42, 42',...) de telle sorte que sur information d'une arrivée imminente de (52) en fin rail (42), de sorte que le moyen de protection (50) informe, par un liaison (58), le calculateur (85) pour qu'il coupe le courant du convertisseur (81) avant que avant que ledit moyen collecteur (52) n'ait totalement quitté ledit rail (42) afin de prévenir la formation d'un arc électrique. Il est possible de mettre en oeuvre pour la même application les 2 moyens de protection (40) et (50) ensemble en double sécurité ou non. La figure 4 représente un schéma fonctionnel d'un exemple de 15 mise en oeuvre du système d'alimentation au niveau de l'infrastructure de la voie de circulation pour un véhicule de type tramway ; On connaît dans la technique un dispositif d'alimentation par le sol (FR2762810) de segments de longueurs inférieurs à la moitié de la 20 longueur du véhicule alimentés par une tension de 750V. Afin de protéger les piétons contre les risques d'électrocution il est nécessaire d'alimenter lesdits segments uniquement quand ceux-cis sont sous le véhicule ce qui implique de disposer d'une série d'alimentations commutables selon une chaîne de propagation. Il s'ensuit une grande 25 complexité de mise en oeuvre tant du point de vue de la fiabilité sécuritaire que de la disponibilité opérationnelle du système. Nous proposons une alternative au système précité par la réduction au strict minimum du nombre des segments ou éléments de 30 rails d'alimentation (42, 42', 42", ...) qui sont avantageusement disposés au mieux en fonction du profil en long de la voie de circulation. Le système selon l'invention permet de tirer un avantage du fait que le besoin énergétique d'un véhicule est moindre en cas de profil plat ou en pente que pour une rampe à monter. 35 Dans le premier cas (figure 4b) les éléments de rails d'alimentation peuvent être relativement espacés en raison d'un besoin en énergie moindre que pour le second cas (figure 4a) de zones de rampes à monter où lesdits éléments de rails d'alimentation seront plus rapprochés pour répondre à un besoin énergétique du véhicule (30) plus conséquent. Les zones de rampes étant généralement plutôt ponctuelles et les zones de plat ou quasi plat plutôt majoritaire sur une ligne, il en résulte une réduction très sensible du nombre d'éléments de rails d'alimentation (42,42',...) nécessaires au bon fonctionnement du véhicule (30). Cette réduction du nombre d'éléments va se traduire par une simplification de la mise en oeuvre et une réduction substantielle de son coût. De surcroit, si les éléments de rails d'alimentation (42,42',42",...) sont pris de longueur inférieure à la longueur du véhicule et la longueur des zones hors alimentation (44,44',44",...) toujours supérieure à la longueur du moyen collecteur de courant (52), la sécurité électrique peut être assurée en alimentant un élément de rail seulement lorsqu'il est recouvert par le véhicule. Il devient alors possible d'utiliser avantageusement une tension d'alimentation de valeur variable, de nature alternative ou continue, par exemple le traditionnel 750V continu, du 400V triphasé pris sur le réseau domestique, du 220V monophasé du réseau domestique, ou toute autre tension qui serait pertinente à utiliser. Dans le système selon l'invention, l'utilisation d'un moyen d'alimentation (10) délivrant une tension alternative peut être pertinente. Par nature le courant alternatif s'annule périodiquement et donc un arc électrique qui viendrait à se former finirait par s'éteindre automatiquement. Si le moyen d'alimentation (10) est pris directement sur le réseau domestique (voir FR 0605793) il est réduit à une plus simple expression : une simple connexion électrique sur le réseau domestique, par exemple du 220V-240V monophasé. Les véhicules électriques alimentés par le système selon 35 l'invention sont de type bus électriques alimentés par le sol ou des véhicules à rames de type tramways. Une autre application du système selon l'invention concerne les trolleybus alimentés habituellement par des perches, disposées sur le toit du véhicule et munies de collecteur de courant en contact avec des lignes aériennes de contact elles même reliées à une alimentation électrique. Selon l'invention, la traditionnelle ligne aérienne de contact conductrice de façon continue de bout en bout est avantageusement remplacée par alternativement des éléments de ligne conducteurs (41,42,41',42',...) puis par des éléments de ligne isolant de préférence transparents (43,44,43',44',...). Lesdits éléments conducteurs (41,42,41',42',...) sont destinés à être installés de préférence à titre d'exemple sur des parcours bordés d'arbres là où la gêne esthétique liée