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FR3032921A1 - Systeme de transport ferroviaire autonome en energie electrique - Google Patents

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FR3032921A1
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Abstract

Système de transport ferroviaire (1) comprenant : - au moins une rame (5) comportant des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D), comprenant un dispositif de stockage (20) propre à stocker une énergie électrique, et - une pluralité de stations (10) dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement, au moins l'un (7A) des véhicules ferroviaires étant un véhicule moteur comprenant un dispositif de traction (22) embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité, le dispositif de traction consommant une énergie électrique de traction pendant le déplacement, le dispositif de stockage du véhicule ferroviaire (7A) étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique de traction pendant le déplacement, et chaque station comprenant un dispositif de recharge (40) des dispositifs de stockage, le dispositif de recharge comportant des unités de distribution (80) adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage lorsque la rame est arrêtée dans ladite station, et pour fournir respectivement lesdites énergies électriques aux dispositifs de stockage.

Description

1 Système de transport ferroviaire autonome en énergie électrique La présente invention concerne un système de transport ferroviaire comprenant : - au moins une rame comportant des véhicules ferroviaires, et - une pluralité de stations dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement. Le système de transport ferroviaire est en particulier un système de métro à grand gabarit (UIC Standard B). La rame est par exemple composée de quatre voitures et capable d'embarquer plus de 800 passagers pour une masse totale supérieure à 200 tonnes, et de circuler à 70 km/h. Les besoins en énergie et en puissance d'un métro à grand gabarit sont nettement supérieurs à ceux d'un tramway ou d'un train léger, embarquant habituellement environ 200 passagers et circulant à 60 km/h. Pour un tel système ferroviaire, l'alimentation en énergie électrique est réalisée grâce à des caténaires ou à un troisième rail, les deux premiers rails constituant la voie ferrée empruntée par la rame. La pose de caténaires et/ou d'un troisième rail s'avère coûteuse au moment de la construction. Ces éléments nécessitent ensuite une maintenance en pleine voie entraînant des coûts d'exploitation.
En outre, ces éléments d'électrification des voies ferrées créent un risque d'électrocution, en général et en particulier lors de leur l'entretien. Ce risque est traité par des moyens connus en eux-mêmes ou des mises en garde, mais il ne peut toutefois être totalement éliminé, notamment en cas d'imprudence d'une personne ou de non suivi de consignes de sécurité.
Un but de l'invention est donc de remédier à tout ou partie des inconvénients ci- dessus, en proposant notamment un système de transport ferroviaire moins coûteux à la construction et qui soit simple à mettre en oeuvre. A cet effet, l'invention concerne un système de transport ferroviaire comprenant : - au moins une rame comportant des véhicules ferroviaires, chaque véhicule ferroviaire comprenant un dispositif de stockage propre à stocker une énergie électrique, et - une pluralité de stations dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement, au moins l'un des véhicules ferroviaires étant un véhicule moteur comprenant un dispositif de traction embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité, le dispositif de traction consommant 3032921 2 une énergie électrique de traction pendant le déplacement, le dispositif de stockage du véhicule ferroviaire étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique de traction au dispositif de traction pendant le déplacement, et chaque station comprenant un dispositif de recharge des dispositifs de stockage, 5 le dispositif de recharge comportant des unités de distribution adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage lorsque la rame est arrêtée dans ladite station, et pour fournir respectivement lesdites énergies électriques aux dispositifs de stockage. Selon des modes particuliers de réalisation, le système de transport ferroviaire 10 comprend l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - chaque dispositif de stockage comprend au moins un réservoir de stockage d'électricité, et une unité de supervision et de protection adaptée pour : . fournir des paramètres représentatifs d'un état du réservoir, et 15 . isoler électriquement le réservoir en cas de surcharge électrique ou de panne du réservoir ; - l'unité de supervision et de protection comporte un module électronique de contrôle de l'énergie électrique stockée dans le dispositif de stockage, le module électronique étant propre à communiquer, de préférence par ondes radio, avec l'unité de 20 distribution pour contrôler la fourniture de l'énergie électrique au dispositif de stockage ; - la rame comprend un dispositif de gestion de l'énergie embarqué, et un réseau informatique embarqué adapté pour connecter le dispositif de gestion de l'énergie à chacun des dispositifs de stockage, le dispositif de gestion de l'énergie étant propre à recevoir de chaque dispositif de stockage une information représentative de l'énergie 25 électrique stockée dans chaque dispositif de stockage ; - la rame comprend un système de pilotage automatique propre à piloter la rame, le dispositif de gestion de l'énergie embarqué étant connecté par le réseau informatique au système de pilotage automatique et étant adapté : . pour calculer un besoin énergétique de la rame pour atteindre la deuxième des 30 deux stations successives à partir de paramètres fournis par le système de pilotage automatique, et . pour envoyer au système de pilotage automatique un ordre de modification du pilotage de la rame ; - le dispositif de recharge comprend un transformateur, un poste