Brevet FR3070804A1 — publié le 20190308

Module d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur, procédé d'alimentation, système de traction et véhicule associés La présente invention concerne un module d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur d'un véhicule électrique de transport. Elle concerne également un procédé d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur, un système de traction d'un véhicule électrique de transport et un véhicule électrique de transport associé. L'invention se situe dans le domaine de la traction de véhicule électrique et notamment de véhicules ferroviaires. Dans les dernières années ont été développés des véhicules électriques de transport adaptés à être alimentés par plusieurs sources d'alimentation, afin de fonctionner à la fois avec une alimentation électrique fournie par une voie électrifiée et avec une alimentation électrique autonome. Il existe des systèmes d'alimentation dits bi-mode, permettant d'alimenter un bloc moteur selon un premier mode d'alimentation électrique, par exemple par connexion à une caténaire, ou, sur commande, selon un deuxième mode d'alimentation électrique, par exemple en utilisant la puissance fournie par une source d'énergie autonome comme un moteur diesel. Un des problèmes rencontrés dans ce type de système d'alimentation à partir de plusieurs sources d'énergie électrique est la transition entre un premier mode d'alimentation et un deuxième mode d'alimentation. En effet pendant une durée de transition donnée, le niveau de puissance électrique fournie est, dans certains cas, quasiment égal à zéro, et des arrêts complets de fourniture de puissance électrique surviennent. En particulier, la transition entre une alimentation électrique par caténaire vers une alimentation électrique par une source autonome pose problème, du fait d'une latence de montée en puissance de la source autonome. L'invention a pour objectif de résoudre ce problème en permettant de maintenir la puissance électrique fournie au bloc moteur sensiblement constante pendant la transition entre deux modes d'alimentation. A cet effet, l'invention a pour objet un module d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur d'un véhicule électrique de transport, comprenant un premier bloc d'alimentation dudit bloc moteur, comprenant un premier convertisseur branché à une première source d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur selon un premier mode d'alimentation électrique, ledit premier convertisseur fournissant une première puissance électrique, et un deuxième bloc d'alimentation comprenant un deuxième convertisseur branché à une deuxième source d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur selon un deuxième mode d'alimentation électrique. 2 Le premier convertisseur et le deuxième convertisseur sont branchés en parallèle, le premier et deuxième convertisseur ayant une même tension de sortie. Le module d'alimentation comporte un module de contrôle adapté à: 5 - recevoir une commande de basculement entre un mode d'alimentation initial parmi ledit premier mode et ledit deuxième mode, et un mode d'alimentation final différent du mode d'alimentation initial, - commander ledit premier convertisseur pour faire varier progressivement la tension de sortie, pour réaliser une transition entre mode d'alimentation initial et le mode 10 d'alimentation final, et contrôler la première puissance fournie par ledit premier convertisseur pour maintenir une puissance électrique d'alimentation fournie au bloc moteur non nulle durant la transition. Avantageusement, le module d'alimentation proposé permet, grâce à l'utilisation du module de contrôle, de maintenir une puissance électrique fournie au bloc moteur. 