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WO2012104543A1 - Procede et systeme de gestion de l'energie d'un engin ferroviaire - Google Patents

Procede et systeme de gestion de l'energie d'un engin ferroviaire Download PDF

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Publication number
WO2012104543A1
WO2012104543A1 PCT/FR2012/050206 FR2012050206W WO2012104543A1 WO 2012104543 A1 WO2012104543 A1 WO 2012104543A1 FR 2012050206 W FR2012050206 W FR 2012050206W WO 2012104543 A1 WO2012104543 A1 WO 2012104543A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sources
frequency domain
energy
source
machine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2012/050206
Other languages
English (en)
Inventor
Alain Jeunesse
Yannick EVAIN
Florian JOFFRIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SNCF Mobilites
Original Assignee
SNCF Mobilites
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SNCF Mobilites filed Critical SNCF Mobilites
Priority to EP12707828.5A priority Critical patent/EP2670620A1/fr
Publication of WO2012104543A1 publication Critical patent/WO2012104543A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
    • B60L50/15—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines with additional electric power supply
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/53—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells in combination with an external power supply, e.g. from overhead contact lines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors

Definitions

  • the present invention relates to a method for managing the energy of a railway vehicle. It also relates to a corresponding management system.
  • the invention is more particularly concerned with the field of rail transport, particularly in the field of hybrid railway vehicles.
  • the first architecture is based on electric locomotives and the second architecture is based on diesel locomotives.
  • energy is distributed by sampling over a catenary through pantographs, transformers (in the case of alternative networks) and converters.
  • energy is produced on site by a generator associated with a heat engine.
  • Both architectures have a common part consisting of traction motors and auxiliaries.
  • railway engines powered by an electric motor had only one source of energy such as a catenary, a third rail, a heat engine, and so on. This source was sized to provide the maximum power needed to ensure the traction of the machine and the
  • the main source reloads the storage means from a predefined threshold. This command aligns the power generation with the speed of the machine and the state charge of the storage means.
  • this type of energy management of a railway vehicle is not suitable for a railway vehicle comprising a plurality of on-board electrical energy sources of different types.
  • the present invention aims to improve the situation.
  • the invention firstly relates to a method for managing the energy of a railway vehicle comprising a plurality of on-board energy sources and consumers of electrical energy, said method comprising the steps of:
  • control of the machine for using, in priority, the source allocated to said frequency domain during operation of the vehicle in this domain.
  • the method of the invention makes it possible to optimize the use of on-board energy sources by exploiting the adequacy of each type of source to a particular frequency domain of operation.
  • the frequency domain of operation is directly related to the variation of the electric power demand of the vehicle during this operation.
  • the power demanded shows large amplitude variations, brief and fast, corresponding to a frequency operating frequency domain located at the high frequencies.
  • the power requested by the operation of the machine is more continuous, its amplitude can be significant and not very variable.
  • the frequency dominance of operation is, in this case, located on the side of the low frequencies.
  • each source of electrical energy having at least one physical limitation comprises the steps of:
  • the physical limitations of the sources are chosen from among a maximum power and / or a charge level and / or a minimum operating interruption time between two successive operations of the source.
  • the use control step comprises a substep of selecting at least one elementary source from among the elementary sources of the same type. , said selection being made in such a way as to balance the use of the elementary sources.
  • the selection takes into account the charge level of the elementary storage means so as to avoid that one of the elementary means completely unloaded while another would be fully loaded.
  • the defined frequency domains comprise:
  • the first frequency domain close to the continuous, is an image of the average value of the mission of the machine while the second frequency domain corresponds to very variable regimes.
  • the source allocated to the first frequency range is chosen from a generator and / or a battery pack and / or a fuel cell.
  • the characteristics of these sources require steady-state operation for optimal use in terms of efficiency, consumption, lifetime, emission of pollutants, etc.
  • the source allocated to the second frequency domain is a block of supercapacitors.
  • the supercapacitors are able to withstand operating cycles of about a hundred MHz to a few Hz.
  • their charging and discharging cycles have a frequency adapted to the second frequency range
  • the sources comprising electrical energy storage means
  • said method further comprises a step of calculating an autonomy of the storage means.
  • This autonomy is equal to the ratio between the electrical energy available in the storage means and the maximum electrical power that can be absorbed by the consumers.
  • the knowledge of this autonomy makes it possible to further optimize the use of the sources by not triggering the use of the so-called main sources, for example the generator and / or the fuel cell, only when the autonomy of the storage means goes down. below a certain predetermined threshold.
  • the method further comprises a step of calculating the total current consumed by the plurality of consumers.
  • the invention also relates to a system for managing the energy of a railway vehicle comprising a plurality of on-board energy sources and consumers of electrical energy, said system comprising means 25 of:
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the electrical structure of a railway vehicle according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the structure and operation of the energy management system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the detailed structure of the processing means of the management system of FIG. 2 according to an embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of the energy management method according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is an enlarged view of part of the diagram of FIG. 4.
  • FIG. 1 illustrates the electrical network of a railway vehicle 2 of the type
  • the machine 2 is provided with a traction unit 4 for driving the machine.
  • the traction unit 4 comprises, by way of non-limiting example, four electric traction motors 6.
  • the traction unit 4 also comprises a power supply 8 for energizing the motors 6.
  • the traction diagram of the vehicle 2 allows braking by energy recovery.
  • These engines 6 consume electrical energy produced by a plurality of electrical sources on board the vehicle 2. These onboard sources produce or store energy on board the craft 2.
  • these sources comprise a generator 12.
  • the generator 12 includes a diesel engine providing a power equal to 230 kW, for example. It is the main source of electrical energy.
  • this main source may comprise a fuel cell, or a combination of a generator with a fuel cell.
  • the sources on board the craft 2 also include energy storage means 14.
  • the energy storage means 14 comprise in particular a battery pack 16 and a block of supercapacitors 18.
  • the battery pack 16 preferably comprises Ni-Cd batteries
  • the battery pack 16 comprises 2 groups of 6 modules of 48 cells of battery cells with a capacity of 135 Ah.
  • the supercapacitor block 18 comprises a plurality of supercapacitors, for example 8 modules of 200 series-connected 5000F / 2.5V supercapacitors. The total capacity of the block of supercapacitors 18 is then equal, in this example to 200 F.
  • supercapacitors of different capacity for example 2600F or 9000F.
  • the apparatus 2 also comprises a set of auxiliaries 20 which comprises, in particular, fans 22 of the traction motors 6, an air compressor 24 for the operation of the brakes of the machine 2, and a battery charger 26 coupled to an electric accumulator supplying energy to a low voltage circuit (72 V) of the machine 2.
  • auxiliaries 20 comprises, in particular, fans 22 of the traction motors 6, an air compressor 24 for the operation of the brakes of the machine 2, and a battery charger 26 coupled to an electric accumulator supplying energy to a low voltage circuit (72 V) of the machine 2.
