« Système d'alimentation embarquée avec ... - I-Trans
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SIFER 2007<br />
Lille<br />
<strong>«</strong> <strong>Système</strong> d’alimentation d<br />
<strong>embarquée</strong><br />
<strong>avec</strong> Supercondensateurs<br />
pour Neoval »<br />
A. Bouscayrol, P. Delarue, A. L. Allègre, E. Chattot<br />
1
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Objectif et plan -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
2<br />
Objectif : proposer une version sans rail d’alimentation pour Neoval<br />
l’autonomie étant assurée par une alimentation <strong>embarquée</strong><br />
1. Principe de l’alimentation <strong>embarquée</strong><br />
2. Contraintes technologiques<br />
3. Partenariat pour l’étude<br />
Conclusion
SIFER 2007<br />
Lille<br />
Principe de l’alimentation l<br />
<strong>embarquée</strong><br />
moteur<br />
stockeur 2<br />
convertisseur<br />
3
station<br />
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Alimentation par rail -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
station<br />
4<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
rail d’alimentation<br />
750 V DC<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
moteur<br />
convertisseur<br />
auxiliaires<br />
frotteur
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
station<br />
- Alimentation <strong>embarquée</strong> -<br />
1. Charge en station<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
station<br />
5<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
rail d’alimentation<br />
750 V DC<br />
rail d’alimentation seulement en station<br />
il ne reste que le rail de guidage<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
moteur<br />
stockeur 2<br />
convertisseur<br />
stockeur 1
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
station<br />
- Alimentation <strong>embarquée</strong> -<br />
2. Phase de traction<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
station<br />
6<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
rail d’alimentation<br />
750 V DC<br />
rail de guidage<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
moteur<br />
stockeur 2<br />
convertisseur<br />
stockeur 1
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
station<br />
- Alimentation <strong>embarquée</strong> -<br />
3. Phase de freinage<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
station<br />
7<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
rail d’alimentation<br />
750 V DC<br />
rail de guidage<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
moteur<br />
stockeur 2<br />
convertisseur<br />
stockeur 1
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
station<br />
- Alimentation <strong>embarquée</strong> -<br />
reprise du cycle<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
station<br />
8<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
rail d’alimentation<br />
750 V DC<br />
rail de guidage<br />
sous-station<br />
d’alimentation<br />
moteur<br />
stockeur 2<br />
convertisseur<br />
stockeur 1
SIFER 2007<br />
Lille<br />
Contraintes technologiques<br />
9
Densité d’énergie (Wh/kg)<br />
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Technologies de stockage -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
10<br />
Pile à combustible<br />
classique<br />
10 2<br />
10<br />
10 3 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7<br />
Batteries<br />
volant<br />
inertie<br />
émergence<br />
transfert<br />
10 -1 1<br />
10 -2<br />
SUPER<br />
CONDENSATEURS<br />
SMES<br />
Condensateurs<br />
Densité de Puissance (W/kg)
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Propriétés des Supercondensateurs -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
11<br />
Propriétés<br />
condensateur<br />
électrique<br />
supercondensateurs<br />
batterie<br />
électrochimique<br />
Temps de décharge<br />
10 -6 to 10 -3 s<br />
1 à 30 s<br />
0,3 à 3 h<br />
Temps de charge<br />
10 -6 to 10 -3 s<br />
1 à 30 s<br />
1 à 5 h<br />
Densité d’énergie (Wh/kg)<br />
< 0,1<br />
1 à 10<br />
20 à 200<br />
Densité de puissance (W/kg)<br />
> 10 7<br />
1 000 à 3 000<br />
50 à 200<br />
