Brevet FR3083173A1 — publié le 20200103

Système de stockage d'énergie embarqué La présente invention concerne un système de stockage d'énergie destiné à être embarqué sur un véhicule ferroviaire, le système de stockage d'énergie étant propre à être relié électriquement à une source extérieure d'énergie électrique pour recevoir une énergie à stocker, ainsi qu'à un système de propulsion du véhicule, pour lui restituer l'énergie stockée ou emmagasiner de l'énergie, le système de stockage d'énergie comprenant une pluralité de modules de stockage d'énergie. Les véhicules ferroviaires destinés au transport urbain de surface sont généralement connectés à une caténaire ou un rail de captage pour l'alimentation de leur système de propulsion en énergie électrique. Dans certains cas, le véhicule ne peut pas se connecter à la caténaire sur une partie de l'itinéraire, et doit effectuer le trajet sans connexion à partir d'énergie électrique stockée sur un système embarqué. Pour cela, il est connu de munir les véhicules ferroviaires urbains de surface d'un système de stockage d'énergie comprenant à la fois des batteries standard et des super-condensateurs. En effet, les batteries présentent une haute capacité de stockage énergétique, mais sont limitées par une puissance de charge et de restitution faible. A l'inverse, les super- condensateurs bénéficient d'une puissance en charge et en décharge très satisfaisante, mais d'une capacité de stockage limitée. La combinaison des deux technologies de stockage permet de pallier les désavantages de chacune et d'obtenir une capacité de stockage et une puissance de charge et de restitutions suffisantes. Cependant, ces systèmes de stockage peuvent encore être améliorés. En effet, la combinaison des deux technologies nécessite un équilibre qui ne peut pas être adapté à toutes les situations. De plus, ces systèmes sont complexes et encombrants, et il est désirable d'améliorer encore leurs performances énergétiques. Un but de l'invention est donc de fournir un système de stockage d'énergie pour véhicule ferroviaire urbain de surface, présentant des performances énergétiques améliorées tout en étant plus compact et moins complexe d'utilisation et d'entretien. A cet effet, l'invention a pour objet un système du type précité, dans lequel chaque module de stockage d'énergie comprend une pluralité de cellules de stockage d'énergie comprenant chacune au moins un condensateur de type lithium-ion. 2 Selon des modes de réalisation particuliers, le système selon l'invention présente l'une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, prise(s) indépendamment ou selon toute combinaison techniquement réalisable : - les modules de stockage sont arrangés pour former une pluralité de branches de 5 stockage indépendantes, connectées parallèlement les unes aux autres ; - Selon une alternative, un système de stockage avec une seule branche est aussi réalisable ; - chaque branche de stockage comprend un convertisseur de puissance connecté en amont des modules de stockage ; 10 - selon une possibilité, chaque branche de stockage présente une capacité de stockage d'énergie comprise entre 1 kWh et 2 kWh, en utilisant par exemple des cellules de 2.300 F pour réaliser une capacité de stockage de 1,5kVVh ; - selon une autre possibilité, chaque branche de stockage présente une capacité de stockage d'énergie comprise entre 2 kWh et 2,5 kWh ; par exemple 2,112 kWh en utilisant 15 des cellules de 3.300 F ; - la pluralité de branches de stockage comprend exactement trois branches de stockage, - Selon un autre mode de réalisation, le nombre de branches peut être variable et n'est pas nécessairement égal à trois ; 20 - chaque module de stockage est amovible de manière indépendante des autres modules de stockage ; - chaque module de stockage est propre à délivrer une tension nominale inférieure à une tension de sécurité ; - le système de stockage comprend de plus un module de contrôle configuré pour 25 surveiller au moins une température dans le système de stockage d'énergie, au moins une intensité de courant électrique et/ou une tension