  • All of the sources of electrical energy, that is to say the generator group 12, the battery pack 16 and the supercapacitor block 18, and consumers of electrical energy, that is to say the traction motors 6 and the auxiliaries 20 are connected to each other via a bus or high-voltage electrical network 28, otherwise called a power bus.
  • the electric power sources 12, 16, 18 and the consumers 6, 20 are further connected to each other via a CAN computer network 30 to which a supervisor 32 is connected.
  • the main function of the supervisor 32 is to optimally distribute the energy supplied from the available energy sources to the consumers and the energy supplied by the generator 12 to the battery pack 16 and the supercapacitor block 18.
  • the supervisor 32 constitutes the component in which the steps of the energy management method of the invention are implemented. In other words, it is this component which comprises the means of the energy management system of the invention.
  • the supervisor 32 comprises an automaton 34 and a real time calculator
  • the controller 34 performs control control functions of the machine 2 by implementing a digitized logic.
  • the computer 36 provides optimized management of the energy on board the craft 2 by developing voltage or current instructions that must provide and / or absorb sources and consumers in o function of the rail mission to be performed and according to the state of the equipment (in service or not, for example).
  • a human machine interface HMI 38 is also provided.
  • This interface IHM 38 connected to the network CAN 30 is able to show a driving or maintenance agent of the machine 2, the state of the energy sources, their autonomy, the
  • the HMI interface 38 is implemented either in the traditional way by conventional commands to a control console, or by a touch screen connected to the control system and / or maintenance by a link
  • the energy management system manages the energy flows between the plurality of sources and the consumers. It ensures the energy requirement of the mission 25 of the machine 2 while optimizing the consumption, pollution and the life of the components constituting it.
  • the energy management system comprises means for acquiring information 40. decoding the information available on the CAN 30 computer network and means for scaling this information, for example means of standardization of measurement units, etc.
  • the information acquired is analog or Boolean.
  • this information can be a state of charge of the batteries and / or supercapacitors, a quantity of energy stored in the storage means, an instantaneous power consumed and / or supplied, instructions for use. effort, availability of equipment, geolocation data of the machine in the railway field, a speed of the machine, a fuel level in the tank that supplies the generator, etc.
  • the energy management system also includes means 42 for processing the information acquired.
  • the energy management system also comprises means 44 for issuing instructions. These means are capable of performing post-treatments of
  • the processing means 42 comprise means 46 for collecting information relating to the quantities of available electrical energy that can be supplied by the sources and to the maximum electrical power likely to be absorbed by the consumers from the information acquired by the users. means of acquiring information 40.
  • the collecting means 46 receive means 40 for acquiring information relating to the power of the generator set 12, to the charge states of the battery pack 16 and / or the supercapacitor block 18, to a slope limitation. of loading of the storage means 14, to a quantity of available energy stored in the
  • the processing means 42 also comprise means 48 for calculating autonomy of the storage means 14 from the information collected by the collection means 46.
  • the autonomy is defined as the ratio between the electrical energy available in the storage means 14 and the maximum electrical power likely to be absorbed by the consumers.
  • the energy available in each of the storage means 14 is related to a maximum discharge depth tolerated by said storage means taking into account the number of cycles of the storage means for a defined lifetime.
  • the maximum power likely to be absorbed by the consumers is proportional to the sum of the maximum currents consumed by the auxiliaries 20 and the traction motors 6.
  • the calculated autonomy is transmitted to control means 50 for starting up the generator set 12.
  • control means 50 decide to start up the generator set 12 when the value of the calculated autonomy is lower than a determined threshold, preferably between 20 and 40 seconds, in particular equal to 30 seconds.
  • This threshold of autonomy is determined taking into account the composition of the train towed by the machine and its mission, in terms of speed to meet, line profile, etc., and the characteristics of the means of storage in order to optimize their use in terms of energy efficiency, pollution, lifespan, etc.
  • the control means 50 transmit an electrical energy setpoint 52 to be supplied by the generator set 12 and a corresponding electrical power setpoint 54 to be supplied by the generator set 12.
  • the processing means 42 furthermore comprise means 56 for calculating the electric current to be supplied by the storage means 14 from the stream 57 to be supplied to the consumers for carrying out the mission, the value of which has been received since means of acquisition 40 information, and the electrical current setpoint 54 to be supplied by the generator set 12 received from the control means 50.
  • the calculation means 56 implement the principle of conservation of the currents (law of the nodes), the electric current 58 to be supplied by the storage means 14 then being equal to the difference between the current 57 to be supplied to the consumers for the achievement of the mission and the electrical current setpoint 54 to be supplied by the generator 12.
  • the processing means 42 also comprise frequency discrimination means 60. These frequency discrimination means 60 distribute the current 58 to be supplied by the storage means 14 over at least two frequency domains according to the characteristics of the desired mission. the machine 2.
  • the frequency discrimination means 60 define three frequency domains 62, 64, 66 for operating the machine 2.
  • the first frequency domain 62 is close to the continuous. It corresponds to the average value of the mission of the vehicle 2.
  • a local service is an example of an operation of the vehicle 2 in this frequency domain. Indeed, during such a service, the power requested by the mission is almost continuous with amplitudes that can be important and not very variable.
  • Frequency domain 62 preferably includes frequencies below 10 mHz.
  • the second frequency domain 64 corresponds to a very variable operating mode of the vehicle 2.
  • a maneuver is an example of an operation of the vehicle 2 in this frequency domain. Indeed, during such a maneuver, the power requested by the mission shows large amplitude variations, brief and fast.
  • This second frequency domain 64 preferably includes frequencies above 20 mHz.
  • the third frequency domain 66 is intermediate to the first and second frequency domain. It preferably includes frequencies between 10 mHz and 20 mHz.
  • the frequency discrimination means 60 allocate to each defined frequency domain at least one source capable of supplying electrical energy during operation of the machine in said domain.
  • the inventors have discovered that the temporal intrinsic properties of the energy storage components project at locations distinct from the frequency axis. More particularly, the batteries are in the low-frequency range, from the DC to a few mHz, while the supercapacitors are able to withstand operating cycles close to a hundred MHz to a few Hz. The characteristics of the flywheels are inertia place them between the batteries and the supercapacitors.
  • the frequency discrimination means 60 allocate the battery pack 16 as a priority to the first frequency domain 62.
  • the generator set 12 is also adapted to this frequency domain 62.
  • the frequency discrimination means 60 allocate the supercapacitor block 18 to the second frequency domain 64.
  • the frequency discrimination means 60 allocate a flywheel and / or the battery pack 16 and / or the block of supercapacitors 18 to the third frequency domain 66, as the case may be, according to the amount of stored energy available and their state of charge.
  • Electrical energy instructions 68, 70, 72 to be provided by the storage means allocated to the first, second and third frequency domains are transmitted by the frequency discrimination means 60.
