FR3134780A1 - Vehicule ferroviaire automoteur comportant une motorisation hybride et procede de commande dudit vehicule ferroviaire automoteur - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un véhicule ferroviaire automoteur comportant un premier et un second boggies dont chacun comporte au moins un essieu, chaque boggie étant associé à une chaîne de traction respective, un système de commande pour piloter le fonctionnement des chaînes de traction de manière à fournir un couple à l’un et/ou l’autre des essieux, l’une des chaînes de traction étant une chaîne de traction thermique comprenant un moteur thermique (5), une boîte de vitesse hydraulique ou mécanique (6) et un cardan (6a) reliant l’essieu moteur (2b) du premier boggie (2) à la boîte de vitesse hydraulique ou mécanique (6). Selon l’invention, l’autre chaîne de traction est une chaîne de traction électrique comprenant un moteur électrique (8), un réducteur (8a), un cardan (9) reliant l’essieu moteur (3b) du second boggie (3) au réducteur (8a), un système de stockage d’énergie électrique (10) et un convertisseur AC/DC pour alimenter le moteur électrique (8) et fournir ainsi un couple à l’essieu (3b) du second boggie (3).. Figure pour l’abrégé : Fig 5
Description
La présente invention se rapporte au domaine technique général des véhicules ferroviaires automoteurs (appelés aussi trains dans la suite) et plus particulièrement au domaine technique de la motorisation et de la génération d’énergie auxiliaire desdits véhicules.
Ces véhicules ferroviaires automoteurs comportent par exemple une caisse ou voiture supportée par deux boggies. Chacun des boggies comporte un, deux ou trois essieux dont un, par exemple l’essieu intérieur lorsqu'il y en a plusieurs, est motorisé.
L'invention concerne également des véhicules ferroviaires automoteurs comportant le cas échéant plusieurs voitures supportées par autant de boggies que nécessaire.
L’invention concerne plus particulièrement la motorisation et les chaînes de traction ainsi que la production d’énergie auxiliaire à bord de ces véhicules ferroviaires automoteurs. Par véhicule ferroviaire automoteur, il convient d’entendre dans la présente, un véhicule ferroviaire autonome, ne disposant pas d’un système d’alimentation par des moyens externes du genre caténaire, patin frotteur ou autres.
On connait, par exemple des véhicules ferroviaires automoteurs comportant par exemple deux boggies d'extrémité ainsi que deux chaînes de traction thermique comportant chacune un moteur thermique diesel. En effet, les véhicules ferroviaires automoteurs en question sont à propulsion mécanique dans le sens où la transmission du couple sur les essieux moteurs se fait au moyen d'un cardan et d'un réducteur depuis la caisse dudit véhicule où se trouve des moteurs diesel accouplés à des boîtes de vitesse. Ces dernières sont équipées en général d'un variateur hydraulique, d'un embrayage et d'un système retardateur pour assurer un freinage dissipatif dans l'huile de la boîte de vitesse pour freiner ledit véhicule sans usure.
La politique de transport actuelle incite fortement à une mobilité avec une empreinte écologique moindre. Néanmoins, les opérateurs de transport ou les exploitants actuels disposent encore à ce stade de matériel roulant à traction diesel mécanique (c’est-à-dire que la transmission du couple sur les roues se fait depuis la caisse du véhicule via un système de cardan et de pont sur essieu) dont l'exploitation arrive actuellement à mi-vie. Idéalement, il conviendrait donc de remplacer le matériel existant avec du nouveau matériel intégrant de nouvelles technologies comprenant des batteries et/ou des piles à combustible. Le remplacement des matériels roulants existants lesquels ne sont pas encore arrivés en fin de vie, générerait cependant des pertes financières considérables. Cela serait, non seulement un non-sens économique mais également un non-sens écologique si l’on tient compte du coût de fabrication d’un matériel neuf alors que l’existant a encore un potentiel de durée de vie.
En outre les matériels roulants existants ne sont pas toujours adaptés pour être rénovés ou remotorisés avec ces nouvelles technologies dans la mesure où leurs conceptions peuvent être anciennes. Cette non-adaptation est liée par exemple à des contraintes d'encombrement, ces nouvelles technologies étant trop volumineuses et/ou lourdes d'une part ou parce que ces dernières ne permettent pas de garantir des performances identiques aux performances actuelles, à savoir en termes de passagers transportés et/ou d'autonomie. Il y a également la notion de sécurité qui, lorsqu’elle n’est pas prise en compte dès le départ peut rendre l’adaptation des véhicules impossibles, car leur utilisation deviendrait trop dangereuse.