15 Le module d'alimentation selon l'invention peut présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prises indépendamment ou dans toutes leurs combinaisons techniquement acceptables. Le premier bloc d'alimentation comporte un transformateur connecté à une caténaire, et le deuxième bloc d'alimentation comporte un moteur autonome connecté à 20 un alternateur. Lorsque le mode d'alimentation initial est le premier mode d'alimentation et le mode d'alimentation final est le deuxième mode d'alimentation, le module de contrôle est adapté à faire baisser progressivement ladite tension de sortie entre une valeur de tension maximale et une valeur minimale, et lorsque le mode d'alimentation initial est le 25 deuxième mode d'alimentation et le mode d'alimentation final est le premier mode d'alimentation, le module de contrôle est adapté à faire augmenter progressivement ladite tension entre une valeur minimale et une valeur de tension maximale. La variation progressive de tension est une variation linéaire. La variation progressive de tension est appliquée en fonction d'informations 30 préalablement mémorisées comportant une association entre une valeur de deuxième puissance fournie par le deuxième bloc d'alimentation et une valeur de tension en sortie du deuxième convertisseur. Le module de contrôle est adapté à déterminer une deuxième puissance fournie par le deuxième bloc d'alimentation en fonction de ladite tension en sortie du premier 35 convertisseur, et à contrôler ledit premier convertisseur pour fournir un complément de 3 puissance par rapport à ladite deuxième puissance pour maintenir une puissance électrique d'alimentation de valeur donnée. Le premier convertisseur est un convertisseur actif à quatre quadrants comportant des transistors de type IGBT. 5 La puissance électrique d'alimentation fournie au bloc moteur est sensiblement constante durant la transition. Selon un autre aspect, l'invention a pour objet un procédé d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur de véhicule électrique de transport, mis en oeuvre dans un module d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur d'un véhicule 10 électrique de transport, comprenant un premier bloc d'alimentation dudit bloc moteur, comprenant un premier convertisseur branché à une première source d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur selon un premier mode d'alimentation électrique, ledit premier convertisseur fournissant une première puissance électrique, et un deuxième bloc d'alimentation comprenant un deuxième convertisseur branché à une 15 deuxième source d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur selon un deuxième mode d'alimentation électrique, dans lequel le premier convertisseur et le deuxième convertisseur sont branchés en parallèle, le premier et deuxième convertisseur ayant une même tension de sortie. Le procédé est mis en oeuvre par un module de contrôle dudit module 20 d'alimentation et comporte des étapes consistant à: - recevoir une commande de basculement entre un mode d'alimentation initial parmi ledit premier mode et ledit deuxième mode, et un mode d'alimentation final différent du mode d'alimentation initial, - commander ledit premier convertisseur pour faire varier progressivement ladite 25 tension de sortie, pour réaliser une transition entre mode d'alimentation initial et le mode d'alimentation final, et contrôler la première puissance fournie par ledit premier convertisseur pour maintenir la puissance électrique d'alimentation fournie au bloc moteur étant non nulle durant la transition. Selon un mode de réalisation, la puissance électrique d'alimentation fournie au 30 bloc moteur est sensiblement constante durant la transition. L'invention a également pour objet un système de traction pour un véhicule électrique de transport, comportant un bloc moteur branché à un module d'alimentation tel que défini ci-dessus. Enfin, l'invention concerne également un véhicule électrique de transport 35 comprenant un système de traction tel que brièvement défini ci-dessus. 4 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre schématiquement un système de traction de véhicule électrique 5 de transport selon un mode de réalisation ; - la figure 2 est un exemple de chronogramme de fonctionnement illustrant la puissance fournie au bloc moteur en fonction du temps. La figure 1 illustre schématiquement un système de traction 10 d'un véhicule 10 électrique, notamment d'un véhicule ferroviaire qui n'est pas représenté. Le système de traction 10 est adapté à être connecté à une caténaire 12 et comprend un bloc moteur 14. La caténaire 12 est une première source d'alimentation électrique pour le véhicule ferroviaire, et délivre par exemple un courant alternatif monophasé. 