  • the processing means 42 also include mission carry-over means 74. These transfer means 74 receive the electrical energy instructions 68, 70, 72 of the three frequency domains 62, 64, 66 transmitted from the frequency discrimination means 60. They also receive the electrical energy instruction 52 to be supplied by the generator 12 from the control means 50 for starting the generator 12.
  • the reporting means 74 also receives information relating to the functional characteristics of the different sources from the information collection means 46. These functional characteristics include the physical limitations of the sources.
  • such a limitation is for example the level of charge, the maximum discharge or charge current.
  • the carryover means 74 determines how much energy can actually be supplied by each source from the physical limitations.
  • the transfer means 74 compare the electrical energy setpoint to be provided by the source and the determined amount of energy that can actually be provided by the same source. If the setpoint is greater than the determined amount of energy, the transfer means 74 selects another source and directs the other source to provide the energy difference between the setpoint and the determined amount of energy.
  • the electrical energy setpoint to be supplied by the sources allocated to the second frequency domain 64 is equal to 70% of
  • the means of transfer 74 control the energy sources allocated to the first and third frequency domains to provide the energy difference equal to 40%.
  • Report 74 may carry over part of the mission from one frequency domain to another frequency domain when the first domain can not fully fulfill the mission assigned to it by the frequency discrimination means 60.
  • the carryover strategy implemented in the selection of another source promotes the use of the block of supercapacitors 18 which have a longer life in terms of the number of charge and discharge cycles.
  • new electrical energy orders 76, 78, 80 to be supplied by the storage means allocated to the first, second and third frequency domains are transmitted from the means of postponement 74.
  • an instruction to limit the tensile force 81 is emitted from the transfer means 74, to the transmission means 44 setpoints, when the sum of the electric energy can be provided by the different sources n ' is not enough to ensure the operation required by the mission.
  • processing means 42 comprise balancing means 82, 84, 86 of the use of the sources allocated to the frequency domain 62, 64, 66 respectively.
  • the balancing means balance the requested mission, that is to say the electrical energy setpoint to be provided by the sources allocated to the frequency domain concerned, between each
  • the balancing means ensure the balancing of the load levels.
  • the battery pack 16 is allocated to the first frequency domain 62.
  • the balancing means 82 then seek to balance the
  • the block of supercapacitors 18 is allocated to the second frequency domain 64.
  • the balancing means 84 then seek to balance the charge levels of the supercapacitors of the block of supercapacitors 18. This prevents one of the supercapacitors completely unloaded while another would be fully loaded.
  • new electrical energy instructions 88, 90, 92 to be provided by the storage means allocated respectively to the first, second and third frequency domains are transmitted from the balancing means 82, 84, 86 to the transmission means 44 of instructions.
  • FIG. 4 illustrates an example of management of the energy of the vehicle 2 by the processing means 42 when the vehicle 2 performs a local service between two stations.
  • This diagram shows the evolution of the powers supplied by the sources 12, 16, 18 and the power absorbed by the traction motors 6.
  • the diagram of FIG. 4 comprises 6 curves 100, 102, 104, 106, 108,
  • Curve 100 represents the power absorbed by the traction motors 6 expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s). This power is of negative sign since it is absorbed.
  • the curve 102 represents the power supplied by the generator set expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s).
  • the curve 104 represents the power provided by the battery pack 16 expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s).
  • Curve 106 represents the power provided by the block of supercapacitors 18 expressed in kilowatts (kW) as a function of time in seconds (s).
  • the curve 108 represents the speed of the machine in km / h as a function of time and the curve 1 represents the fuel consumption by the vehicle in liters per hour as a function of time.
  • the diagram of FIG. 5 is an extract of the diagram of FIG. 4 for the period of time between 0 and approximately 180 seconds.
  • the machine At first, between 0 and 50 seconds approximately, the machine is at a standstill. Indeed, the speed 108 of the machine 2 and the power 100 absorbed by the traction motors 6 are zero. Meanwhile, the battery pack 16 (negative power on curve 104) is recharged by supercapacitor block 18 (positive power on curve 106).
  • the generator 12 is stopped during this time (zero power on curve 102).
  • the machine 2 starts.
  • the speed 108 is almost zero and the power 100 absorbed by the traction motors 6 increases slowly. This operation falls within the first frequency domain 62.
  • the frequency discriminating means 60 it is the battery block 16 that is biased (positive power on the curve 104 while the power is zero over 5 curves 102 and 106).
  • the traction demand becomes greater.
  • the speed 108 increases and the power 100 absorbed by the traction motors 6 increases more rapidly.
  • the battery pack 16 can no longer supply the energy required for the mission of the machine 2.
  • the transfer means 74 then command the block of supercapacitors 18 to complete the supply of energy although the operation is always in the first frequency domain 62.
  • the power supplied by the battery pack 16 is at the maximum. There is indeed a plateau at the curve 104.
  • the autonomy of the storage means calculated by the autonomy calculation means 48 becomes less than the threshold of 30 seconds. More particularly, as pointed out by the arrows 120, the autonomy of the block of supercapacitors 18 becomes insufficient to ensure
  • the control means 50 then controls the start-up of the generator set 12.
  • the power supplied by the generator set 12 (curve 102) increases progressively.
  • the generator set 12 first takes over from the supercapacitor block 18 and then from the battery pack 16.
  • the generator fully provides the traction mission of the machine, the battery packs 16 and supercapacitors 18 providing no power. At about 700 seconds, the traction is cut to reduce the speed of the machine 2 to park. As pointed out by the arrows 130, the available energy of the generator set 12 allows charging of the battery packs 16 and supercapacitors 18 while the machine 2 is still in motion (curve 108). Charging supercapacitors is much faster than batteries.
  • the energy management method described in the present application comprises the steps of:
  • control of the machine (2) to use in priority the source allocated to said frequency domain during operation of the machine (2) in this area In each frequency domain, control of the machine (2) to use in priority the source allocated to said frequency domain during operation of the machine (2) in this area.
  • said method comprises, for each source, the steps of:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées et de consommateurs d'énergie électrique, ledit procédé comprenant les étapes de: définition d'au moins deux domaines fréquentiels (62,64,66) de fonctionnement de l'engin; allocation d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini; et dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin pour utiliser en priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin dans ce domaine.

Description

Procédé et système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire
La présente invention concerne un procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire. Elle concerne également un système de gestion correspondant. 5 L'invention s'intéresse plus particulièrement au domaine du transport ferroviaire, notamment au domaine des engins ferroviaires hybrides.
