Brevet FR3065678A1 — publié le 20181102

SystÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire pour vÃ©hicule ferroviaire La prÃ©sente invention concerne un systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire destinÃ© Ã Ã©quiper un vÃ©hicule ferroviaire. L'invention concerne Ã©galement un vÃ©hicule ferroviaire Ã©quipÃ© du prÃ©cÃ©dent systÃ¨me d'alimentation. Les vÃ©hicules ferroviaires Ã©lectriques tirent gÃ©nÃ©ralement d'une source extÃ©rieure l'Ã©nergie nÃ©cessaire Ã leur propulsion et au fonctionnement des circuits secondaires, comme l'Ã©lectronique de contrÃ´le, l'Ã©clairage, ou la ventilation. L'Ã©nergie est par exemple fournie par un rÃ©seau Ã©lectrique de haute tension, Ã travers une catÃ©naire s'Ã©tendant au-dessus des voies, ou bien Ã travers un ou plusieurs rails Ã©lectrifiÃ©s situÃ©s entre les rails de roulement, selon les applications. Une premiÃ¨re partie de l'Ã©nergie dÃ©livrÃ©e par cette source extÃ©rieure est transmise au moteur par un convertisseur de puissance principal, et une autre partie est transmise aux circuits secondaires par un convertisseur de puissance secondaire. La source d'Ã©nergie extÃ©rieure n'est pas toujours disponible. Par exemple parce que le rÃ©seau est en panne, ou encore parce que le vÃ©hicule se trouve dans un lieu oÃ¹ le rÃ©seau n'est pas accessible. De maniÃ¨re Ã pallier ce cas, le vÃ©hicule est gÃ©nÃ©ralement muni d'un moteur secondaire, par exemple un moteur thermique, pour son dÃ©placement jusqu'au raccordement Ã la source d'Ã©nergie extÃ©rieure. Il est connu d'Ã©quiper les vÃ©hicules d'un systÃ¨me d'alimentation auxiliaire comprenant une batterie pouvant se substituer temporairement Ã la source d'Ã©nergie externe. La batterie assure alors le dÃ©marrage du moteur secondaire, ainsi que l'alimentation des fonctions secondaires, jusqu'au raccordement du vÃ©hicule Ã la source d'Ã©nergie extÃ©rieure. La batterie est rechargÃ©e une fois le vÃ©hicule raccordÃ© Ã la source d'Ã©nergie externe, soit en Ã©tant connectÃ©e directement Ã la source extÃ©rieure, soit Ã travers le convertisseur de puissance secondaire. Ces systÃ¨mes d'alimentation auxiliaire ne donnent pas entiÃ¨re satisfaction. En effet, le branchement d'une batterie pour sa recharge directement Ã la source d'Ã©nergie extÃ©rieure nÃ©cessite une isolation galvanique coÃ»teuse. Quant au branchement de la batterie Ã une sortie du convertisseur de puissance secondaire, il provoque des pertes importantes dues Ã une consommation permanente de la batterie, ce qui rÃ©duit l'efficacitÃ© Ã©nergÃ©tique du convertisseur de puissance. 3065678 2 De plus, une telle batterie se dÃ©charge naturellement au cours de longues pÃ©riodes d'immobilisation, et ne peut pas Ãªtre rechargÃ©e en l'absence de la source extÃ©rieure. Un but de l'invention est donc de fournir un systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique 5 auxiliaire pour un vÃ©hicule ferroviaire, Ã la mise en oeuvre simple et peu coÃ»teuse, tout en prÃ©servant l'efficacitÃ© et la stabilitÃ© du systÃ¨me d'alimentation. Ainsi, l'invention a pour objet un systÃ¨me du type prÃ©citÃ©, le systÃ¨me comprenant : - un dispositif de stockage d'Ã©nergie Ã©lectrique ; - une source renouvelable d'Ã©nergie Ã©lectrique; et 10 - un convertisseur auxiliaire de puissance, le systÃ¨me Ã©tant apte Ã stocker dans le dispositif de stockage une Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source renouvelable Ã travers le convertisseur auxiliaire, et apte Ã dÃ©livrer une puissance auxiliaire Ã partir de l'Ã©nergie stockÃ©e dans le dispositif de stockage. 