15 Le bloc moteur 14 comprend par exemple un ou des onduleurs et un ou des moteurs électriques non représentés, l'onduleur étant branché entre les blocs d'alimentation décrits ci-après et le moteur électrique, et étant adapté à transformer la puissance électrique continue en puissance électrique triphasée. Le bloc moteur peut également comprendre un convertisseur supplémentaire destiné à alimenter des charges 20 auxiliaires (groupe de refroidissement, éclairage, chargeur batterie, compresseur). Les éléments du bloc moteur 14 peuvent être situés physiquement à l'intérieur d'un coffre, ou bien ils peuvent être séparés et connectés entre eux par des branchements électriques. Le système de traction 10 comprend un module d'alimentation électrique 16 25 propre à fournir une puissance électrique au bloc moteur 14 sur un bus de transmission de tension continue 15. Le module d'alimentation électrique 16 comprend un premier bloc d'alimentation 20. Le premier bloc d'alimentation 20 comporte un transformateur 22, dont un circuit 30 primaire 22A est connecté à la caténaire 12. Un premier circuit secondaire 22B du transformateur 22, faisant partie du premier bloc d'alimentation 20, est connecté à un premier convertisseur 24, qui est un convertisseur de puissance électrique alternative vers une puissance continue, ou convertisseur AC/DC. Le premier convertisseur 24 est un convertisseur quatre quadrants comprenant sur 35 chacune de ses branches un ensemble transistor-diode 24a, 24b, 24c, 24d, de préférence un transistor IGBT (de l'anglais Insulated-Gate Bipolar Transistor). 5 Le premier bloc d'alimentation 20 comporte en outre un condensateur de stockage 26. Un interrupteur 28 est branché entre le premier circuit secondaire 22B du transformateur 22 et le premier convertisseur 24. 5 Lorsque le premier bloc d'alimentation 20 est connecté pour alimenter en puissance électrique le bloc moteur 14, le module d'alimentation 16 fonctionne selon un premier mode d'alimentation électrique. Le module d'alimentation électrique 16 comprend également un deuxième bloc d'alimentation 30. 10 Le deuxième bloc d'alimentation 30 comporte une deuxième source d'alimentation électrique 32, qui est une source autonome. Dans le mode de réalisation illustré à la figure 1, la deuxième source d'alimentation 32 comporte un moteur diesel 34 branché à un alternateur 36, et délivrant un courant alternatif triphasé. 15 La deuxième source d'alimentation est branchée en sortie à un deuxième convertisseur 40, éventuellement à travers un bloc d'interrupteurs 38. Dans le mode de réalisation illustré, le deuxième convertisseur 40 est également connecté à un deuxième circuit secondaire 220 du transformateur 22, via un interrupteur 42. 20 Le deuxième convertisseur 40 est formé, dans le mode de réalisation de la figure 1, par un ensemble de commutateurs 40a à 40f, réalisés par des transistors de type IGBT, montés selon une architecture de pont triphasé. En variantes, le deuxième convertisseur est formé par un pont de diodes triphasé. Dans une variante, le pont de diodes triphasé n'est pas branché au transformateur 22. 25 Le deuxième bloc d'alimentation 30 comporte en outre un condensateur de stockage 44. La sortie du deuxième convertisseur 40 est branchée en parallèle à la sortie du premier convertisseur 24, sur le bus de transmission de tension continue 15. Ainsi le premier convertisseur 24 et deuxième convertisseur 40 ont une même tension de sortie. 30 Lorsque le deuxième bloc d'alimentation 30 est connecté pour alimenter en puissance électrique le bloc moteur 14, le module d'alimentation fonctionne selon un deuxième mode d'alimentation électrique. En fonctionnement nominal, le bloc moteur 14 du véhicule électrique est alimenté soit selon le premier mode d'alimentation électrique, soit selon le deuxième mode 35 d'alimentation électrique. 6 Sur commande du conducteur du véhicule électrique, il est possible de changer de mode d'alimentation électrique. Le module d'alimentation bascule alors du mode d'alimentation électrique en cours, appelé également mode d'alimentation initial, à un mode d'alimentation final, 5 durant une phase de transition. Le mode d'alimentation initial est l'un des modes d'alimentation électrique parmi le premier mode d'alimentation électrique et le deuxième mode d'alimentation électrique. Le mode d'alimentation final est l'autre mode d'alimentation électrique parmi le premier mode d'alimentation électrique et le deuxième mode d'alimentation électrique. 