Actuellement, deux architectures principales d'engins ferroviaires sont exploitées en Europe. La première architecture repose sur des locomotives électriques et la deuxième architecture repose sur des locomotives diesel. A bord î o des locomotives électriques, l'énergie est distribuée par prélèvement sur une caténaire à travers des pantographes, des transformateurs (dans le cas de réseaux alternatifs) et des convertisseurs. Sur une locomotive diesel, l'énergie est produite sur place par un générateur associé à un moteur thermique. Les deux architectures ont une partie commune constituée de moteurs de traction et 15 d'auxiliaires.
Les engins ferroviaires propulsés par un moteur électrique ne disposaient auparavant que d'une seule source d'énergie comme par exemple une caténaire, un troisième rail, un moteur thermique, etc. Cette source était dimensionnée pour fournir la puissance maximale nécessaire pour assurer la traction de l'engin et les
20 besoins des auxiliaires comme par exemple le confort des voyageurs, la production d'air, le refroidissement des organes de puissance, etc. Ainsi, à tout instant, le besoin en puissance électrique de la mission de l'engin est assuré par la seule source d'énergie présente.
Il existe actuellement des engins ferroviaires comprenant deux sources
25 d'énergie électrique combinant une source d'énergie principale et un moyen de stockage électrique. Pour ces engins, la mise en œuvre du moyen de stockage en plus de la source principale demande une évolution légère des principes de commande existant pour tenir compte des caractéristiques du moyen de stockage.
30 A titre d'exemple d'une telle commande, la source principale recharge le moyen de stockage à partir d'un seuil prédéfini. Cette commande permet d'aligner la génération d'alimentation électrique par rapport à la vitesse de l'engin et l'état de charge du moyen de stockage.
Cependant, ce type de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire n'est pas adapté à un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie électrique embarquées de différents types.
5 La présente invention vise à améliorer la situation.
A cet effet, l'invention concerne d'abord un procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées et de consommateurs d'énergie électrique, ledit procédé comprenant les étapes de :
î o - définition d'au moins deux domaines fréquentiels de fonctionnement de l'engin ;
- allocation d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini ; et
- dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin pour utiliser en 15 priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin dans ce domaine.
Le procédé de l'invention permet d'optimiser l'utilisation des sources d'énergie embarquées en exploitant l'adéquation de chaque type de source à un domaine fréquentiel de fonctionnement particulier. Le domaine fréquentiel de 20 fonctionnement est directement lié à la variation de la sollicitation en puissance électrique de l'engin pendant ce fonctionnement.
A titre d'exemple, lors d'une manœuvre, la puissance sollicitée montre des variations d'amplitude importantes, brèves et rapides, correspondant ainsi à un domaine fréquentiel de fonctionnement situé du côté des hautes fréquences. 25 A l'inverse, lors de dessertes locales, la puissance sollicitée par le fonctionnement de l'engin est davantage continue, son amplitude pouvant être importante et peu variable. Le domine fréquentiel de fonctionnement est, dans ce cas, situé du côté des basses fréquences.
Avantageusement, chaque source d'énergie électrique présentant au moins 30 une limitation physique, l'étape de commande d'utilisation comprend les étapes de :
- collecte d'informations relatives aux limitations physiques des sources ; et - si la limitation physique de la source allouée au domaine fréquentiel empêche l'utilisation de ladite source, commande de l'engin pour utiliser une autre source parmi la pluralité de sources embarquées.
Cela permet d'assurer le fonctionnement de l'engin en reportant une partie 5 de la fourniture d'énergie électrique des sources allouées à un premier domaine fréquentiel vers des sources allouées à un autre domaine fréquentiel quand les sources allouées au premier domaine ne peuvent pas assurer totalement la fourniture d'énergie.
De préférence, les limitations physiques des sources sont choisies parmi î o une puissance maximale et/ou un niveau de charge et/ou un temps minimal d'arrêt de fonctionnement entre deux fonctionnements successifs de la source.
Avantageusement, lorsque la source allouée à un domaine fréquentiel comprend une pluralité de sources élémentaires de même type, l'étape de commande d'utilisation comprend une sous-étape de sélection d'au moins une 15 source élémentaire parmi les sources élémentaires de même type, ladite sélection étant réalisée de manière à équilibrer l'utilisation des sources élémentaires.
A titre d'exemple, lorsque la source est un module de stockage d'énergie électrique comprenant plusieurs moyens de stockage élémentaires, la sélection prend en compte le niveau de charge des moyens de stockage élémentaires de 20 manière à éviter qu'un des moyens élémentaires soit complètement déchargé alors qu'un autre serait entièrement chargé.
De préférence, les domaines fréquentiels définis comprennent :
- un premier domaine de fréquences inférieures à une dizaine de mHz(millihertz) ; et
25 - un deuxième domaine de fréquences supérieures à une vingtaine de mHz.
Le premier domaine fréquentiel, proche du continu, est une image de la valeur moyenne de la mission de l'engin alors que le deuxième domaine fréquentiel correspond à des régimes très variables.
30 Avantageusement, la source allouée au premier domaine de fréquences est choisie parmi un groupe électrogène et/ou un bloc de batteries et/ou une pile à combustible. Les caractéristiques de ces sources nécessitent un fonctionnement en régime stabilisé pour une utilisation optimale en terme de rendement, de consommation, de durée de vie, d'émission de polluants, etc.
De préférence, la source allouée au deuxième domaine de fréquences est 5 un bloc de supercondensateurs.
En effet, les supercondensateurs sont aptes à supporter des cycles de fonctionnement voisins de la centaine de mHz jusqu'à quelques Hz. Autrement dit, leurs cycles de charge et de décharge présentent une fréquence adaptée au deuxième domaine de fréquences,
î o Avantageusement, les sources comprenant des moyens de stockage d'énergie électrique, ledit procédé comprend en outre une étape de calcul d'une autonomie des moyens de stockage.
Cette autonomie est égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage et la puissance électrique maximale susceptible 15 d'être absorbée par les consommateurs. La connaissance de cette autonomie permet d'optimiser encore plus l'utilisation des sources en ne déclanchant l'utilisation des sources dites principales, par exemple le groupe électrogène et/ou la pile à combustible, que lorsque l'autonomie des moyens de stockage descend au dessous d'un certain seuil prédéterminé.
20 De préférence, le procédé comprend en outre une étape de calcul du courant total consommé par la pluralité de consommateurs.
L'invention concerne également un système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire comprenant une pluralité de sources d'énergie embarquées et de consommateurs d'énergie électrique, ledit système comprenant des moyens 25 de :
- définition d'au moins deux domaines fréquentiels de fonctionnement de l'engin ;
- allocation d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini ; et
30 - dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin pour utiliser en priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin dans ce domaine. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits de façon plus précise, mais non limitative, en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un schéma illustrant la structure électrique d'un engin 5 ferroviaire selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement du système de gestion de l'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 3 est un schéma illustrant la structure détaillée des moyens de traitement du système de gestion de la figure 2 selon un mode de réalisation de î o l'invention ;
- la figure 4 est un diagramme illustrant le fonctionnement du procédé de gestion de l'énergie selon un mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 5 est une vue agrandie d'une partie du diagramme de la figure 4. La figure 1 illustre le réseau électrique d'un engin ferroviaire 2 de type
15 hybride. L'engin 2 est muni d'un bloc de traction 4 pour l'entraînement de l'engin.