de redressement, 35 et un unique réservoir d'électricité tampon monté en dérivation de chacune des unités de distribution, le réservoir d'électricité ayant une capacité de stockage d'électricité 3032921 3 supérieure ou égale à la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage de la rame, et au maximum égale au double de la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage de la rame ; - chacune des unités de distribution comprend au moins un réservoir d'électricité 5 tampon, et de préférence un seul réservoir d'électricité ; et - le système de transport ferroviaire tel que défini ci-dessus, dans lequel : . chaque unité de distribution comprend une borne adaptée pour être respectivement connectée électriquement à l'un des dispositifs de stockage, la borne étant mobile en translation selon une direction verticale par rapport au véhicule ferroviaire 10 à l'arrêt, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt autour d'un axe sensiblement parallèle à une direction longitudinale du véhicule ferroviaire, ou . chaque dispositif de stockage comprend un organe de connexion adapté pour être respectivement connecté électriquement à l'une des unités de distribution, l'organe de connexion étant mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt selon 15 la direction verticale, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction longitudinale. L'invention a également pour objet un procédé de transport ferroviaire comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'au moins une rame comportant des véhicules ferroviaires 20 comprenant un dispositif de stockage propre à stocker une énergie électrique, - fourniture d'une pluralité de stations dans lesquelles la rame est adaptée pour s'arrêter successivement, - chaque station comportant un dispositif de recharge des dispositifs de stockage, chaque dispositif de recharge comportant des unités de distribution d'énergie, 25 - mise en contact électrique, dans chaque station, des unités de distribution respectivement avec les dispositifs de stockage lorsque la rame est arrêtée dans la station, - fourniture, dans chaque station, des énergies électriques respectivement aux dispositifs de stockage par les unités de distribution lorsque la rame est arrêtée dans la 30 station, - déplacement d'au moins l'un des véhicules ferroviaires entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité à l'aide d'un dispositif de traction embarqué dudit véhicule ferroviaire, le véhicule ferroviaire étant un véhicule moteur, - consommation par le dispositif de traction d'une énergie électrique de traction 35 pendant le déplacement, et 3032921 4 - fourniture par le dispositif de stockage, à lui seul, de l'énergie électrique de traction au dispositif de traction. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur 5 lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un système de transport ferroviaire selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique du réservoir de stockage d'électricité et de l'unité de supervision et de protection appartenant à l'un des dispositifs de stockage 10 représentés sur la figure 1, - la figure 3 est une vue schématique d'un mécanisme de connexion entre l'un des véhicules ferroviaires et l'un des dispositifs de recharge représentés sur la figure 1, et - la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif de recharge représentant une variante du dispositif de recharge représenté sur la figure 1.
15 En référence à la figure 1, on décrit un système de transport ferroviaire, selon l'invention. Le système de transport ferroviaire comprend une rame 5 comportant des véhicules ferroviaires 7A, 7B, 7C, 7D ou « voitures », et une pluralité de stations 10, dont seulement une est représentée sur la figure 1.
20 La rame 5 est adaptée pour s'arrêter successivement dans les stations 10, par exemple pour permettre à des voyageurs (non représentés) de monter ou descendre des véhicules ferroviaires 7A à 7D. La rame 5 est par exemple un métro automatique à grand gabarit (UIC Standard B). La rame 5 est par exemple composée de quatre voitures et adaptée pour embarquer 25 plus de 800 passagers pour une masse totale supérieure à 200 tonnes, et pour circuler à 70 km/h. Dans l'exemple représenté, la rame 5 comporte quatre véhicules ferroviaires 7A à 7D attelés successivement. Selon des modes de réalisation particuliers, la rame 5 comprend un autre nombre 30 de véhicules ferroviaires, par exemple huit. Les rames sont en effet modulables par agrégation de voitures et configurées en capacité (de passagers et d'énergie) et en puissance, en fonction des besoins du système de transport ferroviaire. La rame 5 comprend en outre un dispositif de gestion de l'énergie 12 embarqué, un dispositif de pilotage 14 embarqué propre à piloter la rame, et un réseau informatique 35 16 interconnectant le dispositif de gestion de l'énergie et le système de pilotage automatique. La rame 5 comprend aussi des dispositifs auxiliaires 18 consommateurs 3032921 5 d'énergie électrique non destinés à la traction et pouvant être un ou plusieurs des éléments suivants des appareils de production d'air comprimé, des appareils de production d'air climatisé, des mécanismes d'ouverture de portes, et des chargeurs de batteries de secours.
5 Les éléments 12, 14, 16, 18 ne sont pas précisément situés sur la figure 1. On entend par là que ces éléments pourraient être situés à d'autres endroits de la rame 5. La rame 5 possède une architecture redondante. La rame 5 est formée par l'agrégation de véhicules ferroviaires autonomes en énergie entre deux stations. Chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D comprend un dispositif de stockage 20 propre 10 à stocker une énergie électrique. Dans l'exemple représenté, les deux premiers véhicules ferroviaires 7A, 7B sur la gauche de la figure 1 et le véhicule ferroviaire 7D le plus à droite sur la figure 1 sont avantageusement des véhicules moteurs. Le deuxième véhicule ferroviaire 7C en partant de la droite de la figure 1 est avantageusement un véhicule remorque.