rendement<br />
# 1<br />
0,9 à 0,95<br />
0,7 à 0,85<br />
Cycles<br />
10 10<br />
> 100 000<br />
500 à 2 000<br />
Durée de vie typique<br />
30 ans<br />
30 ans<br />
5 ans<br />
Avantages<br />
• recharge rapide, durée de vie, gestion des pics de puissance<br />
Inconvénients<br />
• volume conséquent pour énergie stockée
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Banc de supercondensateurs -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
12<br />
Supercondensateurs actuels<br />
• tension max de 2,7 V<br />
• 1 à 1000 F<br />
• 0,01 € /F<br />
• 1 million de cycles<br />
Scaps 350 F<br />
Contraintes<br />
• mise en parallèle<br />
• mise en série<br />
• structure d’équilibrage<br />
10 modules de 6 Scaps pour 150 V
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Structure de Puissance -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
13<br />
station<br />
réseau<br />
redresseur<br />
rail d’alimentation<br />
750 V DC<br />
Filtre<br />
traction<br />
réseau<br />
redresseur<br />
chargeur<br />
tampon<br />
traction<br />
SC1<br />
SC2
SIFER 2007<br />
Lille<br />
Partenariat de l’él<br />
’étude<br />
14
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Compétences <strong>«</strong> systèmes embarqués » du L2EP -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
15<br />
• formalisme de modélisation et commande<br />
• tractions ferroviaires<br />
• véhicules électriques et hybrides<br />
• stockage d’énergie (supercondensateurs…)<br />
EPF Lausanne<br />
LTE<br />
Belfort<br />
MEGEVH<br />
réseau national<br />
sur les VH
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Étape 1 : dimensionnement en Energie -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
16<br />
consignes<br />
environnement<br />
système<br />
Équation<br />
dynamique<br />
+<br />
profil<br />
accélération<br />
∫<br />
vitesse<br />
∫<br />
position profil<br />
voie<br />
+<br />
force<br />
x<br />
puissance<br />
∫<br />
énergie<br />
v<br />
t<br />
résistance<br />
à l’avancement<br />
+<br />
E<br />
t
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Étape 2 : dimensionnement des Scaps -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
17<br />
contraintes système embarqué<br />
• autonomie en énergie<br />
• bus continu...<br />
contraintes Supercondensateurs<br />
• tension maximale<br />
• profondeur de décharge...<br />
dimensionnement du banc de supercondensateur<br />
• énergie totale stockée<br />
• nombre de composants en parallèle<br />
• nombre de composant en série...<br />
poids, volume, coût du système de stockage
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Étape 3 : Électronique de puissance -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
18<br />
station<br />
réseau<br />
redresseur<br />
chargeur<br />
tampon<br />
traction<br />
configuration<br />
maximale<br />
SC1<br />
SC2<br />
Réduire le poids et le coût de l’électronique de puissance<br />
• mise en commun d’éléments<br />
• importance de la commande<br />
• gestion coordonnée des flux d’énergie
<strong>Système</strong> d’alimentation <strong>embarquée</strong> e pour Neoval<br />
- Étape 4 : Simulation de l’ensemble -<br />
SIFER’07, Lille, juin 2007<br />
19<br />
Simulation du VAL 206 sous Matlab-Simulink TM<br />
Validation de l’ensemble pour un cycle de référence<br />
• autonomie en énergie<br />
• performances dynamiques<br />
• valeurs critiques lors des régimes transitoires
SIFER 2007<br />
Lille<br />
Conclusion<br />
Intérêt de l’alimentation <strong>embarquée</strong><br />
• suppression du rail d’alimentation entre station mais aussi<br />
en atelier / en garage (coût / sécurité)<br />
• optimisation de la récupération d’énergie et réduction des pointes au<br />
réseau (environnement / coût d’exploitation)<br />
Les verrous scientifiques<br />
• une charge du stockeur embarqué en 30 s (arrêt station)<br />
• une électronique de puissance forte puissance et faible volume<br />
• une commande innovante pour le meilleur rendement<br />
La <strong>«</strong> road map »<br />
• étude de faisabilité pour 2008<br />
• mise en service pour 2012<br />
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