Le bloc de traction 4 comprend, à titre d'exemple non limitatif, quatre moteurs 6 de traction électrique.
Le bloc de traction 4 comprend également une alimentation 8 d'excitation des moteurs 6.
20 De préférence, le schéma de traction de l'engin 2 autorise un freinage par récupération d'énergie.
Ces moteurs 6 consomment de l'énergie électrique produite par une pluralité de sources électriques embarquées sur l'engin 2. Ces sources embarquées produisent ou stockent de l'énergie à bord de l'engin 2.
25 Dans l'exemple de la figure 1 , ces sources comprennent un groupe électrogène 12.
Le groupe électrogène 12 comprend notamment un moteur thermique diesel fournissant une puissance égale à 230 kW, par exemple. Il constitue la source principale de l'énergie électrique.
30 En variante, cette source principale peut comprendre une pile à combustible, ou une combinaison d'un groupe électrogène avec une pile à combustible. Les sources embarquées à bord de l'engin 2 comprennent également des moyens de stockage d'énergie 14.
Les moyens de stockage d'énergie 14 comprennent notamment un bloc de batteries 16 et un bloc de supercondensateurs 18.
5 Le bloc de batteries 16 comprend de préférence des batteries Ni-Cd
(cadmium - nickel). A titre d'exemple, le bloc de batteries 16 comprend 2 groupes de 6 modules de 48 éléments de cellules de batteries d'une capacité de 135 Ah.
Le bloc de supercondensateurs 18 comprend une pluralité de supercondensateurs, par exemple 8 modules de 200 supercondensateurs î o 5000F/2,5V connectés en série. La capacité totale du bloc de supercondensateurs 18 est alors égale, dans cet exemple à 200 F.
Il est également possible d'utiliser des supercondensateurs de capacité différente, par exemple 2600F ou 9000F.
L'engin 2 comprend également un ensemble d'auxiliaires 20 qui comprend 15 notamment des ventilateurs 22 des moteurs de traction 6, un compresseur d'air 24 pour le fonctionnement des freins de l'engin 2, et un chargeur de batterie 26 couplé à un accumulateur électrique fournissant une énergie à un circuit basse tension (72 V) de l'engin 2.
L'ensemble des sources d'énergie électrique, c'est-à-dire le groupe 20 électrogène 12, le bloc de batteries 16 et le bloc de supercondensateurs 18, et des consommateurs d'énergie électrique, c'est-à-dire les moteurs de traction 6 et les auxiliaires 20, sont raccordés entre eux par l'intermédiaire d'un bus ou réseau électrique haute tension 28, autrement appelé bus de puissance.
Les sources d'énergie électrique 12, 16, 18 et les consommateurs 6, 20 sont 25 en outre raccordées entre eux à travers un réseau informatique de bord CAN 30 auquel est raccordé un superviseur 32.
Le superviseur 32 a pour fonction principale de répartir de manière optimale l'énergie fournie des sources d'énergie disponibles vers les consommateurs et l'énergie fournie par le groupe électrogène 12 vers le bloc de batteries 16 et le 30 bloc de supercondensateurs 18.
Le superviseur 32 constitue le composant dans lequel sont mises en œuvre les étapes du procédé de gestion d'énergie de l'invention. Autrement dit, c'est ce composant qui comprend les moyens du système de gestion d'énergie de l'invention.
Le superviseur 32 comprend un automate 34 et un calculateur temps réel
36.
5 L'automate 34 réalise notamment des fonctions de contrôle commande de l'engin 2 en mettant en œuvre une logique numérisée.
Le calculateur 36, faisant l'objet de l'invention, assure la gestion optimisée de l'énergie à bord de l'engin 2 en élaborant des consignes de tension ou de courant que doivent fournir et/ou absorber les sources et les consommateurs en î o fonction de la mission ferroviaire à accomplir et en fonction de l'état des équipements (en service ou non par exemple).
Une interface homme machine IHM 38 est également prévue. Cette interface IHM 38 raccordée au réseau CAN 30 est apte à montrer à un agent de conduite ou de maintenance de l'engin 2, l'état des sources d'énergie, leur autonomie, les
15 flux énergétiques, les consignes émises, etc. Ces informations peuvent être données sous forme de valeurs numériques et/ou sous forme d'animation. L'interface IHM 38 est mise en œuvre soit de manière traditionnelle par des commandes classiques à un pupitre de commande, soit par un écran tactile raccordé au système de conduite et/ou de maintenance par une liaison
20 informatique.
La structure du système de gestion de l'énergie de l'invention, mis en œuvre par le calculateur 36, est décrite en référence à la figure 2.
Le système de gestion de l'énergie gère les flux d'énergie entre la pluralité de sources et les consommateurs. Il assure le besoin énergétique de la mission 25 de l'engin 2 tout en optimisant la consommation, la pollution et la durée de vie des composants le constituant. Par l'observation de la mission de l'engin et de l'état des sources, notamment des moyens de stockage 14, il décide à tout moment de la contribution de chacune des sources selon sa disponibilité et sa capacité en termes d'autonomie et de puissance maximale notamment, ainsi que cela sera 30 décrit dans la suite de la description.
Le système de gestion d'énergie comprend des moyens d'acquisition d'informations 40. Ces moyens comprennent notamment des moyens de décodage des informations disponibles sur le réseau informatique de bord CAN 30 et des moyens de mise à l'échelle de ces informations, par exemple des moyens d'uniformisation des unités de mesure, etc. Les informations acquises sont analogiques ou booléennes. A titre d'exemples non limitatifs, ces 5 informations peuvent être un état de charge des batteries et/ou des supercondensateurs, une quantité d'énergie stockée dans les moyens de stockage, une puissance instantanée consommée et/ou fournie, des consignes d'effort, une disponibilité des équipements, une donnée de géolocalisation de l'engin dans le domaine ferroviaire, une vitesse de l'engin, un niveau de carburant î o dans le réservoir qui alimente le groupe électrogène, etc.
Le système de gestion d'énergie comprend également des moyens de traitement 42 des informations acquises.
Le système de gestion de l'énergie comprend aussi des moyens d'émission 44 de consignes. Ces moyens sont aptes à réaliser des post-traitements des
15 informations reçues des moyens de traitement 42. Ces post-traitements comprennent notamment la mise à l'échelle de ces informations et leur codage en messages émis sur le réseau de bord CAN 30.
La structure et le fonctionnement des moyens de traitement 42 sont détaillés en référence à la figure 3.
20 Les moyens de traitement 42 comprennent des moyens de collecte 46 d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les sources et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs à partir des informations acquises par les moyens d'acquisition d'informations 40.