15 Selon des modes de rÃ©alisation particuliers, le systÃ¨me selon l'invention prÃ©sente l'une ou plusieurs des caractÃ©ristiques suivantes, prise(s) isolÃ©ment ou selon toute combinaison techniquement rÃ©alisable : - le systÃ¨me est apte Ã dÃ©livrer la puissance auxiliaire Ã travers le convertisseur auxiliaire ou Ã travers un convertisseur de sortie ; 20 - la source renouvelable d'Ã©nergie Ã©lectrique comprend au moins un panneau de cellules photovoltaÃ¯ques ; - la source renouvelable d'Ã©nergie Ã©lectrique comprend au moins une turbine Ã©olienne ; et - le dispositif de stockage comprend au moins un condensateur, le ou chaque 25 condensateur prÃ©sentant de prÃ©fÃ©rence une capacitÃ© supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 40 F. L'invention concerne Ã©galement un vÃ©hicule ferroviaire comprenant un convertisseur primaire de puissance, alimentant au moins un moteur Ã©lectrique, et un convertisseur secondaire de puissance alimentant des circuits secondaires, Ã partir d'une source extÃ©rieure d'Ã©nergie Ã©lectrique, le vÃ©hicule ferroviaire comprenant en outre un 30 systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire selon l'invention, le systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire Ã©tant isolÃ© Ã©lectriquement du convertisseur primaire et du convertisseur secondaire, ainsi que de la source d'Ã©nergie extÃ©rieure, le systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire Ã©tant configurÃ© pour alimenter les circuits secondaires lorsque la source extÃ©rieure n'est pas disponible. 3065678 3 Selon des modes de rÃ©alisation particuliers, le vÃ©hicule ferroviaire selon l'invention prÃ©sente l'une ou plusieurs des caractÃ©ristiques suivantes, prise(s) isolÃ©ment ou selon toute combinaison techniquement rÃ©alisable : - le vÃ©hicule ferroviaire comprend Ã©galement un moteur secondaire, les circuits 5 secondaires comprenant un dispositif de dÃ©marrage du moteur secondaire ; - les circuits secondaires comprennent Ã©galement une Ã©lectronique de contrÃ´le ; - le systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire est configurÃ© pour alimenter les circuits secondaires pendant une durÃ©e limitÃ©e, de prÃ©fÃ©rence supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 60 secondes ; et 10 - le dispositif de stockage est prÃ©-chargÃ© et la source renouvelable est adaptÃ©e pour fournir une Ã©nergie Ã©lectrique compensant les pertes qui dÃ©chargent le dispositif de stockage. L'invention sera mieux comprise Ã la lecture de la description qui va suivre, donnÃ©e uniquement Ã titre d'exemple, et faite en rÃ©fÃ©rence aux dessins annexÃ©s, parmi 15 lesquels : - la figure 1 est une vue schÃ©matique de cÃ´tÃ© d'un vÃ©hicule ferroviaire ; et - la figure 2 est une reprÃ©sentation schÃ©matique d'un systÃ¨me d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire selon l'invention. Un vÃ©hicule ferroviaire 10 est reprÃ©sentÃ© sur la figure 1 circulant sur une voie 20 ferrÃ©e 12 munie d'une catÃ©naire 14. Le vÃ©hicule ferroviaire 10 comporte des patins 16 articulÃ©s pour venir au contact de la catÃ©naire 14 qui constitue une source extÃ©rieure d'Ã©nergie Ã©lectrique pour le vÃ©hicule ferroviaire 10. De maniÃ¨re connue en soi, l'Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source extÃ©rieure est transmise Ã travers les patins 16 Ã un convertisseur primaire 18 de puissance qui 25 alimente au moins un moteur Ã©lectrique 20 responsable de la propulsion du vÃ©hicule ferroviaire 10. Le convertisseur primaire 18 de puissance est apte Ã transformer l'Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source extÃ©rieure, par exemple dÃ©livrÃ©e sous forme de courant continu Ã haute tension, en une forme utilisable par le ou les moteurs Ã©lectriques 20, par 30 exemple sous forme de courant alternatif. La source extÃ©rieure n'est pas toujours disponible pour l'alimentation du vÃ©hicule ferroviaire 10, par exemple, parce que la catÃ©naire 14 peut Ãªtre localement endommagÃ©e. Alternativement, le vÃ©hicule ferroviaire 10 peut Ãªtre stationnÃ© dans un hangar pour une opÃ©ration de