Brevet FR3092284A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : Système d'alimentation par le sol robuste aux courts-circuits et procédé associé [0001] L'invention a pour domaine celui des systèmes d'alimentation par le sol, propres à fournir, par conduction, une puissance électrique à un véhicule électrique alors que ce dernier est en mouvement. [0002] Le document EP 1 095 812 BI divulgue un système d'alimentation par le sol comportant, affleurant à la surface de la chaussée, une piste de phase et une piste de neutre, qui sont respectivement connectées, au moyen d'une ligne de phase et d'une ligne de neutre circulant le long de la chaussée, aux bornes d'une source de puissance électrique distante, telle qu'une sous-station d'alimentation électrique. [0003] Au cours du fonctionnement normal du système, les composants dits « de phase » sont propres à être portés à un potentiel haut, par exemple entre 700 et 950 V, tandis que les composants dits « de neutre » sont portés à un potentiel bas de 0 V correspondant au potentiel de la terre. [0004] La piste de phase est constituée d'une succession de segments longitudinaux disposés les uns à la suite des autres, tout en ménageant une isolation entre deux segments consécutifs. [0005] Le système d'alimentation par le sol comporte, par segment, un moyen de com- mutation commandé permettant de connecter le segment correspondant à la ligne de phase au passage d'un véhicule. Sinon, le moyen de commutation commandé connecte le segment correspondant à la ligne de neutre, de manière à sécuriser l'installation. [0006] Le véhicule collecte une puissance électrique au moyen d'un patin venant en contact, d'une part, avec un segment alimenté de la piste de phase et, d'autre part, avec la piste de neutre, qui assure le retour du courant vers la ligne de neutre. [0007] Pour que ce type de système d'alimentation par le sol puisse être largement déployé, il est nécessaire de maîtriser les courts-circuits, en particulier les courts-circuits entre un segment alimenté et la piste de neutre ou encore les courts-circuits entre un segment alimenté et un segment non alimenté voisin du segment alimenté. [0008] De tels courts-circuits surviennent ou ont une probabilité plus importante de survenir en cas de présence de débris ou de dépôts salins liés au ruissellement d'eau sur la stnface de la chaussée établissant un contact électrique entre le segment alimenté et la ligne de neutre, via soit la piste de neutre connectée à la ligne de neutre, soit le segment voisin connecté à la ligne de neutre. [0009] Dans le document de l'état de la technique cité précédemment, le moyen de com- mutation commandé est protégé par un disjoncteur. Celui-ci s'ouvre lorsque le courant 2 circulant de la ligne de phase vers le segment alimenté dépasse une valeur prédéterminée, ce qui est le cas lors d'un court-circuit. [0010] Cependant en cas de court-circuit sur un segment, ce disjoncteur entraîne l'ouverture du circuit électrique sur une section complète d'alimentation, rendant les autres segments alimentés par la section complète d'alimentation indisponibles jusqu'à refermeture du disjoncteur. [0011] L'invention a donc pour but de résoudre ce problème en proposant un système d'alimentation par le sol amélioré. [0012] L'invention a pour objet un système d'alimentation par le sol destiné à fournir, par conduction, une puissance électrique à un véhicule électrique au cours de son déplacement, le système d'alimentation par le sol comportant : une piste de neutre et une piste de phase, la piste de phase étant constituée d'une pluralité de segments conducteurs disposés les uns à la suite des autres, et une source de puissance électrique connectée à une ligne de neutre et une ligne de phase circulant le long d'une chaussée au niveau de laquelle sont implantées les pistes de neutre et de phase, chaque segment conducteur étant connecté aux lignes de neutre et de phase par l'intermédiaire d'un moyen de commutation commandé comportant : un premier transistor de puissance qui, dans un état passant, est propre à connecter électriquement le segment conducteur à la ligne de neutre, un second transistor de puissance qui, dans un état passant, est propre à connecter électriquement le segment conducteur à la ligne de phase, et un contrôleur propre à commander les premier et second transistors entre l'état passant et un état bloquant, caractérisé en ce que le moyen de commutation commandé d'un segment conducteur comporte en outre un organe de mesure propre à mesurer une grandeur électrique relative à l'intensité du courant circulant à travers le second transistor et à générer un signal de mesure correspondant, et en ce que le contrôleur est propre à commander le second transistor de puissance en fonction du signal de mesure. [0013] Suivant des modes particuliers de réalisation, le système comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : [0014] - le contrôleur est propre à détecter, en fonction du signal de mesure et alors que le segment conducteur est alimenté en énergie électrique, la survenue d'un court-circuit entre le segment conducteur et la ligne de neutre, et, en cas de détection d'un court-circuit, à commander le second transistor de puissance dans l'état bloquant ; [0015] - le contrôleur est configuré pour, suite à l'ouverture du second transistor après la commande du second transistor dans l'état bloquant dû à la détection d'un court-circuit, commander le premier transistor dans l'état passant ; [0016] - le contrôleur est configuré pour recevoir un signal (Sn) représentatif de la présence ou l'absence de véhicule au-dessus du segment conducteur correspondant et pour 3 commander le premier transistor dans l'état passant suite à : l'ouverture du second transistor après la commande du second transistor dans l'état bloquant suite à la détection d'un court-circuit, et l'absence de détection d'un véhicule au-dessus du segment conducteur correspondant ; [0017] - le contrôleur est propre à détecter la survenue d'un court-circuit en comparant le signal de mesure à une valeur seuil prédéterminée ; [0018] - l'organe de mesure est un capteur de courant, notamment un capteur à effet Hall ; [0019] L'invention a également pour objet un procédé mis en oeuvre dans un système d'alimentation par le sol destiné à fournir, par conduction, une puissance électrique à un véhicule électrique au cours de son déplacement, le système d'alimentation par le sol étant conforme au système précédent, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste, pour chaque moyen de commutation, à : mesurer, au moyen d'un organe de mesure une grandeur électrique relative à l'intensité du courant circulant à travers le second transistor de manière à générer un signal de mesure ; et commander le second transistor de puissance en fonction du signal de mesure. [0020] De préférence, le procédé consiste en outre, suite à l'étape de mesure, à détecter, en fonction du signal de mesure et alors que le segment conducteur est alimenté en énergie électrique, la survenue d'un court-circuit entre le segment conducteur et la ligne de neutre ; et, lors de l'étape de commande, en cas de détection d'un court-circuit, à commander le second transistor de puissance dans l'état bloquant. [0021] De préférence encore, le procédé est tel que, lorsque le segment doit être porté au potentiel haut pour qu'une puissance puisse être captée par un véhicule électrique passant au-dessus du segment, le contrôleur commande le basculement du premier transistor dans l'état bloquant et le basculement du second transistor dans l'état passant ; puis, le contrôleur traite le signal de mesure généré par l'organe de mesure de manière à détecter la survenue d'un court-circuit entre le segment conducteur et la ligne de neutre ; et, en cas de détection d'un court-circuit, le contrôleur commande le second transistor dans l'état bloquant. [0022] De préférence encore, le procédé est tel que, après que le contrôleur a commandé le second transistor dans l'état bloquant, lorsque plus aucun véhicule n'est détecté au-dessus du segment, le contrôleur commande le premier transistor dans l'état passant. [0023] L'invention et ses avantages seront mieux compris à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un mode de réalisation particulier, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, la description étant faite en se référant à l'unique dessin annexé représentant schématiquement le circuit électrique du système d'alimentation par le sol selon l'invention. [0024] [fig.1] La figure annexée représente un système d'alimentation par le sol 10. [0025] Le système 10 comporte une piste de neutre 11 et une piste de phase 12, circulant en parallèle l'une de l'autre et destinées à être implantées dans la chaussée, de manière à être affleurantes à la surface de cette dernière, afin que le patin équipant un véhicule électrique circulant sur la chaussée puisse collecter une puissance électrique par contact avec la piste de neutre 11 et la piste de phase 12. [0026] La piste de phase 12 est subdivisée en une pluralité de segments longitudinaux disposés les uns à la suite des autres, tout en ménageant entre deux segments consécutifs une isolation électrique. Sur la figure, quatre segments successifs sont représentés et référencés respectivement 12,', 12', 12,, et 12'2. [0027] Le système 10 comporte également une source de puissance électrique 20. Il peut s'agir par exemple d'une sous-station d'alimentation électrique permettant d'alimenter en puissance électrique une section, ou portion, des pistes de phase 12 et de neutre 11. Pour alimenter cette section des pistes de phase 12 et de neutre 11, le système 10 comporte une ligne de neutre 21 et