La technologie des moteurs diesel a fortement évolué au cours des années passées de manière à réduire drastiquement les émissions polluantes d'une part et de limiter la consommation de carburant d'autre part. Ces nouveaux moteurs permettent également de réduire l'usage de carburants fossiles par l'ajout à proportion variable de biocarburants issus de l'agriculture ou de circuit de recyclage. Le remplacement du moteur diesel existant par ce nouveau moteur diesel plus performant est donc une piste intéressante mais pas suffisante. En effet le matériel ferroviaire roulant ainsi transformé ne sera pas apte à circuler dans des zones appelées zones à zéro émission, lesquelles sont mises en place notamment dans les gares et aux abords des villes ou autres zones habitées d’une part et qui ne permettrait pas de récupérer l’énergie de freinage qui est une autre source d’économie d’énergie et de réduction de coûts de maintenance d’autre part.
L'hybridation, c'est-à-dire l'intégration d'un moteur électrique dans un boggie, d'un matériel roulant existant à propulsion diesel mécanique et/ou hydraulique se heurte par ailleurs à la nécessité d'intégrer une chaîne de traction électrique et un équipement de stockage d’énergie électrique dans un matériel qui n'était pas prévu pour cela à l'origine. L'intégration d'un moteur électrique dans un boggie existant impliquerait une refonte en profondeur de ce dernier avec une campagne longue et coûteuse de validation à refaire pour ledit boggie et pour le train ou le véhicule ferroviaire ainsi modifié. Une telle transformation des matériels roulants existants, générerait des surcoûts inacceptables pour les exploitants.
Il existe actuellement un matériel roulant ferroviaire constitué de chaînes de tractions identiques sur l'ensemble du train. Actuellement, l'hybridation n'est généralement envisagée que sur du matériel où les chaînes de traction sont déjà électriques, c'est-à-dire que les couples communiqués aux essieux moteurs sont produits par des moteurs électriques eux-mêmes installés dans les boggies.
L’objet de l’invention vise par conséquent à pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant une hybridation des véhicules ferroviaires automoteurs à propulsion diesel mécanique/hydraulique existants, de manière à diminuer les émissions polluantes, diminuer leur consommation, diminuer leur coût de maintenance et d'assurer leur exploitation jusqu'à fin de vie.
Un autre objet de la présente invention vise à proposer une hybridation des véhicules ferroviaires automoteurs existants, laquelle n'affecte pas de façon négative les performances notamment sur le plan de l'autonomie et de la charge transportée desdits véhicules.
Un autre objet de l’invention vise à proposer une hybridation des véhicules ferroviaires automoteurs existants en favorisant l’économie d’énergie via la récupération de l’énergie de freinage.
Un autre objet de l'invention vise à proposer un nouveau procédé de commande pour piloter les chaînes de traction électrique et thermique des véhicules ferroviaires automoteurs optimisés par hybridation de leur motorisation.
Un autre objet de l’invention vise à proposer une refonte des principes de génération et de stockage de l’énergie auxiliaire à bord du train pour remplacer tous les alternateurs et autres batteries basse tension par des convertisseurs statiques, de l’électronique de puissance (onduleur et hacheur) directement alimentés par l’équipement de stockage d’énergie électrique ajouté pour réaliser l’hybridation.
Les objets assignés à l’invention sont atteints à l’aide d’un véhicule ferroviaire automoteur comportant au moins un premier et un second boggies sur lesquels est montée au moins une caisse et dont chacun comporte au moins un essieu, chaque boggie d’extrémité étant associé à une chaîne de traction respective, un système de commande pour piloter le fonctionnement des chaînes de traction de manière à fournir un couple à l’un et/ou l’autre des essieux, l’une des chaînes de traction étant une chaîne de traction thermique comprenant un moteur thermique, une boîte de vitesse hydraulique ou mécanique et un cardan reliant l’essieu du premier boggie à la boîte de vitesse hydraulique ou mécanique, caractérisé en ce que l’au moins une autre chaîne de traction est une chaîne de traction électrique comprenant un moteur électrique asynchrone ou synchrone à aimants permanents, un réducteur, un cardan reliant l’essieu du second boggie d’extrémité au réducteur, un système de stockage d’énergie électrique et un convertisseur AC/DC pour alimenter le moteur électrique et fournir ainsi un couple à l’essieu du second boggie, ledit système de commande étant configuré également pour piloter le freinage du véhicule et/ou la recharge du système de stockage d’énergie électrique par l’intermédiaire dudit moteur électrique et de l’essieu du second boggie.