électrique dans le système de stockage d'énergie ; - chaque branche de stockage est adaptée pour être rechargée lorsque le système de stockage d'énergie est en contact électrique avec une source externe, un temps de 30 recharge totale de la branche de stockage étant inférieur à 60 secondes et de préférence à 50 secondes ; - le système de stockage d'énergie est également propre à être relié à des circuits annexes, pour leur restituer l'énergie stockée. L'invention a également pour objet un véhicule ferroviaire comprenant au moins un système de stockage d'énergie comme décrit plus haut, chaque système de stockage d'énergie étant relié électriquement à un dispositif de captage du véhicule ferroviaire et à 3 un système de propulsion du véhicule ferroviaire, le véhicule ferroviaire étant adapté pour stocker une énergie électrique dans chaque système de stockage d'énergie lorsque le véhicule ferroviaire est en contact électrique avec une source d'énergie externe et à restituer l'énergie stockée dans chaque système de stockage d'énergie ou emmagasiner 5 de l'énergie provenant du système de propulsion lorsque le véhicule ferroviaire est isolé de la source d'énergie externe. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un véhicule ferroviaire 10 selon l'invention, et - la figure 2 est un schéma d'un système de stockage d'énergie du véhicule ferroviaire de la figure 1. Le véhicule ferroviaire 10 représenté sur la figure 1 comprend au moins une caisse 12, montée sur des bogies 14 munis de roues 16, de manière à circuler sur une voie ferrée. 15 La propulsion du véhicule ferroviaire 10 est assurée par des moteurs électriques 18 entrainant les roues 16, chaque moteur électrique 18 étant fixé à un des bogies 14 respectif, notamment de manière suspendue. Le véhicule ferroviaire 10 est par exemple un véhicule de transport urbain et interurbain de surface, de type « tramway », destiné à circuler sur un itinéraire s'étendant 20 par exemple dans une agglomération. Notamment, le véhicule ferroviaire 10 est adapté pour circuler sur un itinéraire sur lequel une source d'énergie externe, par exemple une caténaire ou un rail de captage, s'étend au voisinage de la voie ferrée sur au moins une partie de l'itinéraire, et est absente sur au moins une autre partie de l'itinéraire. Le véhicule ferroviaire 10 comprend au moins un dispositif de captage 20, fixé à la 25 caisse 12, propre à venir en contact avec la source d'énergie externe. Le dispositif de captage 20 est propre à recueillir une énergie électrique délivrée par la source externe pour alimenter le véhicule ferroviaire 10. Dans l'exemple représenté, le dispositif de captage 20 est un pantographe venant en contact avec une caténaire. En variante, la source externe est un système d'alimentation stationnaire, et le 30 dispositif de captage 20 est propre à recueillir l'énergie lorsque le véhicule ferroviaire 10 est à l'arrêt, notamment aux arrêts prévus sur le trajet. Le véhicule ferroviaire comprend une chaîne de conversion de puissance 22 connectée électriquement à chaque dispositif de captage 20, ainsi qu'au moins un coffre de traction 24, un système de stockage d'énergie 26 pour chaque coffre de traction 24, et 35 des circuits annexes 28, connectés électriquement à la chaîne de conversion de puissance 22. 4 La chaîne de conversion de puissance 22 est propre à convertir l'énergie électrique reçue depuis la source externe sous une forme utilisable par chacun des dispositifs auxquels elle est reliée. Par ailleurs, la chaîne de conversion de puissance 22 comprend au moins un module de sécurité (non représenté) propre à isoler le véhicule ferroviaire 10 5 de la source externe en cas d'accident. Sur chaque partie de l'itinéraire sur laquelle la source externe est présente, chaque coffre de traction 24, chaque système de stockage d'énergie 26 et chaque circuit annexe 28 est alimenté en énergie depuis la source externe, à travers le dispositif de captage 20 et la chaîne de conversion de puissance 22. 