15 Selon des variantes non représentées, la rame 5 comprend un nombre différent de véhicules moteurs et de véhicules « remorques », et/ou l'ordre des véhicules ferroviaires 7A à 7D dans la rame est différent. Les véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B, 7D comportent un dispositif de traction 22 embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire entre deux stations 10 20 successives quelconques. Chaque véhicule ferroviaire moteur 7A, 7B, 7D est avantageusement dépourvu d'organe de conversion d'énergie destinée au dispositif de traction. Les véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B, 7D sont avantageusement analogues les uns aux autres. Le véhicule ferroviaire remorque 7C est dépourvu de système de traction 25 embarqué. Le véhicule ferroviaire remorque 7C comporte un convertisseur statique 24 connecté électriquement à son dispositif de stockage 20 et avantageusement à tous les dispositifs auxiliaires de la rame. Les véhicules ferroviaires remorques, dans les variantes où ils sont plusieurs, sont avantageusement analogues les uns aux autres. Le dispositif de traction 22 comprend un onduleur de traction 26 connecté 30 électriquement au dispositif de stockage 20, et par exemple deux moteurs électriques de traction 28 connectés électriquement à l'onduleur de traction. Le dispositif de traction 22 est avantageusement adapté pour transmettre un courant de freinage au dispositif de stockage 20 afin de récupérer l'énergie électrique générée par le dispositif de traction 22 lors du freinage du véhicule ferroviaire.
3032921 6 Les dispositifs de stockage 20 des véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B, 7D sont avantageusement analogues les uns aux autres, aussi seul l'un d'entre eux sera décrit ci-après. Le dispositif de stockage 20 comprend un réservoir 30 de stockage d'électricité 5 (figures 1 et 2), une unité de supervision et de protection 32, et un organe de connexion 34 (figures 1 et 3) connecté électriquement au réservoir 30 et adapté pour établir une connexion électrique avec un dispositif de recharge 40 de la station 10 qui sera décrit ultérieurement. Chaque dispositif de stockage 20 des véhicules 7A, 7B et 7D est adapté pour 10 alimenter électriquement à lui seul le dispositif de traction 22 correspondant pendant le déplacement complet de l'une des stations 10 à une autre des stations 10 équipées du dispositif de recharge 40. En effet, il est possible que certaines stations d'une ligne ne soient pas équipées d'un tel dispositif de recharge. Le dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire remorque 7C est adapté pour 15 alimenter électriquement à lui seul l'intégralité des dispositifs auxiliaires 18 pendant le déplacement complet d'une des stations 10 à une autre. Le dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire remorque 7C possède une capacité de stockage du même ordre que celle des véhicules ferroviaires moteurs. Cette capacité est adaptée notamment en fonction des distances entre les stations et des 20 besoins de climatisation de la rame 5. La capacité de stockage du réservoir 30 dans chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D est fonction des performances et des besoins d'exploitation. Cette capacité est supérieure au strict besoin énergétique nécessaire au déplacement de la rame 5 entre deux stations 10 équipées, afin de pouvoir faire face à certaines situations telles qu'un arrêt forcé en 25 ligne (hors station). La capacité de stockage est typiquement comprise entre 10 et 20 kWh, tandis que la puissance délivrée par le réservoir dépasse le MW. Comme visible sur la figure 2, le réservoir 30 comporte des branches 42 montées en parallèles les unes des autres et avantageusement analogues. Il y a par exemple huit 30 branches 42 dans chaque réservoir 30 des véhicules ferroviaires moteurs 7A, 7B ; 7D. Seulement deux branches 42 ont été représentées sur la figure 2 par raison de simplicité. Les branches 42 comportent des modules 44 montés en série. Les modules 44 comportent une pluralité de cellules de supercondensateurs 46. Chaque module 44 intègre localement un dispositif de surveillance des cellules de 35 supercondensateurs 46, qui mesure individuellement l'état de charge et de santé de 3032921 7 chaque cellule, et d'équilibrage de charge entre cellules, responsable d'égaliser le niveau de charge des multiples cellules qui composent le module 44. Un supercondensateur est un condensateur de technique particulière possédant une densité d'énergie adaptée pour fournir une puissance intermédiaire entre les batteries 5 et les condensateurs électrolytiques classiques. Ces composants permettent donc de stocker une quantité d'énergie intermédiaire entre ces deux modes de stockage, et de la restituer plus rapidement, plus efficacement et avec une meilleure efficacité qu'une batterie. L'unité de supervision et de protection 32 est adaptée pour isoler électriquement le 10 réservoir 30 en cas de surcharge électrique ou de panne, et pour fournir des informations sur des paramètres représentatifs d'un état du réservoir, par exemple représentatifs d'un niveau de charge, d'un niveau instantané de courant, de pertes, et du vieillissement des composants du réservoir. L'unité de supervision et de protection 32 comprend par exemple, pour chaque 15 branche 42, l'un ou plusieurs des éléments suivants : - un disjoncteur 50 de protection des supercondensateurs de la branche, - un contacteur 52 de pré-charge de la branche, -: une résistance 54 de pré-charge de la branche, - un capteur de tension 56 de la branche, 20 - une carte de signalisation 58 de la présence de tension de supercondensateurs, - un organe de sectionnement 60 permettant d'isoler manuellement le réservoir 30 lors d'interventions d'entretien du dispositif de stockage 20, et - un module électronique 62 de contrôle d'énergie propre à assurer une surveillance et une gestion des modules 44 de supercondensateurs, ainsi que le pilotage des organes 25 électromécaniques de l'unité de supervision et de protection 32. L'unité de supervision et de protection 32 est adaptée pour que le courant moyen échangé avec l'onduleur de traction 26 à chaque phase (traction, freinage, recharge) soit partagé entre toutes les branches 42 du réservoir 30. Ce partage réduit le courant circulant au niveau des cellules de manière à limiter la taille des modules 44 et la 30 complexité d'un dispositif de refroidissement (non représenté) du réservoir. Le module électronique 62 est adapté pour rapporter l'état du réservoir 30 au dispositif de gestion de l'énergie 12 de la rame 5. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est dit « intelligent ». Il est configuré pour que la rame 5 dispose de l'énergie électrique nécessaire pour rejoindre la station 10 35 suivante.