Selon un exemple de réalisation, le moteur thermique est un moteur thermique à plat pouvant fonctionner avec du bio-carburant et conforme aux dernières règlementations en termes d’émission polluantes. Ce moteur thermique présente avantageusement une hauteur inférieure à 800 mm pour ne modifier la limite basse du gabarit ferroviaire. Ce moteur thermique fournit avantageusement, selon un exemple de réalisation, une puissance supérieure à 315 kW, alors que le moteur thermique classique qu’il remplace ne fournit qu’une puissance de 257 kW.
Selon un exemple de réalisation, la chaîne de traction électrique comprend un système d’entraînement hydrostatique associé à une boîte de vitesse et à un système d’embrayage pour entraîner, dans un état embrayé, le moteur électrique et fournir ainsi une énergie électrique au véhicule lorsque ce dernier est à l’arrêt et lorsque le moteur thermique est actif.
Selon un exemple de réalisation, le véhicule ferroviaire comprend une caisse voiture unique et deux essieux par boggie, l’essieu moteur de chacun des boggies étant constitué par l’essieu monté sur le côté intérieur des boggies d’extrémité.
Selon un autre exemple de réalisation, le véhicule ferroviaire au moins un boggie central non motorisé et une caisse ou voiture double dont une première partie est montée sur le premier boggie d’extrémité et sur le boggie central et dont une deuxième partie est montée sur le second boggie d’extrémité et sur le boggie central, l’essieu moteur de chacun des boggies d’extrémité étant constitué par l’essieu monté sur le côté intérieur des boggies d’extrémité
Les objets assignés à l’invention sont également atteints à l’aide d’un procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu’il comprend des consignes de commande, correspondant chacune à mode de fonctionnement spécifique des chaînes de traction, lesdites consignes étant sélectionnées chacune manuellement par le conducteur dudit véhicule ferroviaire ou automatiquement par le système de commande, lesdits modes de fonctionnement comprenant :
- un mode A dans lequel le véhicule est garé et non alimenté électriquement, les moteurs thermique et électrique étant inactifs,
- un mode B dans lequel le véhicule est à l’arrêt en pré-conditionnement ou en maintien de service,
- un mode C dans lequel le véhicule effectue un arrêt en gare de courte durée en mode zéro-émission,
- un mode D dans lequel le véhicule se déplace en traction faible ou en marche sur l’erre en mode zéro-émission,
- un mode E dans lequel le véhicule se déplace en pleine traction,
- un mode F dans lequel le véhicule est en freinage, et
- un mode G dans lequel le véhicule se déplace en faible traction ou au neutre mais hors freinage et procède au rechargement du système de stockage d’énergie électrique.
- un mode A dans lequel le véhicule est garé et non alimenté électriquement, les moteurs thermique et électrique étant inactifs,
- un mode B dans lequel le véhicule est à l’arrêt en pré-conditionnement ou en maintien de service,
- un mode C dans lequel le véhicule effectue un arrêt en gare de courte durée en mode zéro-émission,
- un mode D dans lequel le véhicule se déplace en traction faible ou en marche sur l’erre en mode zéro-émission,
- un mode E dans lequel le véhicule se déplace en pleine traction,
- un mode F dans lequel le véhicule est en freinage, et
- un mode G dans lequel le véhicule se déplace en faible traction ou au neutre mais hors freinage et procède au rechargement du système de stockage d’énergie électrique.
Selon un exemple de mise en œuvre du procédé de commande, le mode B correspond à l’activation du moteur thermique et du système hydrostatique pour entraîner le moteur électrique et recharger ainsi le système de stockage d’énergie électrique, sans besoin de source d’énergie extérieure au dit véhicule.
Selon un exemple de mise en œuvre du procédé de commande, le mode C correspond à l’inactivation du moteur thermique à l’arrêt dudit véhicule, lors dudit mode C tous les équipements auxiliaires à bord dudit véhicule restent actifs. Ceci permet de conserver le même niveau de confort pour les passagers tout en évitant la pollution et les émissions sonores du moteur thermique 5.
Selon un exemple de mise en œuvre du procédé de commande, le mode D correspond à l’inactivation du moteur thermique et à l’activation du moteur électrique alimenté par le système de stockage d’énergie pour fournir un couple à l’essieu qu’il motorise afin de mouvoir ledit véhicule, les accessoires et les dispositifs électriques dudit véhicule étant alimentés par le système de stockage d’énergie via des convertisseurs statiques d’électronique de puissance. Dans ce mode D, l’effort de traction est inférieur à 50% de l’effort maximal qu’il est possible de fournir.