10 Ainsi, en pratique, durant la phase de transition il est possible de passer de l'alimentation électrique par la première source d'alimentation vers la deuxième source d'alimentation, et vice-versa. Durant la phase de transition, les deux modes d'alimentation électrique sont actifs en même temps, ou, en d'autres termes, le premier bloc d'alimentation 20 et le deuxième 15 bloc d'alimentation 30 fournissent respectivement une première puissance électrique et une deuxième puissance électrique, la somme de la première puissance électrique et de la deuxième puissance électrique étant égale à la puissance électrique fournie au bloc moteur 14. La fourniture de puissance électrique durant la phase de transition est 20 avantageusement contrôlée par un module de contrôle 50 qui commande le premier convertisseur 24. Le module de contrôle 50 est par exemple un calculateur électronique ou une carte électronique programmable. Le module de contrôle 50 reçoit en entrée des informations de courant d'un premier capteur de courant 52, branché en entrée du premier convertisseur 24, et de 25 tension d'une unité de mesure 54 adaptée à mesurer la tension continue fournie en sortie des premier et deuxième blocs d'alimentation. Le module de contrôle 50 est adapté à recevoir une commande de basculement entre un mode d'alimentation initial parmi ledit premier mode et ledit deuxième mode, et un mode d'alimentation final différent du mode d'alimentation initial. 30 Une telle commande de basculement est par exemple transmise, de manière connue, par un signal approprié suite à une action du conducteur du véhicule, ou plus généralement d'un système de supervision du véhicule dans le cas d'un véhicule sans conducteur à bord. Le module de contrôle est adapté à mettre en oeuvre la phase de transition en 35 faisant varier progressivement la tension V en sortie du premier convertisseur 24. 7 La tension de sortie du deuxième convertisseur 40 est égale à la tension de sortie du premier convertisseur 24, les deux sorties étant liées par le bus de transmission 15. La variation de tension V est une variation décroissante entre une valeur de tension maximale V'x et une valeur minimale V,,,, strictement inférieure à V'x, lorsqu'il 5 s'agit de basculer du premier mode d'alimentation par le premier bloc d'alimentation 20 vers le deuxième mode d'alimentation par le deuxième bloc d'alimentation 30. Dans un exemple de réalisation, la valeur de tension maximale V'x est comprise entre 1600V et 1800V, et la valeur de tension minimale V,,, est comprise entre 1000V et 1400V. 10 Dans un autre exemple de réalisation, la valeur de tension maximale V'x est égale à 3600V, et la valeur de tension minimale V,,, est égale à 3000V. La variation de tension V est une variation croissante entre une valeur minimale V,,, et une valeur de tension maximale V'x lorsqu'il s'agit de basculer du deuxième mode d'alimentation par le deuxième bloc d'alimentation 30 vers le premier mode d'alimentation 15 par le premier bloc d'alimentation 20. La variation de la tension V en sortie du deuxième bloc d'alimentation 30 entraîne une modification de la puissance électrique fournie par le deuxième bloc d'alimentation 30. En effet, le deuxième bloc d'alimentation 30 forme un générateur de puissance 20 électrique passif, la tension de sortie étant liée à la deuxième puissance électrique fournie par une relation prédéterminée. Dans le mode de réalisation préféré dans lequel la deuxième source d'alimentation électrique est un moteur diesel branché à un alternateur, la tension de sortie du deuxième bloc d'alimentation 30 varie selon une droite décroissante en fonction de la deuxième 25 puissance fournie par le deuxième bloc d'alimentation. Par exemple, le module de contrôle 50 mémorise les valeurs V,,, et V'x et la durée de la transition. Dans une variante, le module de contrôle 50 mémorise des informations relatives à la relation entre la tension de sortie du deuxième bloc d'alimentation et la deuxième 30 puissance fournie. Le module de contrôle 50 est adapté à faire varier linéairement la tension de sortie du premier convertisseur. En variante, une variation progressive monotone, qui n'est pas nécessairement linéaire, est appliquée. 