une ligne de phase 22 respectivement connectées aux bornes dc sortie de la source 20. [0028] La ligne de neutre 21 est portée à un potentiel bas, par exemple égal au potentiel de la terre. Il est noté -OV sur la figure. La ligne de phase 22 est portée à un potentiel haut. Il est noté DC+ sur la figure. [0029] La ligne de neutre 21 et la ligne de phase 22 circulent le long de la chaussée. [0030] Le système 10 comporte, pour chaque segment de la piste de phase 12 un moyen de commutation commandé 30, permettant de connecter le segment correspondant soit à la ligne de phase 22 soit à la ligne de neutre 21. [0031] Par exemple, le moyen de commutation commandé 30, du segment 12, comporte un premier transistor 31, permettant, lorsqu'il est commandé de manière à être passant, de porter le segment 12, au potentiel de la ligne de neutre 21. Le moyen de commutation commandé 30, comporte également un second transistor 32, qui, lorsqu'il est commandé de manière à être passant, permet de porter le segment 12, au potentiel de la ligne de phase 12. [0032] Plus spécifiquement, le second transistor 32, est de préférence un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) dont le collecteur est connecté à un noeud C de la ligne de phase 22. L'émetteur du transistor 32, est connecté à un noeud commun B, lui-même relié à un point de connexion A sur le segment 12. [0033] En ce qui concerne le premier transistor 31n, qui est également de préférence du type IGBT, son émetteur est connecté à un noeud D de la ligne de neutre 21 et son collecteur est connecté au noeud commun B. [0034] 11 est à noter que la piste de neutre est connectée à la ligne de neutre 21 par une liaison électrique 34 s'étendant entre un point de connexion E à la piste de neutre 11 et un point de connexion F à la ligne de neutre 21. [0035] Le moyen de commutation commandé 30' comporte également un contrôleur 40'. [0036] Le contrôleur 40' est propre à piloter l'état des premier et second transistors 31' et 32 ' en appliquant des signaux de commutation adaptés sur les grilles de ces deux transistors. [0037] En entrée, le contrôleur 40' est propre à prendre en compte un signal SE, indiquant le passage d'un véhicule et le besoin d'alimenter le segment 12'. La manière de générer un tel signal S' est hors du périmètre de la présente invention et est connue de l'homme du métier. [0038] Le moyen de commutation commandé 30' comporte également un capteur d'intensité 45' propre à mesurer l'intensité du courant circulant dans le transistor 32n. L'homme du métier connait des capteurs d'intensité, notamment des capteurs qui ne modifient pas la puissance sur la maille AB. Il peut par exemple s'agir d'un capteur de courant à effet Hall. [0039] Le signal de mesure In généré par le capteur 45, est appliqué en entrée du contrôleur 40,. [0040] Une description similaire pourrait être faite pour le moyen de commutation commandé 30,, associé au segment 12', comportant des premier et second transistors 31+ et 32,,, un organe de mesure 45', de l'intensité du courant circulant dans le second transistor 32'1, un contrôleur 40,, de commande de l'étant des premier et second transistors en fonction d'un signal Sn, de présence de véhicule au-dessus du segment 121, et du signal délivré par l'organe 45,,. [0041] De préférence, le système d'alimentation par le sol comprend un disjoncteur (non re- présenté sur la figure) positionné entre la source de puissance électrique et les moyens de commutation commandés des segments d'une section de la piste de phase. [0042] Lorsque le signal Sn indique qu'aucun véhicule ne requiert que le segment 12, soit porté au potentiel haut, le premier transistor 31 est commandé en fermeture de manière à garantir que le segment 12, est au potentiel bas de la ten-e. Le second transistor 32, est commandé en ouverture. [0043] Lorsque le signal S. change d'état, indiquant que le segment 12, doit être porté au potentiel haut pour qu'une puissance puisse être captée par un véhicule électrique passant au-dessus du segment 12' le contrôleur 40, commande le basculement des premier et second transistors 31, et 321. Le premier transistor 31 est basculé en ouverture tandis que le second transistor 32,, est commandé en fermeture, de manière à porter le segment 12, au potentiel haut. [0044] Cependant, si le segment 12, est en court-circuit avec la piste de neutre 11, tel que re- présenté par le court-circuit CCI en pointillés sur la figure, une boucle de courant est établie entre les bornes de la source 20. Plus précisément, cette boucle s'étend du noeud C sur la ligne de phase 22 au point A de connexion au segment 12,, à travers le 6 transistor 32 puis du segment 12' à la piste de neutre 11 par le court-circuit CC1 et enfin du point E de connexion à la piste de neutre 11 au point F de connexion à la ligne de neutre 21. [0045] En conséquence, la