La présente invention concerne un véhicule comprenant une pluralité de sources d'énergie électrique embarquées et raccordées par un bus de tension. Elle concerne également un procédé de régulation de la tension du bus de 5 tension.

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 î o électriques et la deuxième architecture repose sur des locomotives diesel. A bord 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

15 architectures ont une partie commune constituée de moteurs de traction et d'auxiliaires.

D'une part, l'hybridation des locomotives diesel favorise une économie de carburant résultant en une réduction des émissions nocives et des nuisances sonores. D'autre part, pour une locomotive électrique, l'hybridation par du

20 stockage d'électricité en local permet le l issage de la consommation sur la caténaire et une meilleure qualité du réseau de distribution de l'énergie.

Un engin ferroviaire hybride comprend conventionnellement une pluralité de sources et de consommateurs d'énergie électrique embarqués et raccordés par un bus de tension. Les sources d'énergie électrique comprennent généralement

25 un groupe électrogène et/ou une pile à combustible et/ou une al imentation électrique externe, de type caténaire, et/ou un supercondensateur et/ou une batterie et/ou un volant d'inertie.

Le bus de tension raccordant les sources d'énergie électrique est généralement défini dans une plage de tension de fonctionnement. En dehors de

30 cette plage de tension, le fonctionnement et la sécurité des sources raccordées au bus ne peuvent être garantis. Il est donc primordial d'assurer la stabilité de la tension du bus en assurant une régulation de cette tension afin d'éviter les surtensions et les sous-tensions.

Ce problème est accentué par le fait que les engins ferroviaires sont fréquemment util isés pour des m issions à arrêts multiples et fréquents, par exemple des missions de triage ou de desserte locale et urbaine. Lors de ces 5 utilisations, des surtensions et des sous-tensions peuvent apparaître pendant la connexion et/ou la déconnexion d'au moins un consommateur alors que les sources d 'énerg ie al imentent le bus de tension appelées transitoires de fonctionnement de l'engin. Il importe de limiter l'apparition de ces surtensions et sous-tensions.

î o Une solution conventionnelle, pour l im iter les surtensions, consiste à raccorder un consommateur au bus. Ce consommateur se présente souvent sous la forme d'un bloc résistif à perte par effet joule.

Cette solution n'est cependant pas optimale en raison de la dissipation d'énergie électrique sous forme de chaleur.

15 La présente invention vise à améliorer la situation.

A cet effet, l'invention concerne d'abord un véhicule comprenant une pluralité de sources d'énergie électrique embarquées et raccordées par un bus de tension, ledit véhicule comprenant en outre des moyens de régulation de la tension du bus, caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent au

20 moins un supercondensateur r a c c o r d é a u b u s d e t e n s i o n , ledit supercondensateur faisant partie de la pluralité de sources.

L'utilisation d'un ou de plusieurs supercondensateur(s) raccordé(s) au bus de tension et utilisé(s) comme source(s) d'énergie électrique pour réguler la tension du bus permet de minimiser les pertes d'énergie lors des phases de

25 limitation des surtensions. Elle permet également de restituer l'énergie absorbée pendant les surtensions lors des sous-tensions. En outre , l'utilisation de supercondensateurs raccordés au bus de tension a un effet très stabilisant car elle génère très peu d'ondulations et/ou de résonance. Par ailleurs, le temps de cycle de charge et de décharge d 'un supercondensateur rend ce dernier

30 particulièrement adapté à la régulation de la tension sur le bus.

Selon l'invention, les moyens de régulation comprennent un dispositif de correction de la tension du bus. Ce dispositif de correction comprend un premier correcteur proportionnel intégral. Un tel correcteur permet en effet une grande précision de la régulation.

De préférence, le premier correcteur proportionnel intégral permet d'imposer une tension du bus satisfaisant à la réalisation de l'équilibre des courants entrant 5 et sortant du bus étant donné que la somme de ces courants doit être nulle (loi des nœuds ou loi de Kirchhoff). La tension de consigne du bus ainsi déterminée est assignée au supercondensateur.

Avantageusement, les moyens de régulation comprennent également des moyens de commande du niveau de charge du supercondensateur,

î o Le niveau ou taux de charge d'un supercondensateur est défini comme étant le pourcentage de la charge courante par rapport à la charge maximale prévue dans le supercondensateur. La commande de ce niveau de charge permet de garantir que le supercondensateur peut à tout moment fournir ou absorber du courant du bus de tension.

15 De préférence, les moyens de commande du niveau de charge du supercondensateur comprennent un deuxième correcteur proportionnel intégral, notamment distinct du premier correcteur proportionnel intégral.

Selon une réalisation préférée, le deuxième correcteur proportionnel intégral réagit de manière lente, son action se concrétisant sur des durées allant de la 20 seconde à plusieurs dizaines de seconde.

