Le Paper A de cette série a établi le profil de charge de l'alimentation de secours d'une voiture voyageurs et d'une rame à grande vitesse : l'éclairage de l'allée et des zones de porte, la commande et la libération des portes, la sonorisation et les interphones, les feux de signalisation et, sur les rames modernes, la ventilation de secours et l'électronique de commande qui doivent survivre à une coupure de l'alimentation principale. Ce Paper B transforme ce profil en pack. Il suit les étapes de dimensionnement qu'un ingénieur OEM effectue réellement : lister les charges de secours, les regrouper en blocs de fonctionnement, calculer l'énergie et le courant pour l'autonomie requise, appliquer les marges de froid, de fin de vie et de profondeur de décharge, choisir le nombre de cellules et la protection, et dimensionner la charge et le transfert selon le cadre électrique de l'EN 50155. Chaque valeur numérique ici est indiquée comme illustrative : les valeurs contractuelles d'un véhicule réel figurent dans sa spécification et dans l'édition des normes citée sur le certificat. Le Paper C traitera ensuite des essais de type et de la certification qui démontrent la conception.

Les points clés en un coup d'œil

Point clé 1. Le dimensionnement commence par une somme d'énergie des blocs de fonctionnement, et non par une puissance nominale multipliée par une durée. Les charges permanentes (éclairage de secours, électronique de commande) tournent pendant toute l'autonomie ; les contrôleurs de porte et l'amplificateur de sonorisation sont des charges de veille avec de courtes impulsions à courant élevé ; la ventilation de secours peut être cadencée. Chaque bloc est intégré séparément, l'énergie d'impulsion est ajoutée, et le résultat est un besoin en ampères-heures à la tension nominale du module, avant toute marge.

Point clé 2. L'objectif d'autonomie est fixé par les normes d'éclairage. L'UIC 555 (amendement 7:2013) exige un éclairage de secours d'au moins 50 % de l'éclairement normal dans l'allée et 30 % dans les zones de sièges pendant au moins 90 minutes, et l'EN 13272-1:2019 (matériel lourd) impose en outre aux trains à grande vitesse et grandes lignes de maintenir l'éclairage général au moins 10 minutes après la coupure de l'alimentation principale, avant le mode secours. L'EN 13272-2:2019 (matériel urbain) prescrit un éclairage de secours minimal d'au moins 5 lx en moyenne au niveau du sol le long de l'axe du chemin d'évacuation et de 40 lx sur la marche d'accès à la porte ouverte.

Point clé 3. La capacité utilisable est toujours inférieure à la valeur nominale. Une cellule NiMH étanche délivre moins à l'extrémité froide de la plage, moins en fin de vie et moins lorsque la conception limite la profondeur de décharge. La pratique des blocs de secours retient généralement une durée de vie de plusieurs années et dimensionne sur la capacité encore disponible en fin de vie, et non sur la valeur du premier jour ; la chaîne de réduction ci-dessous résume cela en un seul facteur, et l'exemple utilise des facteurs illustratifs prudents d'environ 0.85 pour le froid et 0.85 pour la fin de vie.

Point clé 4. Une cellule NiMH étanche a une tension nominale de 1.2 V, environ 1.45 à 1.50 V en fin de charge complète et ne doit pas être déchargée sous environ 0.9 à 1.0 V par cellule ; la protection du pack coupe généralement à 0.85 à 0.9 V par cellule pour empêcher l'inversion d'une cellule. Des chaînes de 3, 4, 5, 6, 8 et 10 cellules donnent des tensions nominales de 3.6, 4.8, 6.0, 7.2, 9.6 et 12.0 V, adaptées aux rails basse tension des blocs d'éclairage, contrôleurs de porte et amplificateurs. La charge se termine sur -ΔV, température ou ΔT/Δt, suivie d'un faible courant d'entretien d'environ 0.05 à 0.1 C.

Point clé 5. Le pack NiMH distribué n'est pas la batterie de rame. La grande batterie du rail 110 V est classiquement une batterie entretenue nickel-cadmium ou plomb selon la série IEC 62973 (IEC 62973-2 nickel-cadmium, IEC 62973-3:2024 plomb) ; les modules NiMH étanches de cet article sont les batteries locales de chaque équipement de secours, qualifiés selon IEC 61951-2:2017+A1:2022, IEC 62133-1:2017 (partie nickel, attention -1) et IEC 63115-2:2021, et expédiés sous UN 3496 avec la disposition spéciale IATA A199.