maintenance, sans accÃ¨s Ã la catÃ©naire. Le vÃ©hicule ferroviaire 10 comprend Ã©galement un moteur secondaire 22 destinÃ© Ã assurer la propulsion lorsque la source d'Ã©nergie extÃ©rieure n'est pas disponible. Le 3065678 4 moteur secondaire 22 est par exemple un moteur diesel alimentÃ© par du carburant contenu dans un rÃ©servoir 24. Comme reprÃ©sentÃ© sur les figures 1 et 2, le vÃ©hicule ferroviaire comprend Ã©galement un convertisseur secondaire 26 de puissance connectÃ© Ã la source extÃ©rieure 5 Ã travers les patins 16. Le convertisseur secondaire 26 de puissance est apte Ã transformer l'Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source extÃ©rieure, par exemple dÃ©livrÃ©e sous forme de courant continu Ã haute tension. Le convertisseur secondaire 26 dÃ©livre ainsi l'Ã©nergie Ã©lectrique transformÃ©e Ã la fois sous forme de courant continu, par une sortie continue 27A, et sous 10 forme de courant alternatif triphasÃ©, par une sortie triphasÃ©e 27B. Le convertisseur secondaire 26 est apte Ã mettre en oeuvre une isolation galvanique entre la source extÃ©rieure et les sorties continue 27A et alternative 27B, afin de protÃ©ger des circuits Ã©lectriques connectÃ©s aux sorties 27A, 27B d'une surtension. Le convertisseur secondaire 26 est connectÃ© aux circuits secondaires 28 par la 15 sortie continue 27A. Les circuits secondaires 28 comprennent par exemple une Ã©lectronique de contrÃ´le 30, ainsi que des charges 32 regroupant notamment les circuits d'Ã©clairage et de ventilation du vÃ©hicule ferroviaire 10. Les circuits secondaires 28 comprennent Ã©galement un dispositif de dÃ©marrage 34 20 du moteur secondaire 22. Le dispositif de dÃ©marrage 34 comprend par exemple une batterie, rechargÃ©e Ã travers le convertisseur secondaire 26 lorsque la source extÃ©rieure est disponible. Le vÃ©hicule ferroviaire 10 comporte Ã©galement un systÃ¨me 40 d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire apte Ã alimenter les circuits secondaires 28 du vÃ©hicule ferroviaire 10 25 pendant une durÃ©e limitÃ©e. Par exemple, le systÃ¨me 40 est apte Ã fournir une puissance de 200 W, la durÃ©e limitÃ©e Ã©tant par exemple supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 60 s. Le systÃ¨me 40 comprend une source renouvelable 42 d'Ã©nergie Ã©lectrique, un convertisseur auxiliaire 44 de puissance, un dispositif de stockage 46 d'Ã©nergie Ã©lectrique 30 et un dispositif d'isolation 48. Le systÃ¨me 40 est apte Ã stocker dans le dispositif de stockage 46 une Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source renouvelable 42, Ã travers le convertisseur auxiliaire 44. Il est Ã©galement apte Ã dÃ©livrer une puissance auxiliaire aux circuits secondaires 28 Ã partir de l'Ã©nergie stockÃ©e dans le dispositif de stockage 46. 35 La source renouvelable 42 est par exemple un panneau de cellules photovoltaÃ¯ques, aptes Ã transformer l'Ã©nergie des rayons solaires incidents en Ã©nergie 3065678 5 Ã©lectrique. Le panneau est disposÃ© sur une paroi externe supÃ©rieure du vÃ©hicule ferroviaire 10, de sorte Ã maximiser son exposition aux rayons solaires. Selon une premiÃ¨re variante non reprÃ©sentÃ©e, la source renouvelable 42 est une turbine Ã©olienne apte Ã transformer l'Ã©nergie d'un Ã©coulement d'air en Ã©nergie Ã©lectrique. 5 L'Ã©coulement d'air est par exemple le vent au voisinage du vÃ©hicule ferroviaire, ou bien un Ã©coulement provoquÃ© par le dÃ©placement du vÃ©hicule ferroviaire 10 dans l'air. La turbine est par exemple disposÃ©e sur une paroi externe du vÃ©hicule ferroviaire 10, de sorte Ã maximiser son exposition aux Ã©coulements d'air au voisinage du vÃ©hicule ferroviaire 10. Selon une seconde variante non reprÃ©sentÃ©e, la source renouvelable 42 est un 10 ensemble comprenant au moins un panneau de cellules photovoltaÃ¯ques et/ou au moins une turbine Ã©olienne, comme prÃ©cÃ©demment dÃ©crits. Le convertisseur auxiliaire 44 est un convertisseur de puissance apte Ã transformer l'Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source renouvelable 42 en une Ã©nergie Ã©lectrique stockable dans le dispositif de stockage 46. 