3032921 8 A cet effet, le dispositif de gestion de l'énergie 12 est configuré pour déterminer, de préférence en temps réel, le profil d'accélération et de vitesse adéquat pour la rame 5 à partir d'une ou plusieurs des informations suivantes : - un niveau de charge de chaque réservoir 30 envoyé par le module électronique 5 62 de contrôle d'énergie correspondant, et - la position et la vitesse en temps réel de la rame 5 fournies par le système de pilotage automatique 14. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est adapté pour avoir connaissance de la typologie de la ligne et la mission de la rame 5.
10 Le réseau informatique 16 relie le dispositif de gestion de l'énergie 12 notamment aux unités de supervision et protection 32 de chaque dispositif de stockage 20. Du fait de sa connexion avec les unités de supervision et protection 32, le dispositif de gestion de l'énergie 12 embarqué est informé à chaque instant des réserves d'énergie disponibles pour la course de la rame 5 et de l'état des dispositifs de stockage 15 20. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est adapté pour suivre l'évolution du niveau de charge et de la performance électrique de chaque dispositif de stockage 20. Du fait de sa connexion avec le système de pilotage automatique 14, le dispositif de gestion de l'énergie 12 est informé de la position, de la vitesse et la mission courantes de la rame 5.
20 La mission comprend par exemple l'une ou plusieurs des informations suivantes : prochaine station à desservir, disponibilité de l'itinéraire correspondant, profil de vitesse prévu pour la rame 5, charge de la rame en passagers. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est adapté pour estimer en temps réel les besoins énergétiques et pour calculer l'évolution des réserves. En cas critique, c'est-à- 25 dire si un risque de manque d'énergie électrique est détecté (par exemple à la suite d'un arrêt en ligne ou d'une défaillance du dispositif de recharge de la prochaine station équipée), le dispositif de gestion de l'énergie 12 est configuré pour demander au système de pilotage automatique 14 une modification de la marche de la rame 5 afin d'assurer que la rame parvienne et s'arrête à la prochaine station 10.
30 Le diagnostic de l'état de santé des dispositifs de stockage 20 est fondé sur l'analyse de paramètres physiques des composants des réservoirs des dispositifs de stockage. Le système de pilotage automatique 14 est adapté pour permettre l'arrêt précis de la rame 5 en vis-à-vis du dispositif de recharge 40 de la station 10 concernée.
35 Chaque station 10 comprend un dispositif de recharge 40 analogue au dispositif de recharge représenté sur la figure 1.
3032921 9 Optionnellement, les stations 10 font partie d'un réseau (non représenté) de stations dont l'une ou plusieurs ne comportent pas de dispositif de recharge analogue au dispositif de recharge représenté sur la figure 1. Dit autrement, optionnellement, certaines stations du réseau sont équipées d'un dispositif de recharge, comme les stations 10, et 5 d'autres stations ne le sont pas. Le dispositif de recharge 40 (figure 1) comprend une connexion 70 à une source d'énergie électrique 72, un transformateur 74, un poste de redressement 76, un unique réservoir d'énergie tampon 78, et des unités de distribution 80 adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage 20 lorsque la rame 10 5 est arrêtée dans ladite station 10. La source d'énergie électrique 72 est avantageusement le réseau électrique public de moyenne tension d'une ville. Par « moyenne tension », on entend par exemple une tension alternative comprise entre 1 et 50 kV. Le poste de redressement 76 est de conception classique.