Étape 1 – Établir la liste des charges de secours et les blocs de fonctionnement

Le premier document de dimensionnement est un tableau de charges issu de la liste des fonctions de secours du véhicule, et non d'un chiffre unique sur une étiquette de luminaire. Pour chaque fonction, l'ingénieur relève la puissance normale, la puissance réduite de secours, la tension d'alimentation, le caractère permanent ou pulsé, ainsi que la durée et la fréquence des impulsions. Les blocs LED de secours fonctionnent en mode réduit afin d'atteindre la fraction prescrite de l'éclairement normal avec la moindre énergie ; l'électronique de commande et de surveillance consomme un faible courant permanent ; le contrôleur de porte maintient un courant de veille et tire une courte impulsion à la libération ou à l'ouverture ; l'amplificateur de sonorisation repose avec un faible courant de veille et atteint des pointes lorsque le conducteur parle ; les feux latéraux et de signalisation sont des charges permanentes à faible courant ; la ventilation de secours, le cas échéant, est une charge rotative lourde, souvent cadencée pour économiser le budget d'énergie.

Un bloc de fonctionnement est la combinaison d'une puissance et d'un temps. L'énergie d'une charge permanente est sa puissance de secours multipliée par l'autonomie ; l'énergie d'une impulsion est sa puissance d'impulsion multipliée par le nombre d'impulsions et leur durée. La somme des blocs donne l'énergie brute que le module doit fournir. Le tableau ci-dessous montre un module illustratif monozone – un groupe de luminaires plus une part de la logique de commande et de porte – en gardant volontairement des chiffres ronds pour la clarté de la méthode ; un vrai tableau de charges de voiture comporte des dizaines de lignes, et les valeurs contractuelles remplacent celles-ci.

La somme des blocs illustratifs donne environ 13.4 Wh fournis sur l'autonomie de 90 minutes. Les impulsions ne représentent qu'une faible part de l'énergie, mais elles déterminent la tenue au courant de crête des cellules, des connexions et de la protection ; elles ne sont donc jamais omises pour leur faible énergie : un pack avec assez d'énergie globale mais incapable de fournir l'impulsion d'ouverture de porte échouera quand même à la séquence d'évacuation.

Étape 2 – Convertir l'énergie en capacité et choisir la tension du module

L'énergie connue, la tension nominale du module est choisie à partir du rail présent dans l'équipement. Les blocs d'éclairage et petits modules de commande utilisent généralement des chaînes de 3.6, 4.8, 6.0 ou 7.2 V (3, 4, 5 ou 6 cellules NiMH), tandis que les contrôleurs de porte et amplificateurs de secours plus puissants utilisent 9.6 ou 12 V (8 ou 10 cellules) ou plus. La capacité nécessaire à cette tension nominale est l'énergie divisée par la tension. Dans l'exemple monozone illustratif, un module 7.2 V nécessite 13.4 Wh / 7.2 V = 1.86 Ah de capacité fournie avant marges ; la même énergie serait 2.79 Ah en 4.8 V et 1.40 Ah en 9.6 V. Le choix de la tension est donc une décision sur la taille des cellules et le courant, et pas seulement un détail de câblage : une tension de module plus élevée réduit le courant à puissance égale et diminue les pertes I²R ainsi que le courant de crête par cellule.

Le courant moyen de secours est la puissance continue divisée par la tension moyenne de décharge, mais le pack doit aussi être vérifié jusqu'à la tension de fin. Une chaîne NiMH ne maintient pas 1.2 V par cellule jusqu'au bout ; la tension aux bornes décroît sous charge et évolue à la baisse durant la décharge, et le pilote LED ou le convertisseur DC/DC doit fonctionner jusqu'à la plus basse tension de chaîne admise avant coupure. L'ingénieur vérifie que l'électronique de charge fonctionne depuis la tension de chaîne pleine charge (environ 1.45 à 1.5 V par cellule, soit environ 8.7 à 9.0 V pour un pack à 6 cellules) jusqu'à la coupure (environ 0.9 à 1.0 V par cellule, soit environ 5.4 à 6.0 V), et dimensionne le convertisseur aval sur cette fenêtre plutôt que sur les 7.2 V nominaux.