10 Chaque coffre de traction 24 est relié à au moins un moteur électrique 16, qu'il contrôle et alimente en énergie, de façon à propulser le véhicule ferroviaire 10. Chaque coffre de traction 24 forme ainsi un système de propulsion du véhicule ferroviaire 10. Les circuits annexes 28, représentés regroupés sur la figure 1 pour simplifier, comprennent par exemple des systèmes de climatisation, de ventilation, d'éclairage et de 15 sonorisation d'un habitacle du véhicule ferroviaire 10, ainsi qu'un système d'affichage lumineux etiou un circuit d'alimentation de charge d'une batterie auxiliaire. Chaque système de stockage d'énergie 26 est propre à stocker l'énergie électrique et à la restituer ultérieurement. Chaque système de stockage 26 est relié à un des coffres de traction 24 respectif, qu'il est propre à alimenter en énergie lorsque le véhicule ferroviaire 20 est sur une partie de l'itinéraire où la source externe est absente. Chaque système de stockage d'énergie 26 est également relié électriquement aux circuits annexes 28, pour les alimenter en énergie lorsque la source externe est absente. Avantageusement, chaque système de stockage d'énergie 26 est également relié électriquement à au moins une autre voiture du véhicule ferroviaire 10 par une liaison 29, 25 pour alimenter l'autre voiture en énergie lorsque la source externe est absente. Le véhicule ferroviaire 10 est ainsi adapté pour stocker l'énergie électrique fournie par la source externe dans les systèmes de stockage d'énergie 26 lorsque le véhicule ferroviaire 10 est en contact électrique avec la source externe, et à consommer l'énergie électrique stockée dans les systèmes de stockage d'énergie 26 lorsque le véhicule 30 ferroviaire 10 est isolé de la source externe. Avantageusement, le système de stockage d'énergie 26 est également adapté pour récupérer une énergie générée par les coffres de traction 24. Un système de stockage d'énergie électrique 26 est représenté plus en détails sur la figure 2. 35 Le système de stockage 26 est contenu dans une enceinte 30 jouant un rôle de protection et d'isolation du système de stockage d'énergie 26. 5 L'enceinte 30 est notamment séparée en deux compartiments, comprenant un compartiment d'interface 31 et un compartiment de stockage 33. Le système de stockage 26 comprend une pluralité de modules de stockage d'énergie 32, propres à stocker et à restituer une énergie électrique, et arrangés pour former 5 une pluralité de branches de stockage 34 indépendantes. Les modules de stockage 32 sont contenus dans le compartiment de stockage 33. Chaque module de stockage d'énergie 32 comprend une pluralité de cellules de stockage d'énergie 36 comprenant chacune au moins un condensateur de type lithium-ion. Chaque module de stockage 32 est avantageusement amovible depuis la branche 10 de stockage 34 de manière indépendante, sans interrompre ou perturber le fonctionnement de la branche 34. Ainsi, il est facile pour un opérateur de démonter un des modules de stockage 32 pour des opérations de maintenance et de remplacement, sans nécessiter d'attendre une interruption du fonctionnement du véhicule ferroviaire 10. Avantageusement, chaque module de stockage 32 est propre à délivrer une tension 15 nominale inférieure à une tension de sécurité, lors de la restitution d'énergie stockée, de sorte que le module 32 est démontable par un opérateur avec des risques réduits. La tension de sécurité est par exemple égale à 60 V. Chaque branche de stockage 34 comprend de plus un convertisseur de puissance 38 connecté en amont des modules de stockage 32. Par « connecté en amont », on entend 20 que les modules de stockage 32 de la branche 34 sont connectés en série entre le convertisseur de puissance 38 et la masse. Ce convertisseur de puissance 38 est de type DC/DC réversible, c'est-à-dire qu'il est propre à convertir un courant d'entrée continu présentant une tension d'entrée en un courant continu de sortie présentant une tension de sortie différente de la tension d'entrée 25 et cela de façon réversible, c'est-à-dire que l'entrée devient à son tour la sortie et la sortie l'entrée. Le convertisseur de puissance 38 est contenu dans le compartiment d'interface 31. Chaque branche de stockage 34 est adaptée pour être rechargée lorsque le système de stockage 26 est en contact électrique avec la source externe, et pour se 30 décharger lorsque le véhicule ferroviaire 10 est isolé de la source externe. La charge et la décharge de chacune des branches 34 se fait indépendamment des autres branches 34. Le système de stockage 26 comprend avantageusement exactement trois branches de stockage 34 indépendantes les unes des autres et connectées parallèlement les unes aux autres. 