15 Le réservoir 78 dispose d'une capacité de puissance élevée. Le niveau de puissance à transmettre vers chaque véhicule ferroviaire dépasse 1 MW. Le réservoir 78 est dimensionné pour fournir l'énergie électrique nécessaire à la recharge rapide de deux rames analogues à la rame 5 représentée sur la figure 1, i. e. une par sens de circulation, et pour reconstituer sa propre réserve d'énergie pendant un 20 intervalle de temps entre deux rames s'arrêtant l'une après l'autre dans la station concernée. L'intervalle de temps entre deux rames circulant dans le même sens est typiquement supérieur à 60 secondes. Le réservoir 78 tampon fait par exemple appel à l'une ou l'autre des technologies 25 suivantes connues en elles-mêmes : volants d'inertie, modules de supercondensateurs, ou stockage magnétique à supraconducteurs. Le réservoir 78 est par exemple constitué d'une association en dérivation de plusieurs unités de stockage par supercondensateurs ou de plusieurs volants d'inertie. Les unités de distribution 80 comprennent des convertisseurs 82 DC/DC de 30 puissance (dispositif d'adaptation d'impédance). Il y a avantageusement au moins autant d'unités de distribution 80 que de véhicules ferroviaires 7A à 7D dans la rame, ou dans deux rames si la station 10 concernée est à double sens de circulation. Afin d'éviter tout risque d'électrisation, les unités de distribution 80 ne sont 35 alimentées que lorsque la rame 5 est en position de charge. Le système de pilotage automatique 14 de la rame 5 est adapté pour commander l'alimentation des unités de 3032921 10 distribution 80 en électricité, avantageusement de manière à ce que l'énergie électrique soit fournie pendant que les portes sont ouvertes et soit coupée après la fermeture des portes. Les unités de distribution 80 sont respectivement adaptées pour limiter les 5 courants de charge arrivant dans les réservoirs 30 des dispositifs de stockage 20 et pour contrôler la charge des réservoirs individuellement. Chaque unité de distribution 80 est adaptée pour communiquer, de préférence par ondes radio avec le module électronique 62 de contrôle d'énergie du dispositif de stockage 20 correspondant.
10 Chaque unité de distribution 80 comprend par exemple un support 84 et un embout 86 monté sur le support (figure 3). L'embout 86 est par exemple en forme de « V » inversé, et avantageusement situé verticalement au niveau de la voie ferrée. Dans l'exemple représenté, l'organe de connexion des dispositifs de stockage 20 15 comporte une partie mobile 88, formant par exemple un bras. L'organe de connexion 34 comprend un embout complémentaire 90 de l'embout 86 des unités de distribution 80. L'organe de connexion 34 est adapté pour être respectivement connecté électriquement à l'une des unités de distribution 80. Le bras 88 est mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire 7A à 7D à 20 l'arrêt selon une direction verticale V du véhicule ferroviaire, et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire à l'arrêt autour d'un axe D1 sensiblement parallèle à une direction longitudinale L du véhicule ferroviaire. Le bras 88 est mobile entre une position de repos (à gauche sur la figure 3) et une position descendue (à droite sur la figure 3) dans laquelle l'embout complémentaire 90 est en contact électrique avec l'embout 86 de 25 l'unité de distribution 80 correspondante. Selon une variante non représentée, la partie mobile 88 est intégrée à l'unité de distribution 80 de la station et non à l'organe de connexion 34 du dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire. Chaque unité de distribution 80 comprend alors une borne adaptée pour être respectivement connectée électriquement à l'un des dispositifs de 30 stockage 20, la borne étant mobile en translation par rapport au véhicule ferroviaire 7A à 7D à l'arrêt selon la direction verticale V, et mobile en rotation par rapport à son support 84 autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction longitudinale L. L'organe de connexion 34 du dispositif de stockage 20 et l'unité de distribution 80 correspondante sont adaptés pour établir un contact électrique de très basse impédance 35 au niveau de l'embout 86 et de l'embout complémentaire 90.
3032921 11 Le système de pilotage automatique 14 est configuré pour assurer un alignement longitudinal de la rame 5 et des unités de distribution 80 lors de l'arrêt de la rame dans la station. Le système de pilotage automatique 14 est en outre adapté pour commander le déploiement de chaque bras après l'arrêt de la rame 5 en station et un repli de chaque 5 bras avant le départ de la rame. Des valeurs usuelles retenues pour les tolérances de positionnement de la rame 5 par rapport aux unités de distribution 80 sont par exemple : longitudinalement : ± 250 mm, transversalement : ± 27 mm, et 10 en hauteur : ± 30 mm. Selon une variante représentée sur la figure 4, le dispositif de recharge 40 ne comprend pas de réservoir d'énergie unique, ni de redresseur unique. Chaque unité de distribution 80 comporte un redresseur 76A, 76B, 76C, 76D et un réservoir d'énergie 78A, 78B, 78C, 78D tampon montés en série l'un avec l'autre.