Selon un exemple de mise en œuvre du procédé de commande, le mode E correspond à l’activation du moteur thermique et du moteur électrique pour fournir un couple maximal aux essieux des premier et second boggie. Le moteur thermique est ainsi piloté à son régime nominal et le moteur électrique vient compenser la variation de puissance demandée liée au parcours ou/et à la charge, en soustraction ou en renfort du moteur thermique.
Selon un exemple de mise en œuvre du procédé de commande, le mode F correspond à l’activation ou à l’inactivation du moteur thermique et à l’activation du moteur électrique fonctionnant pour recharger le système de stockage d’énergie et générant ainsi une force de freinage sur l’essieu du second boggie. Dans ce mode F, le freinage dynamique peut être obtenu également par l’intermédiaire de la fonction « retardateur » de la boîte de vitesses côté moteur thermique diesel, en cas d’impossibilité d’utiliser la chaîne de traction électrique en mode freinage par récupération d’énergie.
Selon un exemple de mise en œuvre du procédé de commande, le mode G correspond à l’activation du moteur thermique et à l’activation du moteur électrique fonctionnant pour recharger le système de stockage d’énergie et générant ainsi une force de freinage sur l’essieu moteur du second boggie, ledit moteur thermique étant piloté pour fournir un couple supplémentaire à l’essieu moteur du premier boggie, de manière à compenser la force de freinage et maintenir constante la vitesse de déplacement dudit véhicule.
Les objets assignés à l’invention sont également atteints à l’aide d’un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par ordinateur, pour mettre en œuvre les étapes du procédé de commande, lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
Les véhicules ferroviaires automoteurs conformes à l'invention présentent l'avantage remarquable et inattendu de conserver les performances des matériels existants actuels non transformés, voire de les améliorer jusqu’à 10%, tout en satisfaisant aux nouvelles normes et contraintes réglementaires et environnementales. En outre, il n’y a besoin ni d’une évolution des infrastructures déjà utilisées pour les matériels existants, ni de source d’énergie externe au train.
Un autre avantage remarquable du véhicule ferroviaire automoteur conforme à l’invention réside dans l'utilisation de motorisation thermique moins polluante qui accepte des biocarburants. Ceci permet de réduire considérablement les émissions de CO2et autres particules nocives.
Un autre avantage des véhicules ferroviaires automoteurs conformes à l'invention réside dans la conservation dans la nouvelle chaîne de traction électrique d'une partie des éléments de la chaîne de traction thermique telle qu'elle était avant hybridation. En effet, la transformation d’une chaîne de traction thermique en chaîne de traction électrique n’intervient qu’en amont du cardan reliant l’essieu moteur au réducteur. Le cardan et toutes ses interfaces de connexion ne sont pas modifiés, ni dans leurs formes, ni dans leurs localisations. Ceci contribue donc à faciliter les opérations de transformation des véhicules ferroviaires roulants existants et de réduire les coûts liés à une telle transformation ou hybridation.
Il est ainsi possible de circuler ou de stationner dans des zones zéro émission dans lesquelles seule la chaîne de traction électrique est active ainsi que les auxiliaires alimentés par le système de stockage d’énergie ajouté à bord du train. On obtient par conséquent également une diminution des émissions sonores et polluantes en zone urbaine.
Un autre avantage remarquable des véhicules ferroviaires automoteurs conformes à l’invention résulte d'un nouveau procédé de commande des chaînes de traction dans lequel les phases de recharge du système de stockage d'énergie électrique sont optimisée. Il est ainsi possible de procéder à un rechargement lorsque le véhicule ferroviaire automoteur est en phase de roulage en mode freinage et en phase de roulage hors mode de freinage.
Ce nouveau procédé de commande est également remarquable dans la mesure où il permet de gérer un effort différent entre les essieux entraînés respectivement par la chaîne de traction thermique et la chaîne de traction électrique et ce de façon tout à fait transparente pour le conducteur.
Un autre avantage du véhicule ferroviaire automoteur conforme à l'invention réside dans une gestion optimisée des phases de freinage pour privilégier la récupération de l'énergie de décélération par l’essieu propulsé via la chaîne de traction électrique. Le fait de conserver une boîte de vitesse d’origine, rend possible de mettre en œuvre la fonction «retardateur» par dissipation dans l’huile, notamment en cas d’impossibilité d’utiliser la chaîne de traction électrique pour ralentir le train.