35 Chaque branche de stockage 34 présente une capacité de stockage d'énergie respective, notamment comprise entre 1 kWh et 2 kWh, par exemple sensiblement égale à 6 1,5 kWh en utilisant par exemple des cellules de 2.300 F. Le système de stockage 26 présente alors une capacité totale de stockage d'énergie sensiblement égale à 4,5 kWh. Selon une variante, chaque branche de stockage 34 présente une capacité de stockage d'énergie respective, notamment comprise entre 2 kWh et 2,5 kWh, par exemple 5 sensiblement égale à 2,112 kWh en utilisant par exemple des cellules de 3.300 F. Le système de stockage 26 présente alors une capacité totale de stockage d'énergie sensiblement égale à 6,336 kWh. Selon d'autres modes de réalisation, le nombre de branches peut être variable et n'est pas nécessairement égal à trois. 10 Avantageusement, le temps de recharge totale de la branche de stockage 34 est inférieur à 60 secondes, de préférence 50 secondes, c'est-à-dire que la branche est adaptée pour être rechargée, en contact avec la source externe, depuis un état de décharge complète jusqu'à sa pleine capacité de stockage en un temps inférieur ou égal à 50 secondes. 15 Le module de contrôle 40 est propre à mettre en oeuvre une gestion centralisée des branches 34, pour assurer que les branches 34 suivent toutes simultanément le même comportement, soit décharge, soit recharge, afin d'éviter les phénomènes de pompage, c'est-à-dire de transfert d'énergie entre deux branches 34. Le module de contrôle 40 pilote les modules 38, pour répartir l'énergie entrant dans 20 le système de stockage 26 à part égale entre les branches 34 pour y être stockée. Le module d'entrée 39 comprend un système de sectionnement à commande manuelle permettant de déconnecter le système de stockage 26 et les branches 34 avec une sécurité améliorée. Le système de stockage 26 comprend en outre un module de contrôle 40 configuré 25 pour piloter le module d'entrée 41, ainsi que pour surveiller au moins une température dans le système de stockage d'énergie 26 et au moins une intensité de courant électrique dans le système de stockage d'énergie 26. Le système de contrôle 40 est notamment configuré pour surveiller les températures dans le compartiment d'interface 31 et dans le compartiment de stockage 33, afin de 30 détecter une éventuelle surchauffe, et est configuré pour stopper le fonctionnement du système de stockage 26 lors d'une telle surchauffe. Le système de contrôle 40 est avantageusement configuré pour surveiller la température dans chacune des branches de stockage 34, et est configuré pour isoler une des branches 34 de manière indépendante en cas de surchauffe locale. 7 De plus, le système de contrôle 40 est apte à surveiller l'intensité de courant électrique traversant chacune des branches 34, et est configuré pour isoler une des branches 34 en cas de sur-courant, ou de défaut de courant différentiel. Le système de contrôle 40 est en outre apte à surveiller les tensions électriques 5 dans chacune des branches 34, et est configuré pour isoler une des branches 34 en cas de défauts, par exemple en cas de sous-tensions ou surtensions. Le système de stockage d'énergie 26 est plus simple de conception que les systèmes de l'état de la technique, car il met en oeuvre uniquement des condensateurs lithium-ion, plutôt que de nécessiter la mise en oeuvre à la fois de batteries standard et de 10 super-condensateurs. Ceci permet de plus de réduire l'espace occupé et la masse du système de stockage d'énergie 26, ce qui est critique pour un véhicule ferroviaire. De plus, ce système de stockage d'énergie permet d'utiliser des composants standardisés, en faisant varier le nombre de modules de stockage 32 de chaque branche 15 34 pour obtenir la capacité de stockage d'énergie requise. Enfin, le système de stockage 26 présente une praticité d'utilisation et d'entretien améliorée, ainsi qu'une REVENDICATIONS1.