15 Les réservoirs d'énergie 78A, 78B, 78C, 78D tampon des unités de distribution 80 intègrent avantageusement des volants d'inertie. Dans ce cas, il est possible de se passer des convertisseurs 82 DC/DC d'adaptation d'impédance. Dans cette configuration, un des réservoirs d'énergie tampon 78A à 78D est associé respectivement à un des véhicules ferroviaires 7A à 7D. Le module électronique 62 de contrôle d'énergie de chaque réservoir 20 30 embarqué est alors adapté pour piloter directement le volant d'inertie associé au véhicule ferroviaire afin de contrôler la charge du réservoir embarqué. Le fonctionnement du système de transport ferroviaire 1 va maintenant être décrit. La rame 5 arrive dans la station 10. Les courants de freinage sont transmis par les 25 onduleurs 26 aux dispositifs de stockage 20. Néanmoins, les réservoirs 30 des dispositifs de stockage 20 propres à chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D peuvent être dans un état de charge incomplet. En effet, les dispositifs de stockage 20 des véhicules moteurs 7A, 7B, 7D ont alimenté en électricité respectivement les dispositifs de traction 22, et le dispositif de stockage 20 du véhicule 30 remorque 7C a alimenté les dispositifs auxiliaires 18 de la rame 5. Le système de pilotage automatique 14 commande la rame 5 pour que celle-ci s'arrête dans la station 10 dans la position représentée sur la figure 1, dans laquelle les organes de connexion 34 des dispositifs de stockage 20 sont en vis-à-vis des unités de distribution 80 du dispositif de recharge 40, avec tolérance.
35 Le système de pilotage automatique 14 commande l'ouverture des portes de chaque véhicule ferroviaire 7A à 7D et des éventuelles portes palières en vis-à-vis. Le 3032921 12 système de pilotage automatique 14 commande l'alimentation en électricité des unités de distribution 80, les unités de distribution n'étant avantageusement pas alimentées en l'absence de rame à l'arrêt dans la station 10. Le système de pilotage automatique 14 fait descendre la partie mobile 88 de 5 chaque organe de connexion 34 des dispositifs de stockage 20. L'embout 86 de chaque unité de distribution 80 et l'embout complémentaire 90 de chaque organe de connexion 34 se mettent alors en contact électrique à faible impédance. Si nécessaire, la partie mobile 88 pivote autour de l'axe D1 de façon à permettre une certaine tolérance dans la position relative du véhicule ferroviaire 7A à 7D transversalement par au support 84 de 10 l'unité de distribution 80. La recharge des réservoirs 30 des dispositifs de stockage 20 commence alors. Les modules électroniques 62 de contrôle d'énergie communiquent respectivement avec les convertisseurs 82 DC/DC de puissance pour limiter individuellement le courant de charge de chaque dispositif de stockage 20.
15 Chaque module électronique 62 adapte la stratégie de recharge au niveau de charge du réservoir 30 correspondant considéré individuellement. Quand le réservoir 30 est plutôt vide, le courant de charge est régulé afin de limiter la dissipation dans les câbles et au niveau du contact entre l'embout 86 et l'embout complémentaire 90. A mesure que le niveau de charge augmente, une régulation de la puissance de charge est 20 mise en oeuvre. L'électricité provient essentiellement du réservoir d'énergie 78 tampon. Le réservoir d'énergie 78 tampon est alimenté par la source d'énergie électrique 72 via le transformateur 74 et le redresseur 76. Le réservoir d'énergie 78 tampon permet de pourvoir aux appels ponctuels 25 d'énergie nécessaires à la charge des rames 5 en station, tout en assurant un lissage dans le temps de la puissance électrique consommée par le dispositif de recharge 40 en provenance de la source de d'énergie électrique 72. A tout moment, l'unité de supervision et de protection 32 peut isoler électriquement le réservoir 30 en cas de surcharge électrique ou de panne, et fournit au 30 dispositif de gestion de l'énergie 12 de la rame 5 les paramètres représentatifs de l'état du réservoir. Avant le départ de la rame 5, le système de pilotage automatique 14 fait remonter la partie mobile 88 de chaque organe de connexion 34 des dispositifs de stockage 20. Le système de pilotage automatique 14 active aussi la fermeture des portes de la rame 5 et, 35 avantageusement, désactive l'alimentation en électricité des unités de distribution 80.
3032921 13 La rame 5 quitte ensuite l'une des stations 10 pour se diriger vers une autre des stations 10. La rame 5 est alors autonome en énergie électrique. Le réservoir 78 tampon du dispositif de recharge 40 commence alors à reconstituer sa propre réserve d'énergie avant qu'une autre rame 5 s'arrête dans la 5 station 10. Dans la rame 5 qui vient de partir, les dispositifs auxiliaires 18 considérés ensemble consomment une énergie électrique auxiliaire pendant le déplacement entre les deux stations 10 successives. Le dispositif de stockage 20 du véhicule ferroviaire 7C remorque fournit à lui seul l'énergie électrique auxiliaire de l'intégralité des véhicules 10 ferroviaire 7A, 7B, 7C et 7D de la rame 5. Chaque dispositif de traction 22 consomme une énergie électrique de traction pendant le déplacement de la station 10 vers l'autre station. Chaque dispositif de stockage 20 des véhicules ferroviaires 7A, 7B, 7D moteurs fournit à lui seul l'énergie de traction au dispositif de traction 22 correspondant pendant le déplacement.