source 20 qui est mise en court-circuit, débite un courant important à travers cette boucle. [0046] Cependant, le capteur 45' délivre à chaque instant une mesure de l'intensité du courant dans le transistor 32n. [0047] Le signal mesuré In est traité par le contrôleur 40'. Par exemple, à chaque instant, le signal In est comparé à une valeur seuil par le contrôleur 40'. Si l'intensité mesurée dépasse le seuil prédéfini, le contrôleur 40' commande le second transistor 32' dans l'état d'ouverture, c'est-à-dire dans l'état bloquant. Puis, après l'ouverture du second transistor 32n et avantageusement lorsque plus aucun véhicule n'est détecté au-dessus du segment 12', alors le contrôleur 40 commande le premier transistor 31n dans l'état de fermeture, c'est-à-dire dans l'état passant. [0048] Le court-circuit CC1 n'a alors aucune conséquence notamment en termes de de l'alimentation sur la ligne de phase 22. [0049] De manière similaire, si le segment 12, au moment où il est porté au potentiel haut, est en court-circuit avec un segment voisin, tel que le segment 12',, porté au potentiel bas (comme cela est représenté par la ligne en pointillés CC2 sur la figure), une boucle de courant est établie entre les bornes de la source 20. [0050] Plus précisément cette boucle s'étend du noeud C au point A de connexion au segment 12n, à travers le transistor 32, puis entre le segment 12, et le segment 12', via le court-circuit CC2, puis entre le point A de connexion au segment 12', et le noeud D de la ligne de neutre 21, à travers le transistor 31,, associé au segment 12,,,. [0051] Dans ces conditions la source 20 commence à débiter un courant important dans cette boucle de courant. [0052] Cependant, le capteur d'intensité 45, et le contrôleur 40, surveillent le niveau du courant dans la maille AB. Dès que l'intensité du courant dépasse un seuil prédéfini, le contrôleur 40, place le second transistor 32,, en état d'ouverture, c'est-à-dire dans l'état bloquant. [0053] L'invention, qui permet une protection contre les courts-circuits, est particulièrement bien adaptée au système d'alimentation par le sol pour des véhicules de longueur réduite, tels que des véhicules routiers, tels que des voitures de tourisme ou des cars ou des camions, ce type de véhicule imposant que l'espacement d'isolation entre deux segments consécutifs soit réduit par exemple jusqu'à 40 cm. En conséquence, la survenue de court-circuit est plus probable que dans le cas par exemple d'un système d'alimentation par le sol pour un tramway, pour lequel la distance d'isolation entre deux segments consécutifs est d'environ 3 m. La surveillance du courant et la capacité 7 d'un semi-conducteur du type IGBT à ouvrir le circuit en charge et avant que le courant n'atteigne des valeurs élevées contribuent à la tolérance du système vis-à-vis de ces courts-circuits. [0054] Selon l'invention, les courts-circuits sont maîtrisés sans impactcr l'alimentation des autres segments, c'est-à-dire des autres véhicules circulant sur la chaussée équipée du système. Ce dernier présente donc une disponibilité élevée. [0055] Il est à noter que le moyen de commutation commandé venant d'être présenté permet également de pallier à des dysfonctionnements, notamment du second transistor, en connectant ou en isolant le segment associé de la ligne de phase et/ou en connectant ou en isolant le segment associé de la ligne de neutre. [0056] Avec la présente solution le courant de court-circuit peut être limité afin de ne pas déclencher le disjoncteur intégré à la source, situé en amont et en commun de plusieurs segments. Les lignes dc neutre et de phase restent donc disponibles pour l'alimentation des autres segments de la même section, qui sont connectés à cette même source de puissance électrique. [0057] Pour le dimensionnement d'un système d'alimentation par le sol, le calcul du nombre de sources est lié aux coûts des sous-stations, mais aussi à la capacité dc tenue des lignes de neutre et dc phase aux courts-circuits, car plus les sources sont éloignées, plus leur puissance devra être élevée et plus le courant de court-circuit sera élevé. L'utilisation de l'invention afin dc limiter la valeur du courant de court-circuit allège donc cette contrainte technique et autorise une augmentation de la puissance des sources et donc soit de mutualiser les connexions à une source pour plusieurs voies, soit d'espacer les sources entre elles. [0058] 11 est à noter que dans le mode de réalisation décrit en détail ci-dessus, le contrôleur est présenté comme réalisant la surveillance du courant circulant à travers le second transistor de puissance par une comparaison avec une valeur seuil. En variante d'autres algorithmes peuvent être mis en oeuvre, tels que par exemple la prise en compte de la variation dans le temps du courant. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3]