15 Le convertisseur auxiliaire 44 est par exemple un convertisseur de tension continue, apte Ã modifier une tension Ã©lectrique continue sous laquelle est dÃ©livrÃ©e l'Ã©nergie par la source renouvelable 42. Ceci est notamment le cas quand la source renouvelable 42 est un panneau de cellules photovoltaÃ¯ques. En variante, le convertisseur 44 est apte Ã convertir une tension alternative sous 20 laquelle est dÃ©livrÃ©e l'Ã©nergie par la source renouvelable 42, en une tension continue adaptÃ©e au dispositif de stockage 46. Ceci est notamment le cas quand la source renouvelable 42 est une turbine Ã©olienne. Le convertisseur auxiliaire 44 est dÃ©pourvu d'isolation galvanique. En effet, le convertisseur auxiliaire 44 n'est pas connectÃ© Ã la source extÃ©rieure Ã haute tension, et 25 ne nÃ©cessite donc pas d'isolation galvanique protÃ©geant des circuits Ã©lectriques d'une surtension. Le convertisseur auxiliaire 44 est donc un dispositif simple et peu coÃ»teux. Le dispositif de stockage 46 est apte Ã stocker l'Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source renouvelable 42 et transmise Ã travers le convertisseur auxiliaire 44, et Ã restituer l'Ã©nergie stockÃ©e vers les circuits secondaires 28. 30 Le dispositif de stockage 46 est apte Ã stocker et Ã restituer une Ã©nergie supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 6000 J, notamment supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 10000 J. Le dispositif de stockage 46 est prÃ©-chargÃ© en permanence, et l'Ã©nergie fournie par la source renouvelable 42 vient compenser les pertes qui dÃ©chargent le dispositif de stockage 46, par exemple celles dues Ã des courants de fuite. 3065678 6 Le dispositif de stockage 46 comporte un ou plusieurs condensateurs de haute capacitÃ©, par exemple deux condensateurs de capacitÃ© supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 40 F, notamment de capacitÃ© comprise entre 45 F et 50 F. Le ou les condensateurs prÃ©sentent par exemple une tension Ã charge maximale 5 supÃ©rieure Ã 40 V, notamment comprise entre 50 V et 60 V. En variante, le dispositif de stockage 46 comporte au moins une batterie lithium- ion. Le dispositif d'isolation 48 est configurÃ© pour isoler le systÃ¨me 40 du convertisseur secondaire 26, afin d'Ã©viter des pertes dans les circuits secondaires 28. A cet effet, le 10 dispositif d'isolation 48 est typiquement constituÃ© d'une diode. Selon une variante, le systÃ¨me 40 comporte Ã©galement un convertisseur de sortie 50 connectÃ© entre le dispositif de stockage 46 et le dispositif d'isolation 48, apte Ã transformer l'Ã©nergie Ã©lectrique issue du dispositif de stockage 46 en une Ã©nergie Ã©lectrique utilisable par les circuits secondaires 28, par exemple par un changement de 15 tension. Selon une autre variante (non reprÃ©sentÃ©e), le convertisseur auxiliaire 44 est un convertisseur Ã deux voies. Le convertisseur auxiliaire 44 est connectÃ© Ã la fois entre la source renouvelable 42 et le dispositif de stockage 46, ainsi qu'entre le dispositif de stockage 46 et les circuits secondaires 28, Ã travers le dispositif d'isolation 48. Il met alors 20 Ã©galement en oeuvre les fonctions du convertisseur de sortie 50. Le systÃ¨me 40 d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire est ainsi apte Ã stocker de l'Ã©nergie dans le dispositif de stockage 46 mÃªme en l'absence de la source extÃ©rieure, ce qui permet de fournir de l'Ã©nergie au vÃ©hicule ferroviaire 10 mÃªme aprÃ¨s de longues pÃ©riodes d'immobilisation aprÃ¨s lesquelles la batterie du dispositif de dÃ©marrage 34 serait 25 dÃ©chargÃ©e. De plus, le systÃ¨me 40 est isolÃ© des convertisseurs primaire 18 et secondaire 26, ainsi que de la source extÃ©rieure. Ceci permet de s'affranchir de l'isolation galvanique dans le convertisseur auxiliaire 44, qui est ainsi simple et peu coÃ»teux, et permet Ã©galement d'Ã©viter des pertes de puissance dans les circuits primaires et les circuits 30 secondaires 28. REVENDICATIONS1.