15 Le dispositif de gestion de l'énergie 12 adapte la mission de la rame 5 avec un objectif d'optimisation énergétique. Il agit pour que la rame 5 dispose de l'énergie électrique nécessaire pour rejoindre la station 10 suivante. A cet effet, le dispositif de gestion de l'énergie 12 détermine, de préférence en temps réel, le profil d'accélération et de vitesse adéquat pour la rame 5. Le dispositif de 20 gestion de l'énergie 12 est informé à chaque instant par les unités de supervision et protection 32 des réserves d'énergie disponibles pour la course de la rame 5 et de l'état des dispositifs de stockage 20. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 suit l'évolution du niveau de charge et de la performance électrique de chaque dispositif de stockage 20. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 est informé par le système de pilotage automatique 25 14 de la position, de la vitesse et la mission courantes de la rame 5. Le dispositif de gestion de l'énergie 12 estime en temps réel les besoins énergétiques et calcule l'évolution des réserves. En cas critique, le dispositif de gestion de l'énergie 12 demande au système de pilotage automatique 14 une modification de la marche de la rame 5 afin d'assurer que la rame parvienne et s'arrête à la station prévue.
30 La rame 5 arrive dans cette autre station 10. Le processus se répète comme décrit ci-dessus. Grâce aux caractéristiques décrites ci-dessus, le système de transport ferroviaire 1 fonctionne sans caténaire ni troisième rail. Le système de transport ferroviaire 1 est donc moins coûteux à la construction et simple à mettre en oeuvre, notamment en ce qui 35 concerne la maintenance.
3032921 14 Grâce au diagnostic de l'état de santé des dispositifs de stockage 20, il est possible de mettre en place une maintenance préventive des dispositifs de stockage. La rame 5 incorpore avantageusement à bord la capacité d'énergie nécessaire à assurer les performances requises en toute condition d'exploitation, sans compromettre 5 son taux de disponibilité. Le taux de disponibilité de la rame 5 est maintenu, voire amélioré, en palliant par redondance l'éventuelle défaillance du dispositif de stockage 20 de l'un des véhicules moteurs de la rame. Chaque réservoir 30 étant directement relié à un onduleur 26 sans convertisseur 10 de tension, l'efficacité énergétique et la fiabilité sont maximisées. L'encombrement et le poids des dispositifs de stockage 20 sont en outre limités. Grâce à l'utilisation de cellules de supercondensateurs, les dispositifs de stockage 20 ont une durée de vie correspondant à un nombre de cycles de charge/décharge supérieur à un million ; et l'état des réservoirs 30 (état de la charge lors de l'exploitation et 15 vieillissement des cellules pour la maintenance) est supervisé de manière simple. Le dispositif de connexion représenté sur la figure 3 permet d'établir une connexion fiable et à basses pertes d'énergie entre chaque réservoir 30 embarqué et le dispositif de recharge 40. La quantité d'énergie transférée vers chacun des réservoirs 30 de la rame 5 est 20 adaptée individuellement. Le ou les réservoirs d'énergie 78 tampon du dispositif de recharge 40 offre(nt) les avantages suivants : un lissage de la consommation d'énergie du réseau public, une diminution significative de la puissance de raccordement au réseau, et une réduction importante de la puissance de la sous-station (transformateur et redresseur).
25 Le système de transport ferroviaire 1 assure le transfert intégral de l'énergie indispensable aux réservoirs 30 embarqués dans une période inférieure au temps lié à la descente des voyageurs et à la montée de nouveaux voyageurs dans la rame 5. Le dispositif de recharge 40 des stations 10 étant directement raccordé au réseau électrique de la ville, les coûts de déploiement d'une infrastructure exclusive de transport 30 électrique en haute tension sont évités. Le système de transport ferroviaire 1 évite les crêtes de consommation d'énergie en provenance du réseau public et ne perturbe pas ce réseau.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1.- Système de transport ferroviaire (1) comprenant : - au moins une rame (5) comportant des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D), chaque véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) comprenant un dispositif de stockage (20) propre à stocker une énergie électrique, et - une pluralité de stations (10) dans lesquelles la rame (5) est adaptée pour s'arrêter successivement, au moins l'un (7A) des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) étant un véhicule moteur comprenant un dispositif de traction (22) embarqué adapté pour déplacer le véhicule ferroviaire (7A) entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité, le dispositif de traction (22) consommant une énergie électrique de traction pendant le déplacement, le dispositif de stockage (20) du véhicule ferroviaire (7A) étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique de traction au dispositif de traction (22) pendant le déplacement, et chaque station (10) comprenant un dispositif de recharge (40) des dispositifs de stockage (20), le dispositif de recharge (40) comportant des unités de distribution (80) adaptées pour être respectivement en contact électrique avec les dispositifs de stockage (20) lorsque la rame (5) est arrêtée dans ladite station (10), et pour fournir respectivement lesdites énergies électriques aux dispositifs de stockage (20).
  2. 2.- Système de transport ferroviaire selon la revendication 1, dans lequel la rame (5) comporte des dispositifs auxiliaires (18) propres à produire de l'air comprimé ou de l'air climatisé, au moins l'un (7C) des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) étant un véhicule remorque dépourvu de système de traction embarqué, les dispositifs auxiliaires (18) considérés ensemble consommant une énergie électrique auxiliaire pendant le déplacement entre les deux stations (10) successives, le dispositif de stockage (20) du véhicule remorque étant adapté pour fournir à lui seul l'énergie électrique auxiliaire de l'intégralité des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D).