35 Le module de contrôle 50 est adapté, suite à la réception de la commande de basculement de mode d'alimentation, à contrôler la puissance de sortie du deuxième 8 convertisseur pour la faire varier progressivement, à la hausse ou à la baisse selon le basculement commandé, via le contrôle de la tension de sortie de ce deuxième convertisseur, égale à la tension de sortie du premier convertisseur. Le module de contrôle 50 est également adapté à définir le complément de puissance à fournir par le 5 premier bloc d'alimentation pour réaliser une puissance électrique d'alimentation totale fournie au bloc moteur 14 sensiblement constante durant toute la phase de transition. En effet, le premier convertisseur 24 du premier bloc d'alimentation 20 est un convertisseur actif, et il est possible de réguler sa tension de sortie indépendamment de la puissance consommée. 10 Avantageusement, grâce à ce module d'alimentation, la puissance totale fournie au bloc moteur est sensiblement constante durant la phase de transition, comme illustré schématiquement à la figure 2. Sur cette figure on a illustré schématiquement un premier chronogramme G1 représentant la première puissance P1 fournie par la première source au cours du temps, 15 et un deuxième chronogramme G2 représentant la deuxième puissance P2 fournie par la deuxième source au cours du temps. Les unités de puissance et de temps respectives ne sont pas indiquées car il s'agit de représentations schématiques. Dans une première phase nominale correspondant au mode diesel dans cet exemple, la puissance électrique d'alimentation P'x est fournie par la deuxième source. 20 Durant la phase de transition « Transition », la première puissance P1 augmente linéairement, tandis que la deuxième puissance P2 diminue linéairement la somme des deux puissances étant maintenue sensiblement égale à P'x. Durant une deuxième phase nominale correspondant au mode d'alimentation par la caténaire, la puissance électrique d'alimentation P'x est fournie par la première 25 source, selon le premier mode d'alimentation. Il est à noter que l'exemple de la figure 2 illustre une transition entre le mode diesel et le mode d'alimentation électrique, mais qu'une transition analogue est effectuée entre le mode d'alimentation diesel et le mode d'alimentation électrique. L'invention a été décrite ci-dessus dans un mode de réalisation préféré dans 30 lequel la puissance électrique fournie au bloc moteur est maintenue sensiblement constante durant la phase de transition. Selon une variante, la puissance électrique fournie au bloc moteur est sensiblement constante mais inférieure à la puissance électrique fournie par la première ou par la deuxième source d'alimentation. 35 Selon une autre variante, une puissance électrique variable, non nulle, peut être fournie au bloc moteur 14 durant la transition. La puissance électrique fournie est non 9 nulle et de préférence supérieure à une valeur de seuil minimal de puissance de l'ordre de quelques dizaines de kWatts, par exemple comprise entre 10 et 100 kWatt. Par exemple, REVENDICATIONS1.- Module (16) d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur (14) d'un véhicule électrique de transport, comprenant un premier bloc d'alimentation (20) dudit bloc moteur (14), comprenant un premier convertisseur (24) branché à une première source (12) d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur (14) selon un premier mode d'alimentation électrique, ledit premier convertisseur fournissant une première puissance électrique, et un deuxième bloc d'alimentation (30) comprenant un deuxième convertisseur (40) branché à une deuxième source (32) d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur (14) selon un deuxième mode d'alimentation électrique, caractérisé en ce que le premier convertisseur (24) et le deuxième convertisseur (40) sont branchés en parallèle, le premier et deuxième convertisseur ayant une même tension de sortie, et en ce qu'il comporte un module de contrôle (50) adapté à: - recevoir une commande de basculement entre un mode d'alimentation initial parmi ledit premier mode et ledit deuxième mode, et un mode d'alimentation final différent du mode d'alimentation initial, - commander ledit premier convertisseur pour faire varier progressivement la tension de sortie, pour réaliser une transition entre mode d'alimentation initial et le mode d'alimentation final, et contrôler la première puissance fournie par ledit premier convertisseur pour maintenir une puissance électrique d'alimentation fournie au bloc moteur non nulle durant la transition. 2.