25 Plus particulièrement, les moyens de collecte 46 reçoivent des moyens d'acquisition 40 des informations relatives à la puissance du groupe électrogène 12, aux états de charge du bloc de batteries 16 et/ou du bloc de supercondensateurs 18, à une limitation de pente de montée en charge des moyens de stockage 14, à une quantité d'énergie disponible stockée dans les
30 moyens de stockage 14, à une puissance nécessaire pour la mission, c'est-à-dire devant être fournie aux moteurs de traction 6, etc. Les moyens de traitement 42 comprennent également des moyens de calcul 48 d'une autonomie des moyens de stockage 14 à partir des informations collectées par les moyens de collecte 46. L'autonomie est définie comme étant le rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage 14 et la 5 puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs.
L'énergie disponible dans chacun des moyens de stockage 14 est liée à une profondeur de décharge maximale tolérée par ledit moyen de stockage en tenant compte du nombre de cycles du moyen de stockage pour une durée de vie î o définie.
La puissance maximale susceptible d'être absorbée par les consommateurs est proportionnelle à la somme des courants maximum consommables par les auxiliaires 20 et les moteurs de traction 6.
L'autonomie calculée est transmise vers des moyens de commande 50 de 15 mise en marche du groupe électrogène 12. Ces moyens de commande décident la mise en marche du groupe électrogène 12 lorsque la valeur de l'autonomie calculée est inférieure à un seuil déterminé, compris de préférence entre 20 et 40 secondes, notamment égal à 30 secondes.
Ce seuil d'autonomie est déterminé en tenant compte de la composition de 20 la rame tractée par l'engin ainsi que de sa mission, en termes de vitesse à respecter, de profil de ligne, etc., ainsi que des caractéristiques des moyens de stockage afin d'optimiser leur utilisation en termes d'efficacité énergétique, de pollution, de durée de vie, etc.
Les moyens de commande 50 transmettent une consigne d'énergie 25 électrique 52 devant être fournie par le groupe électrogène 12 et une consigne de courant électrique 54 correspondante devant être fournie par le groupe électrogène 12.
Les moyens de traitement 42 comprennent en outre des moyens de calcul 56 du courant électrique devant être fourni par les moyens de stockage 14 à partir 30 du courant 57 devant être fourni aux consommateurs pour la réalisation de la mission, dont la valeur est reçue depuis les moyens d'acquisition 40 d'informations, et de la consigne de courant électrique 54 devant être fournie par le groupe électrogène 12 reçue depuis les moyens de commande 50.
Les moyens de calcul 56 mettent en œuvre le principe de conservation des courants (loi des nœuds), le courant électrique 58 devant être fourni par les 5 moyens de stockage 14 étant alors égal à la différence entre le courant 57 devant être fourni aux consommateurs pour la réalisation de la mission et la consigne de courant électrique 54 devant être fournie par le groupe électrogène 12.
Les moyens de traitement 42 comprennent également des moyens de discrimination fréquentielle 60. Ces moyens de discrimination fréquentielle 60 î o répartissent le courant 58 devant être fourni par les moyens de stockage 14 sur au moins deux domaines de fréquences selon les caractéristiques de la mission souhaitée de l'engin 2.
Plus particulièrement, les moyens de discrimination fréquentielle 60 définissent trois domaines fréquentiels 62, 64, 66 de fonctionnement de l'engin 2.
15 Le premier domaine fréquentiel 62 est proche du continu. Il correspond à la valeur moyenne de la mission de l'engin 2. Une desserte locale constitue un exemple d'un fonctionnement de l'engin 2 dans ce domaine fréquentiel. En effet, lors d'une telle desserte, la puissance sollicitée par la mission est quasi continue avec des amplitudes pouvant être importantes et peu variables. Ce premier
20 domaine de fréquences 62 comprend, de préférence, des fréquences inférieures à 10 mHz.
Le deuxième domaine fréquentiel 64 correspond à un régime de fonctionnement très variable de l'engin 2. Une manœuvre constitue un exemple d'un fonctionnement de l'engin 2 dans ce domaine fréquentiel. En effet, lors d'une 25 telle manœuvre, la puissance sollicitée par la mission montre des variations d'amplitude importantes, brèves et rapides. Ce deuxième domaine de fréquences 64 comprend, de préférence, des fréquences supérieures à 20 mHz.
Le troisième domaine fréquentiel 66 est intermédiaire au premier et au deuxième domaine fréquentiels. Il comprend, de préférence, des fréquences 30 comprises entre 10 mHz et 20 mHz. Les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent à chaque domaine fréquentiel défini au moins une source apte à fournir de l'énergie électrique lors d'un fonctionnement de l'engin dans ledit domaine.
De manière remarquable, les inventeurs ont découvert que les propriétés 5 intrinsèques temporelles des composants de stockage de l'énergie se projettent à des endroits distincts de l'axe fréquentiel. Plus particulièrement, les batteries se situent dans le domaine des basses fréquences, du continu à quelques mHz alors que les supercondensateurs sont aptes à supporter des cycles de fonctionnement voisins de la centaine de mHz vers quelques Hz. Les caractéristiques des volants î o d'inertie les placent entre les batteries et les supercondensateurs.
Ainsi, les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent en priorité le bloc de batteries 16 au premier domaine fréquentiel 62. Le groupe électrogène 12 est également adapté à ce domaine fréquentiel 62.
Par ailleurs, les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent le bloc de 15 supercondensateurs 18 au deuxième domaine fréquentiel 64.
En outre, les moyens de discrimination fréquentielle 60 allouent un volant d'inertie et/ou le bloc de batteries 16 et/ou le bloc de supercondensateurs 18 au troisième domaine fréquentiel 66, selon le cas, suivant leur quantité d'énergie stockée disponible et leur état de charge.
20 Des consignes d'énergie électrique 68, 70, 72 devant être fournies par les moyens de stockage alloués au premier, deuxième et troisième domaines de fréquences sont émises par les moyens de discrimination fréquentielle 60.
Les moyens de traitement 42 comprennent également des moyens de report 74 de missions. Ces moyens de report 74 reçoivent les consignes d'énergie 25 électriques 68, 70, 72 des trois domaines fréquentiels 62, 64, 66 émises depuis les moyens de discrimination fréquentielle 60. Ils reçoivent également la consigne d'énergie électrique 52 devant être fournie par le groupe électrogène 12 depuis les moyens de commande 50 de mise en marche du groupe électrogène 12.
Les moyens de report 74 reçoivent également des informations relatives aux 30 caractéristiques fonctionnelles des différentes sources depuis les moyens de collecte 46 d'informations. Ces caractéristiques fonctionnelles sont notamment les limitations physiques des sources.
Dans le cas du groupe électrogène 12, de telles limitations sont par exemple la puissance maximale pouvant être fournie et/ou le temps d'arrêt minimal entre 5 deux fonctionnements successifs.