Avantageusement, la pluralité de sources d'énergie électrique embarquées comprend un groupe électrogène.

Ce groupe électrogène, comprenant un moteur à combustion interne, notamment diesel, produit l'énergie nécessaire à la traction et à l'alimentation des 25 auxiliaires du véhicule.

Avantageusement, la tension du bus est régulée pour être comprise entre 520 et 600 V, de préférence pour être égale à 540 V.

L'invention concerne également un procédé de régulation de la tension d'un bus de tension raccordant u ne pl ural ité de sources d'énerg ie électrique 30 embarquées sur un véhicule, ladite pluralité de sources comprenant au moins un supercondensateur et un groupe électrogène, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de : -définition d'une consigne de courant en sortie du groupe électrogène ;

- mesure du courant en sortie du groupe électrogène ;

-comparaison de la consigne de courant et du courant mesuré pour obtenir une valeur d'erreur de courant;

-application d'un premier correcteur proportionnel intégral à la valeur d'erreur de courant pour obtenir une consigne de tension du bus ; et

-fourniture de la consigne de tension au supercondensateur.

Avantageusement, ce procédé comprend les étapes de :

-définition d'une consigne de niveau de charge du supercondensateur ;

- mesure du niveau de charge du supercondensateur ;

-comparaison de la consigne de niveau de charge et du niveau de charge mesuré pour obtenir une valeur d'erreur de niveau de charge du supercondensateur;

-application d'un deuxième correcteur proportionnel intégral à la valeur d'erreur de niveau de charge du supercondensateur pour obtenir un courant de déséquilibre; et

-charge ou décharge du supercondensateur selon le signe du courant de déséquilibre.

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 d'un véhicule selon un mode de réalisation de l'invention;

- la figure 2 est un schéma illustrant les moyens de régulation de la tension du bus de tension du véhicule de la figure 1 selon un mode de réalisation de l'invention ;

- la figure 3 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement du dispositif de correction de tension selon un mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 4 est un schéma illustrant la structure et le fonctionnement des moyens de commande du niveau de charge du supercondensateur selon un mode de réalisation de l'invention.

La figure 1 illustre un véhicule 2 de type hybride, un tel véhicule étant 5 avantageusement un engin ferroviaire. Le véhicule 2 est muni de moteurs de traction 4 pour l'entraînement du véhicule. Ces moteurs 4 consomment de l'énergie électrique produite par une pluralité de sources électriques embarquées sur le véhicule 2. Ces sources embarquées produisent de l'énergie à bord du véhicule 2.

î o Dans l'exemple de la figure 1 , ces sources comprennent un groupe électrogène 6, un bloc de batteries 8 et un bloc de supercondensateurs 10.

Le groupe électrogène 6 comprend notamment un moteur à combustion interne diesel fourn issant une puissance égale à 230 kW, par exemple. Il constitue la source principale de l'énergie électrique.

15 En variante, cette source principale peut comprendre une pile à combustible, ou une combinaison d'un groupe électrogène avec une pile à combustible.

Le bloc de batteries 8 comprend de préférence des batteries en N i-Cd (cadmium - nickel), ce qui permet de les charger rapidement. A titre d'exemple, le bloc de batteries 8 comprend 12 modules de 48 éléments de cellules de batteries

20 d'une capacité de 135 Ah.

Le bloc de supercondensateurs 1 0 co m p re n d u n e pl u ra l ité d e supercondensateurs, par exemple 200 supercondensateurs 5000 F/2,5V connectés en série. La capacité totale du bloc de supercondensateurs est alors égale, dans cet exemple à 25 F.

25 Le véhicule 2 comprend également un ensemble d'auxil iaires 1 2 qu i comprennent notammen t u n ve nt i l ate u r d es mote u rs d e tractio n 4 , u n compresseur d'air pour le fonctionnement des freins du véhicule 2, et un chargeur de batterie couplé à un accumulateur électrique fournissant une énergie à un circuit basse tension (72 V) du véhicule 2.

30 L'ensem ble des sou rces d'énerg ie électrique, c'est-à-d i re l e g rou pe électrogène 6, le bloc de batteries 8 et le bloc de supercondensateurs 10, et des consommateurs d'énergie électrique, c'est-à-dire les moteurs de traction 4 et les auxiliaires 12, sont raccordés entre eux par l'intermédiaire d'un bus haute tension 14, autrement appelé bus de puissance.

Les sources d'énergie électrique 6, 8, 10 sont en outre raccordées à un bus CAN 16, autrement appelé bus de commande, auquel est raccordé un calculateur 5 18.

Le calculateur 18 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 6 vers le bloc de batteries 8 et le bloc de supercondensateurs 10.