- SystÃ¨me (40) d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire destinÃ© Ã Ã©quiper un vÃ©hicule ferroviaire (10), le systÃ¨me (40) comprenant : - un dispositif de stockage (46) d'Ã©nergie Ã©lectrique ; - une source renouvelable (42) d'Ã©nergie Ã©lectrique; et - un convertisseur auxiliaire (44) de puissance, le systÃ¨me (40) Ã©tant apte Ã stocker dans le dispositif de stockage (46) une Ã©nergie Ã©lectrique fournie par la source renouvelable (42) Ã travers le convertisseur auxiliaire (44), et apte Ã dÃ©livrer une puissance auxiliaire Ã partir de l'Ã©nergie stockÃ©e dans le dispositif de stockage (46). 2.- SystÃ¨me (40) selon la revendication 1, dans lequel le systÃ¨me (40) est apte Ã dÃ©livrer la puissance auxiliaire Ã travers le convertisseur auxiliaire (44) ou Ã travers un convertisseur de sortie (50). 3.- SystÃ¨me (40) selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel la source renouvelable (42) d'Ã©nergie Ã©lectrique comprend au moins un panneau de cellules photovoltaÃ¯ques. 4.- SystÃ¨me (40) selon l'une quelconque des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans lequel la source renouvelable (42) d'Ã©nergie Ã©lectrique comprend au moins une turbine Ã©olienne. 5.- SystÃ¨me (40) selon l'une quelconque des revendications prÃ©cÃ©dentes, dans lequel le dispositif de stockage (46) comprend au moins un condensateur, le ou chaque condensateur prÃ©sentant de prÃ©fÃ©rence une capacitÃ© supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 40 F. 6.- VÃ©hicule ferroviaire (10) comprenant un convertisseur primaire (18) de puissance, alimentant au moins un moteur Ã©lectrique (20), et un convertisseur secondaire (26) de puissance alimentant des circuits secondaires (28), Ã partir d'une source extÃ©rieure (14) d'Ã©nergie Ã©lectrique, le vÃ©hicule ferroviaire (10) comprenant en outre un systÃ¨me (40) d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire selon l'une quelconque des revendications 1 Ã 5, 3065678 8 le systÃ¨me (40) d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire Ã©tant isolÃ© Ã©lectriquement du convertisseur primaire (18) et du convertisseur secondaire (26), ainsi que de la source d'Ã©nergie extÃ©rieure (14), le systÃ¨me (40) d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire Ã©tant configurÃ© pour alimenter 5 les circuits secondaires (28) lorsque la source extÃ©rieure (14) n'est pas disponible. 7.- VÃ©hicule ferroviaire (10) selon la revendication 6, dans lequel le vÃ©hicule ferroviaire (10) comprend Ã©galement un moteur secondaire (22), les circuits secondaires (28) comprenant un dispositif de dÃ©marrage (34) du moteur secondaire (22). 10 8.- VÃ©hicule ferroviaire (10) selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, dans lequel les circuits secondaires (28) comprennent Ã©galement une Ã©lectronique de contrÃ´le (30). 15 9.- VÃ©hicule ferroviaire (10) selon l'une quelconque des revendications 6 Ã 8, dans lequel le systÃ¨me (40) d'alimentation Ã©lectrique auxiliaire est configurÃ© pour alimenter les circuits secondaires (28) pendant une durÃ©e limitÃ©e, de prÃ©fÃ©rence supÃ©rieure ou Ã©gale Ã 60 secondes. 20 10.- VÃ©hicule ferroviaire (10) selon l'une quelconque des revendications 6 Ã 9, dans lequel le dispositif de stockage (46) est prÃ©-chargÃ© et la source renouvelable (42) est adaptÃ©e pour fournir une Ã©nergie Ã©lectrique compensant les pertes qui dÃ©chargent le dispositif de stockage (46).