Dans le cas des moyens de stockage 14, une telle limitation est par exemple le niveau de charge, le courant maximal de décharge ou de charge.
De manière remarquable, les moyens de report 74 déterminent la quantité d'énergie pouvant effectivement être fournie par chaque source à partir des î o limitations physiques.
Ensuite, pour chaque source, les moyens de report 74, comparent la consigne d'énergie électrique devant être fournie par la source et la quantité d'énergie déterminée pouvant être effectivement fournie par cette même source. Si la consigne est supérieure à la quantité d'énergie déterminée, les moyens de 15 report 74 sélectionnent une autre source et commandent à l'autre source de fournir la différence d'énergie entre la consigne et la quantité d'énergie déterminée.
A titre d'exemple, si la consigne d'énergie électrique devant être fournie par les sources allouées au deuxième domaine fréquentiel 64 est égale à 70% de
20 l'énergie totale nécessaire au fonctionnement de l'engin alors que ces sources ne peuvent fournir que 30% de l'énergie totale, les moyens de report 74 commandent aux sources d'énergie allouées au premier et troisième domaines de fréquences de fournir la différence d'énergie égale à 40%.
Ainsi, afin d'assurer un fonctionnement correct de l'engin, les moyens de
25 report 74 peuvent reporter une partie de la mission d'un domaine fréquentiel vers un autre domaine fréquentiel quand le premier domaine ne peut assurer totalement la mission qui lui a été assignée par les moyens de discrimination fréquentielle 60.
A titre d'exemple, la stratégie de report mise en œuvre lors de la sélection 30 d'une autre source favorise l'utilisation du bloc de supercondensateurs 18 qui présentent une durée de vie plus longue en termes du nombre de cycles de charge et décharge. Suite à la mise en œuvre du report par les moyens de report 74, de nouvelles consignes d'énergie électrique 76, 78, 80 devant être fournies par les moyens de stockage alloués au premier, deuxième et troisième domaines de fréquences sont émises à partir des moyens de report 74.
5 En outre, une consigne de limitation de l'effort de traction 81 est émise à partir des moyens de report 74, vers les moyens d'émission 44 de consignes, lorsque la somme des énergies électriques pouvant être fournies par les différentes sources n'est pas suffisante pour assurer le fonctionnement exigé par la mission.
î o En outre, les moyens de traitement 42 comprennent des moyens d'équilibrage 82, 84, 86 de l'utilisation des sources allouées au domaine fréquentiel 62, 64, 66 respectivement. Les moyens d'équilibrage équilibrent la mission demandée, c'est-à-dire la consigne d'énergie électrique devant être fournie par les sources allouées au domaine fréquentiel concerné, entre chacune
15 des sources allouées audit domaine.
Plus particulièrement, pour des moyens de stockage de même type, les moyens d'équilibrage assurent l'équilibrage des niveaux de charge.
A titre d'exemple, le bloc de batteries 16 est alloué au premier domaine de fréquences 62. Les moyens d'équilibrage 82 cherchent alors à équilibrer les
20 niveaux de charge des batteries du bloc de batteries 16. On évite ainsi qu'une des batteries soit complètement déchargée alors qu'une autre serait entièrement chargée.
De la même manière, le bloc de supercondensateurs 18 est alloué au deuxième domaine de fréquences 64. Les moyens d'équilibrage 84 cherchent 25 alors à équilibrer les niveaux de charge des supercondensateurs du bloc de supercondensateurs 18. On évite ainsi qu'un des supercondensateurs soit complètement déchargé alors qu'un autre serait entièrement chargé.
Suite à la mise en œuvre de l'équilibrage de l'utilisation des sources par les moyens de d'équilibrage 82, 84, 86, de nouvelles consignes d'énergie électrique 30 88, 90, 92 devant être fournies par les moyens de stockage alloués respectivement au premier, deuxième et troisième domaines de fréquences sont émises depuis les moyens de d'équilibrage 82, 84, 86 vers les moyens d'émission 44 de consignes.
Le diagramme de la figure 4 illustre un exemple de gestion de l'énergie de l'engin 2 par les moyens de traitement 42 lorsque l'engin 2 effectue une desserte 5 locale entre deux stations. Ce diagramme montre l'évolution des puissances fournies par les sources 12, 16, 18 et de la puissance absorbée par les moteurs de traction 6.
Le diagramme de la figure 4 comprend 6 courbes 100, 102, 104, 106, 108,
1 10.
î o La courbe 100 représente la puissance absorbée par les moteurs de traction 6 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s). Cette puissance est de signe négatif étant donné qu'elle est absorbée.
La courbe 102 représente la puissance fournie par le groupe électrogène 12 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s).
15 La courbe 104 représente la puissance fournie par le bloc de batteries 16 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s).
La courbe 106 représente la puissance fournie par le bloc de supercondensateurs 18 exprimée en kilowatts (kW) en fonction du temps en secondes (s).
20 Par ailleurs, la courbe 108 représente la vitesse de l'engin en km/h en fonction du temps et la courbe 1 10 représente la consommation de carburant par l'engin en litres par heure en fonction du temps.
Le diagramme de la figure 5 est un extrait du diagramme de la figure 4 pour la période de temps comprise entre 0 et 180 secondes environ.
25 Dans un premier temps, compris entre 0 et 50 secondes environ, l'engin est à l'arrêt. En effet, la vitesse 108 de l'engin 2 et la puissance 100 absorbée par les moteurs de traction 6 sont nulles. Pendant ce temps, le bloc de batteries 16 (puissance négative sur la courbe 104) est rechargé par le bloc de supercondensateurs 18 (puissance positive sur la courbe 106). Le groupe
30 électrogène 12 est à l'arrêt pendant ce temps (puissance nulle sur la courbe 102).
Ensuite, dans un deuxième temps compris entre 50 et 75 secondes environ, l'engin 2 démarre. La vitesse 108 est quasi nulle et la puissance 100 absorbée par les moteurs de traction 6 augmente lentement. Ce fonctionnement relève du premier domaine fréquentiel 62. Ainsi, conformément à la stratégie adoptée par les moyens de discrimination fréquentielle 60, c'est le bloc de batteries 16 qui est sollicité (puissance positive sur la courbe 104 alors que la puissance est nulle sur 5 les courbes 102 et 106).
Puis, dans un troisième temps compris entre 75 et 100 secondes environ, la demande de traction devient plus importante. La vitesse 108 augmente et la puissance 100 absorbée par les moteurs de traction 6 augmente plus rapidement. Le bloc de batteries 16 n'arrive plus à fournir l'énergie nécessaire à la mission de î o l'engin 2. Les moyens de report 74 commandent alors au bloc de supercondensateurs 18 de compléter la fourniture d'énergie bien que le fonctionnement est toujours dans le premier domaine fréquentiel 62. La puissance fournie par le bloc de batteries 16 est au maximum. On observe en effet un palier au niveau de la courbe 104. La puissance fournie par le bloc de
15 supercondensateurs 18 augmente.