aux lignes aériennes est sensiblement moindre et par lesdits éléments isolant de préférence transparent (43,44,43',44',...) à titre d'exemple en nylon, de préférence et à titre d'exemple aux carrefours, là où l'impact visuel de la ligne aérienne est le plus critique. Les éléments isolants transparents peuvent comporter une âme métallique pour augmenter leur solidité. Le moyen de protection embarqué (50) peut être appliqué sur les collecteurs de courant des perches d'alimentation comme ce qui a été décrit précédemment ou de façon analogue. Le moyen de protection fixe (40) peut être appliqué sur les lignes aériennes de contact en comportant un élément servant à détecter la fin 25 d'un élément conducteur comme décrit précédemment ou de façon analogue. De la sorte la continuité mécanique de la ligne aérienne est assurée ce qui permet de conserver le guidage mécanique des perches 30 d'alimentations le long du parcours de façon traditionnelle. En revanche, la discontinuité électrique permet de réduire la gêne visuelle par l'utilisation d'un matériau transparent et généralement isolant aux endroits sensibles comme les carrefours et contribuer ainsi à une meilleure insertion du véhicule électrique capacitif dans la ville. 35 REVENDICATIONS 1. Système d'alimentation électrique d'au moins un véhicule (30) circulant sur une voie (20) et comprenant : - au moins deux moyens d'alimentation électrique (10,10',...), - au moins deux éléments de rails d'alimentation électrique discontinus ou éléments d'alimentation électriques analogues parallèles entre eux, contigus ou distants, dont les premiers (41,41',...) sont reliés respectivement à une borne des moyens d'alimentation électrique Io (10,10',...) et les seconds (42,42',...) sont reliés à une autre borne desdits moyens d'alimentation électrique (10,10',...) à travers leur élément de commutation électrique respectif (11,11',...), -au moins une zone hors alimentation (43,44,43',44',...) - au moins un premier moyen collecteur d'énergie électrique (51) Is embarqué dans le véhicule (30), - au moins un second moyen collecteur d'énergie électrique (52) également embarqué dans le véhicule (30), - au moins une chaîne de traction (70) dudit véhicule (30) agissant sur les roues (31) et comprenant de façon connue en soi au moins un 20 moteur électrique et sa commande, - au moins un moyen de stockage d'énergie électrique (60) embarqué dans le véhicule (30), - au moins une alimentation électrique embarquée (80) reliée audits moyens collecteurs d'énergie électrique (51, 52), et qui est 25 connectée d'une part audit moyen de stockage (60) et d'autre part à ladite chaîne de traction (70), étant précisé que le moyen d'alimentation électrique embarqué (80) est alimenté par un des moyens d'alimentation électrique (10,10',...) et/ou le moyen de stockage (60) par la commande d'un calculateur (83) lorsque le moyen collecteur d'énergie (52) se trouve 30 au dessus d'un élément de rail d'alimentation (42,42',...) et par le moyen de stockage d'énergie (60) quand le moyen collecteur (52) se trouve au dessus d'une zone hors alimentation (43,44,43',44',...), ledit système étant caractérisé en ce que le moyen d'alimentation embarqué (80) est apte à piloter au moyen du calculateur 35 (85) la distribution d'énergie entre la chaîne de traction (70), le moyen de stockage (60) et une alimentation électrique par le sol, intermittente en raison du mouvement du véhicule (30) le long de la voie (20), 35provenant d'alimentations électrique (10,10',...) et que ledit système comporte au moins un moyen de protection (40) ou (50) pour éviter qu'un arc électrique endommage lesdits éléments de rails (42,42' ,...) et/ou le moyen collecteur d'énergie électrique (52) lorsque le moyen collecteur (52) quitte un élément de rail d'alimentation électrique (42,42',...). 2. Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de protection (40) est à proximité de la voie (20). i0 3. Système d'alimentation selon la revendication 1 et 2, caractérisé en ce que ledit moyen de protection (40) est constitué par un moyen de détection (45) apte à informer par une liaison (46) ledit moyen de protection (40) de la présence du moyen collecteur de courant (52) à 15 proximité dudit moyen de détection (45), lequel moyen de protection (40) et apte à agir par une liaison (48) sur un commutateur (11) en coupant le courant du moyen d'alimentation (10). 4. Système d'alimentation selon la revendication 1, caractérisé en 20 ce que ledit moyen de protection (50) est embarqué dans le véhicule (30). 