Un autre avantage des véhicules ferroviaires automoteurs conformes à l'invention réside dans l'utilisation d'un système d'entraînement hydrostatique permettant d'entraîner le moteur électrique par le moteur thermique à des fins de rechargement du système de stockage d'énergie électrique lorsque ledit véhicule est à l'arrêt. Le véhicule ferroviaire automoteur peut ainsi rester autonome même pour recharger le système de stockage d’énergie électrique.
Un autre avantage des véhicules ferroviaires automoteurs conformes à l’invention réside dans l’utilisation de convertisseurs d’électronique de puissance pour l’alimentation des auxiliaires à bord, qui offrent un meilleur rendement énergétique sans émission polluante et avec des niveaux de bruit plus faibles. Le rendement global du système de génération d’énergie auxiliaire à bord du véhicule, passe ainsi de façon remarquable de 60% à 95%. Le confort des passagers est par conséquent aussi amélioré.
Un autre avantage lié au procédé de commande du véhicule ferroviaire conforme à l’invention, réside dans la possibilité de faire fonctionner le moteur thermique à son régime nominal, notamment dans le mode G, sur une plus longue durée. Les problèmes liés à l’encrassement du moteur thermique que l’on rencontre si la charge est faible, sont ainsi diminués.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, dans lesquels :
Les éléments structurellement et fonctionnellement identiques présents sur plusieurs figures distinctes, sont affectés d’une même référence numérique ou alphanumérique.
La est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’un véhicule ferroviaire de l’art antérieur comportant une caisse 1 supportée par un premier boggie 2 motorisé et un second boggie 3 motorisé. Ces derniers sont motorisés l’intermédiaire d’un moteur thermique 5, fonctionnant dans une plage de 600 à 1800 tr/min et d’une boîte de vitesses hydraulique ou mécanique 6. Un réservoir 7 de carburant, diesel, est agencé sous la caisse 1 au voisinage du second boggie 3 et permet d’alimenter les deux moteurs thermiques 5.
La est une vue de dessous du véhicule ferroviaire de la . Chacune des boîtes de vitesses 6 transmet un couple respectivement à l’essieu moteur 2b et 3b des premier et second boggies 2 et 3 par l’intermédiaire d’un cardan 6a.
La est une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’un véhicule ferroviaire conforme à l’invention. L’une des chaînes de traction, en l’occurrence celle situé du côté du second boggie 3 est une chaîne de traction électrique. Cette chaîne de traction électrique comprend un moteur électrique 8, asynchrone ou synchrone à aimants permanents et un réducteur 8a associé au dit moteur électrique 8, dont la plage de fonctionnement est comprise entre 0 et 4800 tr/min.
La chaîne de traction électrique comprend également un cardan 9 reliant l’essieu moteur 3b du second boggie 3 au réducteur 8a.
La chaîne de traction électrique comprend également un système de stockage d’énergie électrique 10 et un convertisseur second AC/DC, pour alimenter le moteur électrique 8 et fournir ainsi un couple à l’essieu motorisé 3b du second boggie 3.
Le système de commande du véhicule ferroviaire est avantageusement configuré pour piloter le freinage dudit véhicule et/ou la recharge du système de stockage d’énergie électrique 10 par l’intermédiaire du moteur électrique 8 et de l’essieu moteur 3b du second boggie 3.
La est une vue de dessous du véhicule ferroviaire de la . Le moteur thermique 5 dans le véhicule conforme à l’invention est un moteur thermique à plat pouvant fonctionner avec du bio-carburant et conforme aux dernières règlementations en termes d’émission polluantes.
La représente une partie agrandie A de la , illustrant plus en détails le côté du second boggie 3 et la représente une partie agrandie B de la , illustrant plus en détails le côté du premier boggie 2.
Le cardan 9 de la chaîne de traction électrique est avantageusement identique au cardan 6a de la chaîne de traction thermique. L’interface de connexion entre le réducteur 8a et le cardan 9 d’une part et l’interface de connexion entre la boîte de vitesses hydraulique ou mécanique 6 et le cardan 6a sont localisées dans la même position par rapport à la caisse 1, facilitant ainsi grandement l’hybridation du véhicule ferroviaire, à savoir le remplacement d’une chaîne de traction thermique par une chaîne de traction électrique.