Ensuite, dans un quatrième temps compris entre 100 et 150 secondes environ, la puissance absorbée par la traction (courbe 100) est constante alors que la vitesse de l'engin (courbe 108) augmente. Le bloc de batteries 16 et le bloc de supercondensateurs 18 fournissent la puissance nécessaire à la mission.
20 On observe en effet deux paliers au niveau des courbes 104 et 106.
Au temps 150 secondes environ, l'autonomie des moyens de stockage calculée par les moyens de calcul d'autonomie 48 devient inférieure au seuil de 30 secondes. Plus particulièrement, ainsi que cela est pointé par les flèches 120, l'autonomie du bloc de supercondensateurs 18 devient insuffisante pour assurer
25 le besoin de la mission de traction de l'engin 2. Les moyens de commande 50 commandent alors la mise en marche du groupe électrogène 12. La puissance fournie par le groupe électrogène 12 (courbe 102) augmente progressivement. Le groupe électrogène 12 prend d'abord la relève du bloc de supercondensateurs 18 puis du bloc de batteries 16.
30 Pendant le période de temps de 400 à 700 secondes environ, le groupe électrogène assure pleinement la mission de traction de l'engin, les blocs de batteries 16 et de supercondensateurs 18 ne fournissant aucune puissance. Au temps 700 secondes environ, la traction est coupée afin de réduire la vitesse de l'engin 2 pour stationner. Ainsi que cela est pointé par les flèches 130, l'énergie disponible du groupe électrogène 12 permet une recharge des blocs de batteries 16 et de supercondensateurs 18 alors que l'engin 2 est toujours en 5 mouvement (courbe 108). La recharge des supercondensateurs est beaucoup plus rapide que celle des batteries.
Bien entendu, d'autres modes de réalisation peuvent encore être envisagés.
Il est ainsi possible de prévoir dans le système de gestion d'énergie de l'invention des moyens d' « éco-conduite ». Par la connaissance de la topologie î o de la ligne, du temps de parcours, des arrêts en gare à effectuer, de la composition de l'engin, du trafic prévu et en temps réel, de tels moyens ont pour fonction d'anticiper les actions du système de gestion d'énergie afin d'obtenir une conduite encore plus économique. Par exemple, à l'approche d'une descente, de tels moyens d' « éco-conduite » peuvent commander la recharge des moyens de 15 stockage non pas par le groupe électrogène mais par un freinage récupératif.
Le procédé de gestion de l'énergie décrit dans la présente demande comprend les étapes de :
- définition d'au moins deux domaines fréquentiels (62,64,66) de fonctionnement de l'engin (2);
20 - allocation d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini ; et
- dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin (2) pour utiliser en priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin (2) dans ce domaine.
25 Lesdites sources comprenant des moyens de stockage d'énergie (14) , ledit procédé comprend les étapes de:
- collecte d'informations relatives aux quantités d'énergie électrique disponibles pouvant être fournies par les moyens de stockage (14) et à la puissance électrique maximale susceptible d'être absorbée par les
30 consommateurs (6,20); - calcul d'une autonomie des moyens de stockage (14), ladite autonomie étant égale au rapport entre l'énergie électrique disponible dans les moyens de stockage (14) et la puissance électrique maximale collectée ; et
- optimisation de l'utilisation des sources (12,14) pour la fourniture de 5 l'énergie électrique en fonction de l'autonomie calculée.
En outre, ledit procédé comprend, pour chaque source, les étapes de :
- définition d'une consigne d'énergie électrique devant être fournie par ladite source;
- acquisition d'informations relatives à au moins une caractéristique î o fonctionnelle de ladite source ;
- détermination d'une quantité d'énergie électrique devant être fournie par ladite source en fonction de la caractéristique fonctionnelle de ladite source ; et
- si la consigne est supérieure à la quantité d'énergie déterminée,
- sélection d'une autre source ; et
15 - commande à l'autre source de fournir la différence d'énergie entre la consigne et la quantité d'énergie déterminée.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire (2) comprenant une pluralité de sources (12,14) d'énergie embarquées et de consommateurs (6,20)
5 d'énergie électrique, ledit procédé comprenant les étapes de :
- définition d'au moins deux domaines fréquentiels (62,64,66) de fonctionnement de l'engin (2);
- allocation d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini ; et
î o - dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin (2) pour utiliser en priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin (2) dans ce domaine.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel, chaque source d'énergie 15 électrique présentant au moins une limitation physique, l'étape de commande d'utilisation comprend les étapes de :
- collecte d'informations relatives aux limitations physiques des sources ; et
- si la limitation physique de la source allouée au domaine fréquentiel empêche l'utilisation de ladite source, commande de l'engin pour utiliser une autre source
20 parmi la pluralité de sources embarquées.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les limitations physiques des sources sont choisies parmi une puissance maximale et/ou un niveau de charge et/ou un temps minimal d'arrêt de fonctionnement entre deux fonctionnements
25 successifs de la source.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, lorsque la source allouée à un domaine fréquentiel comprend une pluralité de sources élémentaires de même type, l'étape de commande d'utilisation comprend
30 une sous-étape de sélection d'au moins une source élémentaire parmi les sources élémentaires de même type, ladite sélection étant réalisée de manière à équilibrer l'utilisation des sources élémentaires.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel 35 les domaines fréquentiels définis comprennent :
- un premier domaine (62) de fréquences inférieures à une dizaine de mHz ; et
- un deuxième domaine (64) de fréquences supérieures à une vingtaine de mHz.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la source allouée au premier domaine de fréquences (62) est choisie parmi un groupe électrogène (12) et/ou un bloc de batteries (16) et/ou une pile à combustible.
5
7. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la source allouée au deuxième domaine de fréquences (64) est un bloc de supercondensateurs (18).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel î o les sources comprenant des moyens de stockage (14) d'énergie électrique, ledit procédé comprend en outre une étape de calcul d'une autonomie des moyens de stockage (14).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant 15 en outre une étape de calcul du courant total consommé par la pluralité de consommateurs.
10. Système de gestion de l'énergie d'un engin ferroviaire (2) comprenant une pluralité de sources (12,14) d'énergie embarquées et de consommateurs (6,20)
20 d'énergie électrique, ledit système comprenant des moyens de :
- définition (60) d'au moins deux domaines fréquentiels (62,64,66) de fonctionnement de l'engin ;
- allocation (60) d'au moins une source parmi la pluralité de sources à chaque domaine fréquentiel défini ; et
25 - dans chaque domaine fréquentiel, commande de l'engin (2) pour utiliser en priorité la source allouée audit domaine fréquentiel lors d'un fonctionnement de l'engin (2) dans ce domaine.
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