î o De manière préférée, le calculateur 18 opère de sorte que :

- le groupe électrogène 6 fournit l'énergie correspondant au régime moyen nécessaire à la mission, c'est-à-dire la composante continue de l'énergie ;

- le bloc de batteries 8 fournit l'énergie relative aux sollicitations dont la durée est longue en complément du groupe électrogène 6, c'est-à-dire l'énergie 15 aux basses fréquences ; et

- le bloc de supercondensateurs 10 fournit l'énergie correspondant aux demandes de puissance de courtes durées et dont la mise en action est très rapide, c'est-à-dire l'énergie aux hautes fréquences.

Dans le véhicule 2, le groupe électrogène 6 n'a pas la possibilité de réguler 20 son courant de sortie. Le courant délivré par le groupe électrogène 6 est donc directement dépendant de la tension du bus de tension 14.

La présente invention vise à réguler la tension du bus de tension 14 et à contrôler ainsi le courant produit par le groupe électrogène 6.

La figure 2 illustre l'utilisation du bloc de supercondensateurs 10 comme 25 moyen de régulation du bus de tension 14, conformément à l'invention. Sur cette figure, ne sont représentés que le groupe électrogène 6, le bus de tension 14 et le bloc de supercondensateurs 10.

Sur la figure 2, l _ge désigne le courant délivré par le groupe électrogène 6, ca désigne le courant délivré ou absorbé par le bloc de supercondensateurs 10 30 et l _x désigne le courant délivré et/ou consommé par les autres sources d'énergie et/ou consommateurs raccordés au bus de tension 14. D'après la loi des nœuds, la somme des courants l _ge , l _SC a _P et l _x est nulle. En outre, le calculateur 18 commande les sources électriques afin d'avoir l _ge = - l _x . Ainsi, le courant l _sca p moyen délivré par le bloc de supercondensateurs 10 doit rester nul sur un temps relativement long, de l'ordre de quelques minutes, afin d'éviter la charge complète des supercondensateurs ou, à l'inverse, leur 5 décharge complète. L'objectif est de maintenir la charge des supercondensateurs à un niveau moyen constant, égal à 50% de la charge maximale par exemple, pour leur permettre d'absorber l'énergie des surtensions ou de restituer de l'énergie lors des baisses de tension.

Le choix de la tension du bus 14, notée Ui ₄ , est donc directement lié au î o courant que l'on souhaite en sortie du groupe électrogène 6.

Le groupe électrogène 6 produ it une tension comparable à celle d'un réseau alternatif triphasé de type industriel 20. Cette tension est fournie au bus de tension 14 à travers un redresseur 22, notamment non piloté, simple à mettre en oeuvre.

15 Selon un exemple de réalisation préféré, le groupe électrogène 6 délivre une tension alternative de type industrielle de 400 volts entre phases de sorte que la tension du bus 14 correspond à la tension composée 400 V redressée à double alternance, soit 540 V continu à la puissance nominale, égale à 230kW dans notre exemple.

20 Ainsi, la tension du bus 14 est régulée par le bloc de supercondensateurs

10 pour être comprise de préférence entre 520 V et 590 V et idéalement égale à 540 V à la puissance nominale.

En outre, le bloc de supercondensateurs 1 0 est raccordé au bus 1 4 à travers un convertisseur statique 24 permettant le contrôle du courant de charge 25 et de décharge des supercondensateurs. Ce convertisseur statique 24 permet également d'imposer, par son fonctionnement en hacheur abaisseur ou élévateur, la tension au bus 14 selon une consigne U _C ons de tension qui lui est assignée.

Selon une réalisation préférée de l'invention, les moyens de régulation de la tension du bus 14 comprennent un dispositif de correction mettant en œuvre un 30 premier correcteur proportionnel intégral.

Ce dispositif de correction 30 est illustré à la figure 3. Le dispositif de correction 30 comprend des moyens de comparaison 32 d'une consigne de courant Ι _∞η8 et du courant l _ge mesuré en sortie du groupe électrogène 6, à l'aide d'un capteur de courant par exemple.

La cons ig n e de cou rant en sortie d u g rou pe électrogène l _CO ns est 5 préalablement définie selon le courant souhaité en sortie du groupe électrogène 6 et nécessaire pour satisfaire aux besoins de la m ission à effectuer, pour la traction, l'alimentation des auxiliaires et la charge des batteries, par exemple.

Les moyens de comparaison 32 délivrent en sortie une valeur d'erreur En _ge qui est fournie au premier correcteur proportionnel intégral 34.

î o Le premier correcteur proportionnel intégral 34 conduit la source principale d'énergie électrique, c'est-à-dire le groupe électrogène 6 da ns l e mode de réalisation décrit, à son point de fonctionnement souhaité en quelques secondes, notamment en 10 secondes maximum.

Le résultat obtenu en sortie du premier correcteur proportionnel intégral 34 15 est ensuite limité dans son amplitude à travers un écrêteur 36.