Selon un exemple de réalisation, la chaîne de traction électrique comprend un système d’entraînement hydrostatique 11 associé à un système d’engrenages à rapport fixe 12 et à un système d’embrayage 13 pour entraîner, dans un état embrayé, le moteur électrique 8 et fournir ainsi une énergie électrique au véhicule lorsque ce dernier est à l’arrêt et lorsque le moteur thermique 5 est actif. Ce mode de fonctionnement correspond à un véhicule stationné avec un frein d’urgence engagé.
Dans ce mode de fonctionnement, la liaison mécanique entre le moteur thermique 5 et la boîte de vitesses hydraulique ou mécanique 6, entrainant directement l’essieu moteur 2b, est découplée grâce à un premier embrayage 5a dans un état débrayé. Le premier embrayage 5a est avantageusement intégré à la boîte de vitesses hydraulique ou mécanique 6.
Par ailleurs, la liaison mécanique entre le moteur électrique 8 (ou le réducteur 8a) et un autre système d’engrenages à rapport fixe 14 entrainant directement l’essieu moteur 3b, est découplée grâce à un second embrayage 8b dans un état débrayé. Les états débrayés sont indiqués par des croix sur la . Aucun couple n’est alors transmis aux essieux moteurs 2b et 3b.
Le système d’entrainement hydrostatique 11 comprend également une pompe hydrostatique 5b pilotée par l’intermédiaire du moteur thermique 5 et permettant d’entrainer un moteur hydrostatique 5c, lequel est lié mécaniquement au système d’engrenages à rapport fixe 12, via le système d’embrayage 13.
Les figures 8, 9 et 10 illustrent différents exemples de réalisation du véhicule ferroviaire conforme à l’invention. Ainsi, la illustre un véhicule ferroviaire automoteur comportant une caisse 1 unique supportée par le premier boggie 2 motorisé et le second boggie 3 motorisé. Ces derniers constituent ainsi des boggies d’extrémité. Chacun des boggies 2 et 3 comprend avantageusement deux essieux.
La illustre un autre exemple de réalisation du véhicule ferroviaire, lequel comporte une caisse double avec une partie 1a et partie 1b, le premier boggie 2, le second boggie 3 et un boggie central 4. Le véhicule ferroviaire comprend ainsi un boggie central 4 non motorisé et une caisse ou voiture double dont une première partie 1a est montée sur le premier boggie 2 d’extrémité et sur le boggie central 4 et dont une deuxième partie 1b est montée sur le second boggie 3 d’extrémité et sur le boggie central 4.
La illustre un autre exemple de réalisation du véhicule ferroviaire, lequel comporte une caisse double avec une partie 1a et partie 1b, le premier boggie 2, le second boggie 3 et deux boggies centraux 4a et 4b. Chacune des parties de caisse 1a et 1b est alors supportée respectivement par le premier boggie 2 et un boggie central 4a et par le second boggie 3 et l’autre boggie central 4b.
D’autres exemples de configuration du véhicule ferroviaire sont envisageables dans la cadre de la présente invention.
L'invention concerne par ailleurs un procédé d'hybridation d’un véhicule ferroviaire automoteur comportant au moins deux chaînes de traction thermique associées chacune à un boggie dudit véhicule ferroviaire, en remplaçant au moins une des chaînes de traction thermique par une chaîne de traction électrique en amont du cardan permettant de transmettre un couple à l'essieu moteur et en remplaçant dans au moins une autre chaîne de traction thermique, le moteur thermique existant par un moteur thermique plus performant.
Ce procédé d'hybridation comprend également une étape d'optimisation du procédé de commande desdites chaînes de traction électrique et thermique.
En effet, le procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur décrit ci-dessus, comprend des consignes de commande, correspondant chacune à mode de fonctionnement spécifique A, B, C, D, E, F et G des chaînes de traction, lesdites consignes étant sélectionnées chacune manuellement par le conducteur dudit véhicule ferroviaire ou automatiquement par le système de commande. Les modes de fonctionnement comprennent ainsi le mode A dans lequel le véhicule est garé et non alimenté électriquement, les moteurs thermique et électrique étant inactifs.
Le mode B, dans lequel le véhicule est à l’arrêt en pré-conditionnement ou en maintien de service, correspond à l’activation du moteur thermique 5 et du système hydrostatique pour entraîner le moteur électrique 8 et recharger ainsi le système de stockage d’énergie électrique 10, si nécessaire suivant l’état de charge du système de stockage d’énergie électrique 10, sans besoin de source d’énergie extérieure au dit véhicule et donc d’une infrastructure particulière.