  3. 3.- Système de transport ferroviaire (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chaque dispositif de stockage (20) comprend au moins un réservoir (30) de stockage d'électricité, et une unité de supervision et de protection (32) adaptée pour : - fournir des paramètres représentatifs d'un état du réservoir (30), et - isoler électriquement le réservoir (30) en cas de surcharge électrique ou de panne du réservoir (30). 3032921 16
  4. 4.- Système de transport ferroviaire (1) selon la revendication 3, dans lequel l'unité de supervision et de protection (32) comporte un module électronique (62) de contrôle de l'énergie électrique stockée dans le dispositif de stockage (20), le module électronique 5 (62) étant propre à communiquer, de préférence par ondes radio, avec l'unité de distribution (80) pour contrôler la fourniture de l'énergie électrique au dispositif de stockage (20).
  5. 5.- Système de transport ferroviaire (1) selon l'une quelconque des revendications 10 1 à 4, dans lequel la rame (5) comprend un dispositif de gestion de l'énergie (12) embarqué, et un réseau informatique (16) embarqué adapté pour connecter le dispositif de gestion de l'énergie (12) à chacun des dispositifs de stockage (20), le dispositif de gestion de l'énergie (12) étant propre à recevoir de chaque dispositif de stockage (20) une information représentative de l'énergie électrique stockée dans chaque dispositif de 15 stockage (20).
  6. 6.- Système de transport ferroviaire (1) selon la revendication 5, dans lequel la rame (5) comprend un système de pilotage automatique (14) propre à piloter la rame (5), le dispositif de gestion de l'énergie (12) embarqué étant connecté par le réseau 20 informatique (16) au système de pilotage automatique (14) et étant adapté : - pour calculer un besoin énergétique de la rame (5) pour atteindre la deuxième des deux stations successives à partir de paramètres fournis par le système de pilotage automatique (14), et - pour envoyer au système de pilotage automatique (14) un ordre de modification 25 du pilotage de la rame (5).
  7. 7.- Système de transport ferroviaire (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif de recharge (40) comprend un transformateur (74), un poste de redressement (76), et un unique réservoir d'électricité (78) tampon monté en 30 dérivation de chacune des unités de distribution (80), le réservoir d'électricité (78) ayant une capacité de stockage d'électricité supérieure ou égale à la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage (20) de la rame (5), et au maximum égale au double de la somme des capacités de stockage des dispositifs de stockage (20) de la rame (5). 35
  8. 8.- Système de transport ferroviaire (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel chacune des unités de distribution (80) comprend au moins un 3032921 17 réservoir d'électricité (78A, 78B, 78C, 78D) tampon, et de préférence un seul réservoir d'électricité.
  9. 9.- Système de transport ferroviaire (1) selon l'une quelconque des revendications 5 1 à 8, dans lequel : - chaque unité de distribution (80) comprend une borne adaptée pour être respectivement connectée électriquement à l'un des dispositifs de stockage (20), la borne étant mobile en translation selon une direction verticale (V) par rapport au véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt, et mobile en rotation par rapport au véhicule 10 ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt autour d'un axe (D1) sensiblement parallèle à une direction longitudinale (L) du véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D), ou - chaque dispositif de stockage (20) comprend un organe de connexion (34) adapté pour être respectivement connecté électriquement à l'une des unités de distribution (80), l'organe de connexion (34) étant mobile en translation par rapport au 15 véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt selon la direction verticale (V), et mobile en rotation par rapport au véhicule ferroviaire (7A, 7B, 7C, 7D) à l'arrêt autour d'un axe sensiblement parallèle à la direction longitudinale (L).
  10. 10.- Procédé de transport ferroviaire comprenant les étapes suivantes : 20 - fourniture d'au moins une rame (5) comportant des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) comprenant un dispositif de stockage (20) propre à stocker une énergie électrique, - fourniture d'une pluralité de stations (10) dans lesquelles la rame (5) est adaptée pour s'arrêter successivement, 25 - chaque station (10) comportant un dispositif de recharge (40) des dispositifs de stockage (20), chaque dispositif de recharge (40) comportant des unités de distribution (80) d'énergie, - mise en contact électrique, dans chaque station (10), des unités de distribution (80) respectivement avec les dispositifs de stockage (20) lorsque la rame (5) est arrêtée 30 dans la station (10), - fourniture, dans chaque station (10), des énergies électriques respectivement aux dispositifs de stockage (20) par les unités de distribution (80) lorsque la rame (5) est arrêtée dans la station (10), - déplacement d'au moins l'un (7A) des véhicules ferroviaires (7A, 7B, 7C, 7D) 35 entre deux stations successives quelconques de ladite pluralité à l'aide d'un dispositif de 3032921 18 traction (22) embarqué dudit véhicule ferroviaire (7A), le véhicule ferroviaire (7A) étant un véhicule moteur, - consommation par le dispositif de traction (22) d'une énergie électrique de traction pendant le déplacement, et 5 - fourniture par le dispositif de stockage (20), à lui seul, de l'énergie électrique de traction au dispositif de traction (22).
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