5. Système d'alimentation selon la revendication 1 et 4, caractérisé en ce que ledit moyen de protection (50) est embarqué dans 25 le véhicule (30) et comprend un moyen de détection de fin de rail (55) relié par une liaison (56) au moyen de protection embarqué (50) apte à informer par une liaison (58) le calculateur (85) pour qu'il pilote le convertisseur (81) afin de couper le courant venant du collecteur de courant (52). 30 6. Système d'alimentation selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que le moyen de protection est réalisé par des moyens d'alimentation (10,10',...) de type courant alternatif dont l'intensité de courant s'annule périodiquement. 7. Système d'alimentation selon la revendication 1 à 3 caractérisé en ce qu'il est prévu pour chaque élément de rail d'alimentationélectrique (42, 42',...) au moins un moyen de détection de fin d'élément de rail d'alimentation électrique (45) de façon à ce que lorsque le moyen collecteur de courant (52) arrive au dessus dudit moyen de détection (45) ce dernier transmette par une liaison (46) une information au moyen de détection (40) pour que celui-ci coupe le courant électrique du moyen d'alimentation (10) en agissant par la liaison (48) sur le moyen de commutation (11) avant que ledit moyen collecteur de courant (52) ait quitté ledit élément de rail d'alimentation électrique (42) évitant ainsi la formation d'un arc électrique lorsque le moyen collecteur (52) quitte Io son élément de rail d'alimentation (42), le véhicule poursuivant son chemin en autonomie totale le long de la zone hors alimentation (44') jusqu'au prochain segment de rail d'alimentation électrique (421 et ainsi de suite. 15 8. Système d'alimentation selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit moyen de détection de fin d'élément de rail d'alimentation (45) est constitué par un élément de rail (42d) de petite longueur vis-à-vis du rail d'alimentation (42), contigu et électriquement isolé de celui-ci de telle sorte que lorsque le moyen collecteur de courant (52) arrivera en 20 fin de rail d'alimentation (42), ledit moyen collecteur (52) établira une continuité électrique entre ledit rail (42) et ledit petit élément de rail (42d) électriquement perceptible entre une liaison (46) et une liaison(47) indiquant au moyen de détection (40) d'agir sur un moyen de commutation (11) pour couper le courant venant du moyen 25 d'alimentation (10) et prévenir la formation d'un arc électrique entre ledit rail d'alimentation (42) et ledit moyen collecteur de courant (52). 9. Système selon la revendication 5 caractérisé en ce que le moyen détecteur (55) comprend un capteur électrique placé sur l'avant 30 du moyen collecteur de courant (52) de telle sorte que lorsque ledit moyen collecteur (52) recouvre entièrement un élément de rail d'alimentation (42), il y a continuité électrique entre une liaison (56) et une liaison (57) et, dès que l'avant dudit moyen collecteur (52) quitte ledit rail d'alimentation (42) il n'y a plus de continuité électrique entre 35 ladite liaison (56) et ladite liaison (57), de sorte que le moyen de protection (50) informe, par une liaison (58), le calculateur (85) pour qu'il coupe le courant du convertisseur (81) avant que ledit moyencollecteur (52) n'ait totalement quitté ledit rail (42) afin de prévenir la formation d'un arc électrique. 10. Système selon la revendication 5 caractérisé en ce que le moyen de détection (55) comprend un codeur apte à donner par des impulsions électriques une information relative à la position du véhicule (30) le long de la voie (20) par rapport aux éléments de rails (42, 42',...) de telle sorte que sur information d'une arrivée imminente du moyen collecteur (52) en fin de rails (42, 42',...) le moyen de protection (50) par une liaison (58) informe le calculateur (85) pour qu'il coupe le courant du convertisseur (81) avant que ledit moyen collecteur (52) n'ait totalement quitté le rail (42) afin de prévenir la formation d'un arc électrique entre ledit rail (42) et ledit moyen collecteur de courant (52) . 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les éléments de rails d'alimentation (42,42',...) sont de longueur inférieure à la longueur du véhicule (30) et la longueur des zones hors alimentation (44,44',...) est supérieure à la longueur du moyen collecteur de courant (52). 12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la tension du moyen d'alimentation est de valeur variable de nature alternative ou continue, par exemple du 750V continu, du 400V triphasé pris sur le réseau domestique, du 220V monophasé du réseau domestique. 13. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les véhicules sont de type bus électriques alimentés par le sol, ou trolleybus alimentés par des tronçons de lignes aériennes ou des véhicules à rames de type tramways.