Le mode C dans lequel le véhicule effectue un arrêt en gare de courte durée en mode zéro-émission, correspond à l’inactivation du moteur thermique 5 à l’arrêt dudit véhicule, arrêt lors duquel tous les équipements auxiliaires à bord dudit véhicule, restent actifs.
Le mode D dans lequel le véhicule se déplace en traction faible ou en marche sur l’erre en mode zéro-émission, correspond à l’inactivation du moteur thermique 5 et à l’activation du moteur électrique 8 alimenté par le système de stockage d’énergie électrique 10 pour fournir un couple à l’essieu 3b qu’il motorise afin de mouvoir ledit véhicule, les accessoires et les dispositifs électriques dudit véhicule étant alimentés par le système de stockage d’énergie électrique 10 via des convertisseurs statiques d’électronique de puissance. Dans ce mode D, l’effort de traction est inférieur à 50% de l’effort maximal qu’il est possible de fournir sur le matériel roulant en question.
Le mode E dans lequel le véhicule se déplace en pleine traction, correspond à l’activation du moteur thermique 5 et du moteur électrique 8 pour fournir un couple maximal aux essieux moteurs 2b et 3b des premier et second boggie 2 et 3. Le moteur thermique 5 est ainsi piloté à son régime nominal et le moteur électrique 8 vient compenser la variation de puissance demandée, liée au parcours ou/et à la charge, en soustraction ou en renfort du moteur thermique 5.
Le mode F dans lequel le véhicule est en freinage, correspond à l’activation ou à l’inactivation du moteur thermique 5 et à l’activation du moteur électrique 8 fonctionnant pour recharger le système de stockage d’énergie électrique 10 et générant ainsi une force de freinage sur l’essieu du second boggie. Dans ce mode F, le freinage dynamique peut être obtenu également par l’intermédiaire de la fonction « retardateur » de la boîte de vitesses 6 côté moteur thermique diesel, en cas d’impossibilité d’utiliser la chaîne de traction électrique en mode freinage par récupération d’énergie.
Le mode G dans lequel le véhicule se déplace en faible traction ou au neutre mais hors freinage et procède au rechargement du système de stockage d’énergie électrique 10, correspond à l’activation du moteur thermique 5 et à l’activation du moteur électrique 8 fonctionnant en freinage pour recharger le système de stockage d’énergie 10 et générant ainsi une force de freinage sur l’essieu moteur 3b du second boggie 3. Le moteur électrique 8 fournit ainsi un effort qui vient en soustraction de l’effort de traction généré par le moteur thermique 5. Le moteur thermique 5 est alors piloté pour fournir un couple supplémentaire à l’essieu moteur 2b du premier boggie 2, de manière à compenser la force de freinage et maintenir constante la vitesse de déplacement dudit véhicule.
Il est évident que la présente description ne se limite pas aux exemples explicitement décrits, mais comprend également d’autres modes de réalisation. Ainsi, une caractéristique technique décrite et une étape de procédé décrite, peut être remplacée respectivement par une caractéristique technique équivalente ou une étape de procédé équivalente, sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications.
Claims (13)
- Véhicule ferroviaire automoteur comportant au moins un premier et un second boggies (2, 3) sur lesquels est montée au moins une caisse (1) et dont chacun comporte au moins un essieu (2b, 3b), chacun des premier et second boggies (2, 3) étant associé à une chaîne de traction respective, un système de commande pour piloter le fonctionnement des chaînes de traction de manière à fournir un couple à l’un et/ou l’autre des essieux (2, 3b), l’une des chaînes de traction étant une chaîne de traction thermique comprenant un moteur thermique (5), une boîte de vitesse hydraulique ou mécanique (6) et un cardan (6a) reliant l’essieu moteur (2b) du premier boggie (2) à la boîte de vitesse hydraulique ou mécanique (6), caractérisé en ce que l’autre chaîne de traction est une chaîne de traction électrique comprenant un moteur électrique (8) asynchrone ou synchrone à aimants permanents, un réducteur (8a), un cardan (9) reliant l’essieu moteur (3b) du second boggie (3) au réducteur (8a), un système de stockage d’énergie électrique (10) et un convertisseur AC/DC pour alimenter le moteur électrique (8) et fournir ainsi un couple à l’essieu (3b) du second boggie (3), ledit système de commande étant configuré également pour piloter le freinage du véhicule et/ou la recharge du système de stockage d’énergie électrique (10) par l’intermédiaire dudit moteur électrique (8) et de l’essieu (3b) du second boggie (3).