Figure 1. La séquence de dimensionnement et de conception pour un module de secours distribué de voiture (illustratif). Les facteurs et l'ordre suivent la pratique courante des batteries de secours ; la spécification contractuelle et l'édition des normes citée sur le certificat fixent les valeurs contraignantes.

Étape 3 – Appliquer la chaîne de réduction : froid, vieillesse, profondeur de décharge

La capacité nominale d'une cellule est mesurée à 20 °C sur une cellule neuve avec un courant de décharge défini – exactement l'état que la batterie ne rencontre pas lors d'une vraie évacuation hivernale. Trois abattements sont appliqués avant de déclarer le pack suffisant. Le premier est la température : à l'extrémité froide de la classe de service de l'EN 50155 – −25 °C pour les équipements OT3, −40 °C pour OT2/OT4/OT6 – la capacité disponible et la tension fournie sous charge sont moindres, et la conception utilise un facteur froid basé sur les courbes de décharge à froid du fabricant au courant de secours réel. Le deuxième est la fin de vie : la pratique des blocs de secours retient une durée de vie de plusieurs années et dimensionne sur la capacité encore disponible en fin de vie, car l'essai de 90 minutes doit être réussi même la dernière année de service ; l'illustration utilise ici un facteur prudent de 0.85. Le troisième est la profondeur de décharge : limiter la profondeur de décharge réduit la contrainte et protège une cellule faible contre l'inversion, et la conception conserve une marge résiduelle au lieu de vider le pack jusqu'au seuil de protection.

Ces facteurs se composent, ils se multiplient donc au lieu de s'ajouter. Dans l'exemple illustratif, le module 7.2 V doit fournir 1.86 Ah ; avec un facteur froid de 0.85, un facteur de fin de vie de 0.85 et une allocation de profondeur de décharge de 0.90, la capacité nominale requise est de 1.86 / (0.85 × 0.85 × 0.90) = 1.86 / 0.650 = 2.86 Ah, arrondie à un pack standard 6 cellules de 3.0 Ah. La même chaîne conduit à environ 4.3 Ah en 4.8 V et environ 2.1 Ah en 9.6 V. Ces chiffres sont illustratifs et les facteurs doivent être remplacés par les vraies données de froid et de vieillissement de la cellule retenue ; la méthode – énergie fournie brute, divisée par la tension, puis par la marge multipliée – garantit toutefois que le module atteint l'autonomie complète à la fin d'une nuit froide dans la dernière année de service.

Étape 4 – Nombre de cellules, connexions et protection

Une fois capacité et tension fixées, le format de cellule est choisi pour fournir à la fois le courant moyen et le courant d'impulsion avec marge. Une cellule NiMH étanche haute puissance ou industrielle au format A, Sub-C, C ou un assemblage de cellules bouton soudées peut être dimensionnée sur le courant de décharge exigé par les impulsions de porte et de sonorisation ; des cellules en parallèle complètent lorsque la capacité ou le courant d'impulsion dépasse une seule cellule, et le montage en série fixe la tension. Les connecteurs sont des languettes soudées dimensionnées sur le courant d'impulsion et le profil vibratoire de l'EN 61373 ; des languettes soudées par points et des connexions déchargées en traction résistent aux essais de vibrations aléatoires et de chocs en caisse (catégorie 1, avec la catégorie 2 classe B comme référence par défaut), là où des connexions soudées à l'étain ou serties à la main échouent.

La protection est dimensionnée sur la chimie et non empruntée à une conception lithium. Le NiMH étanche n'exige pas de BMS équilibreur de type lithium, mais un pack de secours distribué comporte néanmoins un rupteur thermique ou PTC contre le court-circuit externe et la charge anormale, un FET série ou un relais qui coupe à la tension de coupure du pack (environ 0.85 à 0.9 V par cellule) pour empêcher l'inversion lors d'une décharge profonde, une protection contre l'inversion de polarité aux bornes du module et, pour les chaînes multicellulaires, un appariement soigné des cellules afin qu'une cellule faible ne soit pas inversée par les autres à la fin d'une longue décharge. Comme un élément de protection défaillant ne doit jamais éteindre un bloc de secours sans le signaler, les éléments de protection sont à sécurité intégrée et le module est conçu pour être testable via le bouton de test de routine du véhicule.