- Module selon la revendication 1, dans lequel le premier bloc d'alimentation (20) comporte un transformateur (22) connecté à une caténaire (12), et le deuxième bloc d'alimentation (30) comporte un moteur autonome (34) connecté à un alternateur (36). 3.- Module selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel, lorsque le mode d'alimentation initial est le premier mode d'alimentation et le mode d'alimentation final est le deuxième mode d'alimentation, le module de contrôle (50) est adapté à faire baisser progressivement ladite tension de sortie entre une valeur de tension maximale et une valeur minimale, et lorsque le mode d'alimentation initial est le deuxième mode d'alimentation et le mode d'alimentation final est le premier mode d'alimentation, le module de contrôle (50) est adapté à faire augmenter progressivement ladite tension entre une valeur minimale et une valeur de tension maximale. 11 4.- Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ladite variation progressive de tension est une variation linéaire. 5 5.- Module selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel ladite variation progressive de tension est appliquée en fonction d'informations préalablement mémorisées comportant une association entre une valeur de deuxième puissance fournie par le deuxième bloc d'alimentation (30) et une valeur de tension en sortie du deuxième convertisseur. 10 6.- Module selon la revendication 5, dans lequel le module de contrôle (50) est adapté à déterminer une deuxième puissance fournie par le deuxième bloc d'alimentation (30) en fonction de ladite tension en sortie du premier convertisseur (24), et à contrôler ledit premier convertisseur (24) pour fournir un complément de puissance par rapport à 15 ladite deuxième puissance pour maintenir une puissance électrique d'alimentation de valeur donnée. 7.- Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel ledit premier convertisseur (24) est un convertisseur actif à quatre quadrants comportant des 20 transistors (24a, 24b, 24c, 24d) de type IGBT. 8.- Module selon les revendications 1 à 7, dans lequel la puissance électrique d'alimentation fournie au bloc moteur est sensiblement constante durant la transition. 25 9.- Procédé d'alimentation en puissance électrique d'un bloc moteur d'un véhicule électrique de transport, mis en oeuvre dans un module d'alimentation (16) en puissance électrique d'un bloc moteur (14) d'un véhicule électrique de transport, comprenant un premier bloc d'alimentation (20) dudit bloc moteur (14), comprenant un premier convertisseur (24) branché à une première source (12) d'alimentation électrique, adapté à 30 alimenter ledit bloc moteur (14) selon un premier mode d'alimentation électrique, ledit premier convertisseur fournissant une première puissance électrique, et un deuxième bloc d'alimentation (30) comprenant un deuxième convertisseur (40) branché à une deuxième source (32) d'alimentation électrique, adapté à alimenter ledit bloc moteur (14) selon un deuxième mode d'alimentation électrique, dans lequel le 35 premier convertisseur (24) et le deuxième convertisseur (40) sont branchés en parallèle, le premier et deuxième convertisseur ayant une même tension de sortie, 12 le procédé étant caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre par un module de contrôle dudit module d'alimentation et comporte des étapes consistant à: - recevoir une commande de basculement entre un mode d'alimentation initial parmi ledit premier mode et ledit deuxième mode, et un mode d'alimentation final différent du 5 mode d'alimentation initial, - commander ledit premier convertisseur pour faire varier progressivement ladite tension de sortie, pour réaliser une transition entre mode d'alimentation initial et le mode d'alimentation final, et contrôler la première puissance fournie par ledit premier convertisseur (24) pour maintenir la puissance électrique d'alimentation fournie au bloc 10 moteur étant non nulle durant la transition. 10.- Procédé suivant la revendication 9, dans lequel la puissance électrique d'alimentation fournie au bloc moteur est sensiblement constante durant la transition. 15 11.- Système de traction (10) d'un véhicule électrique comprenant un bloc moteur (14) et un module d'alimentation (16) conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 8. 12.- Véhicule électrique comprenant un système de traction (10) conforme à la 20 revendication 11.