- Véhicule ferroviaire automoteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moteur thermique (5) est un moteur thermique à plat pouvant fonctionner avec du bio-carburant.
- Véhicule ferroviaire automoteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chaîne de traction électrique comprend un système d’entraînement hydrostatique (11) associé à un système d’engrenages à rapport fixe (12) et à un système d’embrayage (13) pour entraîner, dans un état embrayé, le moteur électrique (8) et fournir ainsi une énergie électrique au véhicule lorsque ce dernier est à l’arrêt et lorsque le moteur thermique (5) est actif.
- Véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend une caisse (1) ou voiture unique et deux essieux (2a, 2b) ou (3a, 3b) par boggie, l’essieu moteur (2b, 3b) de chacun des boggies (2, 3) étant constitué par l’essieu monté sur le côté intérieur des boggies (2, 3).
- Véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu’il comprend au moins un boggie central (4) non motorisé et une caisse (1) ou voiture double dont une première partie (1a) est montée sur le premier boggie (2) d’extrémité et sur le boggie central (4) et dont une deuxième partie (1b) est montée sur le second boggie (3) d’extrémité et sur le boggie central (4), l’essieu moteur (2b, 3b) de chacun des boggies (2, 3) d’extrémité étant constitué par l’essieu monté sur le côté intérieur des boggies (2, 3) d’extrémité
- Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend des consignes de commande, correspondant chacune à mode de fonctionnement spécifique des chaînes de traction, lesdites consignes étant sélectionnées chacune manuellement par le conducteur dudit véhicule ferroviaire ou automatiquement par le système de commande, lesdits modes de fonctionnement comprenant :
- un mode A dans lequel le véhicule est garé et non alimenté électriquement, les moteurs thermique (5) et électrique (8) étant inactifs,
- un mode B dans lequel le véhicule est à l’arrêt en pré-conditionnement ou en maintien de service,
- un mode C dans lequel le véhicule effectue un arrêt en gare de courte durée en mode zéro-émission,
- un mode D dans lequel le véhicule se déplace en traction faible ou en marche sur l’erre en mode zéro-émission,
- un mode E dans lequel le véhicule se déplace en pleine traction,
- un mode F dans lequel le véhicule est en freinage, et
- un mode G dans lequel le véhicule se déplace en faible traction ou au neutre mais hors freinage et procède au rechargement par récupération du système de stockage d’énergie électrique. - Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique selon la revendication 6 et du véhicule ferroviaire automoteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le mode B correspond à l’activation du moteur thermique (5) et du système hydrostatique pour entraîner le moteur électrique (8) et recharger ainsi le système de stockage d’énergie électrique (10), sans besoin de source d’énergie extérieure au dit véhicule.
- Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le mode C correspond à l’inactivation du moteur thermique (5) à l’arrêt dudit véhicule, lors dudit mode C tous les équipements auxiliaires à bord dudit véhicule restent actifs.
- Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le mode D correspond à l’inactivation du moteur thermique (5) et à l’activation du moteur électrique (8) alimenté par le système de stockage d’énergie (10) pour fournir un couple à l’essieu (3b) qu’il motorise afin de mouvoir ledit véhicule, les accessoires et les dispositifs électriques dudit véhicule étant alimentés par le système de stockage d’énergie (10) via des convertisseurs statiques d’électronique de puissance.
- Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que le mode E correspond à l’activation du moteur thermique (5) et du moteur électrique (8) pour fournir un couple maximal aux essieux (2b, 3b) des premier et second boggie (2, 3).
- Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce que le mode F correspond à l’activation ou à l’inactivation du moteur thermique (5) et à l’activation du moteur électrique (8) fonctionnant pour recharger le système de stockage d’énergie (10) et générant ainsi une force de freinage sur l’essieu (3b) du second boggie (3).
- Procédé de commande des chaînes de traction thermique et électrique du véhicule ferroviaire automoteur selon l’une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que le mode G correspond à l’activation du moteur thermique (5) et à l’activation du moteur électrique (10) fonctionnant pour recharger le système de stockage d’énergie (10) et générant ainsi une force de freinage sur l’essieu (3b) moteur du second boggie (3), ledit moteur thermique (5) étant piloté pour fournir un couple supplémentaire à l’essieu (2b) moteur du premier boggie (2), de manière à compenser la force de freinage et maintenir constante la vitesse de déplacement dudit véhicule.
- Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code de programme enregistrées sur un support lisible par ordinateur, pour mettre en œuvre les étapes du procédé selon l’une quelconque des revendications 6 à 12, lorsque ledit programme est exécuté par un ordinateur.
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