Le résultat obtenu alors en sortie du dispositif de correction 30 est la consigne U _C ons de la tension du bus 14 qui doit être fournie au bloc de supercondensateurs 10.

L a t e n s i o n d u b u s 1 4 e s t a i n s i i m p o s é e g râ c e a u b l o c d e 20 supercondensateurs 10.

Selon une réalisation préférée de l'invention, les moyens de régulation de la tension du bus 14 comprennent également un dispositif de commande du niveau de charge du bloc de supercondensateurs 10 afin de garantir que le bloc de supercondensateurs 10 peut à tout moment fournir ou absorber du courant du 25 bus de tension 14.

La figure 4 illustre ce dispositif de commande 40.

Le dispositif de commande 40 comprend des moyens de comparaison 42 d'une consigne de niveau de charge du bloc de supercondensateurs SOCi et du niveau de charge du bloc de supercondensateurs SOC ₂ mesuré à partir d'une 30 mesure de tension aux bornes du bloc de supercondensateurs 10, la charge Q et la quantité d'énergie E d'un supercondensateur étant liées à la tension U à ses bornes et à la capacité C selon les relations Q=CU et E=1/2CU ² La consigne de niveau de charge du bloc de supercondensateurs SOC1 est préalablement définie afin que le bloc de supercondensateurs 10 puisse à tout moment fournir ou absorber du courant du bus de tension 14. Cette consigne de niveau de charge est par exemple fixée à 50% de la charge maximale prévue dans le bloc de supercondensateurs 10.

Les moyens de comparaison 42 délivrent en sortie une valeur d'erreur Er _S oc, qui est fournie à un deuxième correcteur proportionnel intégral 44.

Le deuxième correcteur proportionnel intégral 44 est choisi très lent afin de laisser dériver lentement la charge ou la décharge du bloc de supercondensateurs 10 sans atteindre la charge complète ou la décharge complète et sans provoquer de variations brusques de l'équilibre du bus de tension 14 sous peine de créer des surtensions indésirables.

La quantité d'électricité stockée Q dans un supercondensateur répond à la loi physique décrite par la relation Q= I x t où I est le courant qui charge ou décharge le supercondensateur, et t est la durée de la charge ou de la décharge. Etant donnée la valeur de la capacité C égale à 25F du bloc de supercondensateurs 10 dans notre exemple, le courant peut atteindre quelques dizaines d'ampères et le temps peut être de plusieurs secondes.

Le résultat obtenu en sortie du deuxième correcteur proportionnel intégral 44 est ensuite limité en amplitude à travers un écrêteur 46.

Le résultat obtenu alors en sortie du dispositif de commande 40 est un courant de déséquilibre l _des -

Le courant l _des est ajouté à la précédente équation de la loi des nœuds qui devient donc :

Ige ~*~ Ιχ ~*~ I scap ~*~ Ides ^— 0.

Cette équation est utilisée par le calculateur 18 qui commande les sources électriques afin d'avoir :

II convient de noter que le courant de déséquilibre l _de s n'est consommé ni produit par aucun bloc puisqu'il n'est introduit que dans les calculs. Ce petit déséquilibre de courant a pour conséquence de faire monter ou descendre la tension du bus 14. Etant donné que la tension du bus 14 est régulée par le bloc de supercondensateurs 1 0 co m m e d é c r i t c i-dessus, le bloc de supercondensateurs 10 fournit ou absorbe ce courant de déséquilibre l _des - Ainsi, le bloc de supercondensateurs 10 va se charger ou se décharger en fonction du 5 signe du courant de déséquilibre Ides- La régulation de la tension du bus 14 utilisant le bloc de supercondensateurs 1 0 et les dispositifs de correction et de commande des figu res 3 et 4 permet u ne restitution de l 'énerg ie absorbée pendant les surtensions lors des sous-tensions. En outre, l'utilisation des supercondensateurs î o 10 est très stabilisante car elle génère très peu d'ondulations ou de résonance.

Bien entendu, d'autres modes de réalisation encore peuvent être envisagés. A titre d'exemple, le bloc de condensateurs décrit comprend 200 supercondensateurs 5000F/2,5 V, la capacité totale résultante étant de 25F.

On peut prévoir que le bloc de supercondensateurs comprend plusieurs 15 modules connectés en parallèle de 200 supercondensateurs 5000F/2,5 V chacun.

En mettant en oeuvre 4 modules, par exemple, la capacité totale résultante est alors de 100 F.

Il est également possible d'utiliser des supercondensateurs de capacité différente, par exemple 2600F ou 9000F.

20 L'objet de l'invention est un véhicule. De manière plus limitative, un tel objet est un véhicule terrestre, notamment un eng in ferroviaire ou un véh icule automobile.

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