- Système de stockage d'énergie (26), destiné à être embarqué sur un véhicule ferroviaire (10), le système de stockage d'énergie (26) étant propre à être relié électriquement à une source extérieure d'énergie électrique pour recevoir une énergie à stocker, ainsi qu'à un système de propulsion (24) du véhicule (10), pour lui restituer l'énergie stockée, ou emmagasiner de l'énergie, le système de stockage d'énergie (26) comprenant une pluralité de modules de stockage d'énergie (32), caractérisé en ce que chaque module de stockage d'énergie (32) comprend une pluralité de cellules de stockage (36) d'énergie comprenant chacune au moins un condensateur de type lithium-ion. 2.- Système de stockage d'énergie (26) selon la revendication 1, dans lequel les modules de stockage (32) sont arrangés pour former une pluralité de branches de stockage (34) indépendantes, connectées parallèlement les unes aux autres. 3.- Système de stockage d'énergie (26) selon la revendication 2, dans lequel chaque branche de stockage (34) comprend un convertisseur de puissance (38) connecté en amont des modules de stockage (36). 4.- Système de stockage d'énergie (26) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque branche de stockage présente une capacité de stockage d'énergie comprise entre 1 kWh et 2 kWh. 5.- Système de stockage d'énergie (26) selon la revendication 2 ou 3, dans lequel chaque branche de stockage présente une capacité de stockage d'énergie comprise entre 2 kWh et 2,5 kWh. 6.- Système de stockage d'énergie (26) selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la pluralité de branches de stockage (34) comprend exactement trois branches de stockage (34) 7.- Système de stockage d'énergie (26) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chaque module de stockage (32) est amovible de manière indépendante des autres modules de stockage (32). 9 8.- Système de stockage d'énergie (26) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel chaque module de stockage (32) est propre à délivrer une tension nominale inférieure à une tension de sécurité. 5 9.- Système de stockage d'énergie (26) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant de plus un module de contrôle (40) configuré pour surveiller au moins une température dans le système de stockage d'énergie (26), au moins une intensité de courant électrique et/ou au moins une tension électrique dans le système de stockage d'énergie (26). 10 10.- Système de stockage d'énergie (26) selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel chaque branche de stockage (34) est adaptée pour être rechargée lorsque le système de stockage d'énergie (26) est en contact électrique avec une source d'énergie électrique, un temps de recharge totale de la branche de stockage (34) étant 15 inférieur à 50 secondes. 11.- Système de stockage d'énergie selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le système de stockage d'énergie (26) est également propre à être relié à des circuits annexes (28), pour leur restituer l'énergie stockée. 20 12.- Véhicule ferroviaire (10) comprenant au moins un système de stockage d'énergie (26) selon l'une quelconque des revendications précédentes, chaque système de stockage d'énergie (26) étant relié électriquement à un dispositif de captage (20) du véhicule ferroviaire (10) et à un système de propulsion (24) du véhicule ferroviaire (10), le 25 véhicule ferroviaire (10) étant adapté pour stocker une énergie électrique dans chaque système de stockage d'énergie (26) lorsque le dispositif de captage (10) est en contact électrique avec la source extérieure d'énergie et à restituer l'énergie stockée dans chaque système de stockage d'énergie (26) ou emmagasiner de l'énergie provenant du système de propulsion lorsque le véhicule ferroviaire (10) est isolé de la source extérieure d'énergie. 30