Étape 5 – Charge, entretien et transfert sans rupture selon l'EN 50155

Un module de secours distribué passe presque toute sa vie en veille, donc la stratégie de charge est un moteur de conception. Les chargeurs pour NiMH étanche terminent la charge principale sur -ΔV, sur le taux de montée en température (ΔT/Δt) ou sur une coupure absolue en température, puis passent à un faible courant d'entretien d'environ 0.05 à 0.1 C ou à une charge pulsée/d'entretien qui maintient le pack plein sans la surcharge qui raccourcit la durée de vie en float. Le chargeur est alimenté depuis le rail de voiture via un convertisseur DC/DC qualifié EN 50155, qui doit maintenir la fenêtre de charge sur toute la plie continue de tension nominale moins 30 % à plus 25 % et résister aux surtensions transitoires et prolongées sans surcharger ; l'ondulation résiduelle de 5 % du rail ne doit pas provoquer de microcycles des cellules.

Le transfert a deux tâches distinctes. Les événements très courts – le creux de commutation de l'EN 50155 de 40 % jusqu'à 100 ms et les coupures totales de 10 ms (S2, par défaut) ou 20 ms (S3) – sont couverts par des condensateurs de soutien dans le convertisseur, afin que le contrôleur ne se réinitialise jamais, exactement comme le préconise la pratique ferroviaire DC/DC avec des condensateurs de soutien supplémentaires. L'événement long – une vraie coupure de l'alimentation principale pendant toute l'autonomie – est repris par le pack NiMH, qui est connecté sans saut de luminosité visible, généralement lorsque l'alimentation tombe sous environ 0.6 fois la tension nominale pendant plus d'une demi-seconde, en cohérence avec le seuil de commutation de l'UIC 555. Concevoir séparément le soutien et la reprise batterie évite deux défauts courants : la réinitialisation de l'électronique à chaque court creux et le cyclage de la batterie sur des perturbations millisecondes que le condensateur devrait absorber.

Figure 2. Tension aux bornes de chaîne illustrative sur la décharge de secours de 90 minutes à froid et en fin de vie, avec coupure et marge de capacité. La courbe est qualitative et non à l'échelle ; le profil réel suit les courbes de décharge publiées de la cellule retenue au courant de secours et la tension de coupure du convertisseur de charge.

Étape 6 – Choisir la chimie honnêtement : NiMH, NiCd, plomb, lithium

Les concepteurs demandent parfois pourquoi un module de secours distribué utilise du NiMH étanche alors que la batterie de rame est d'une autre chimie. Les quatre systèmes occupent des niches distinctes. La batterie de rame traditionnelle est une batterie nickel-cadmium entretenue selon IEC 62973-2, appréciée pour sa robustesse mécanique et thermique très élevée et sa longue validation ferroviaire, mais elle contient du cadmium et nécessite entretien et ventilation. Les batteries plomb étanches (VRLA, IEC 62973-3:2024) sont peu coûteuses mais plus lourdes, plus faibles à froid, se sulfatent après de longs états de charge partielle et conviennent plutôt à de grands blocs qu'à de petits modules étanches. Les systèmes lithium offrent une haute densité d'énergie mais apportent une surveillance cellulaire, les résumés d'essai UN 38.3 et les règles d'expédition UN 3480/3481. Le NiMH étanche se situe au milieu : sans cadmium, tolérant de longues charges d'entretien et de décharges profondes occasionnelles, avec une capacité à froid utile, simple à expédier sous UN 3496 avec IATA A199, et bien adapté aux petits packs distribués des luminaires et contrôleurs. Il n'est pas choisi pour sa densité d'énergie mais pour sa disponibilité, son comportement à froid, sa durée de vie en float et le chemin logistique conforme le plus simple.

Intégration mécanique, CEM, incendie et maintenance

Le dimensionnement électrique est nécessaire mais pas suffisant. Le pack et son enceinte sont dimensionnés pour l'emplacement selon l'EN 61373 – caisse (catégorie 1), bogie (catégorie 2) ou essieu (catégorie 3) – avec des languettes soudées, connecteurs et composants internes capables de survivre aux spectres de vibrations aléatoires et de chocs correspondants. La CEM est conçue selon l'EN 50121-3-2, ce qui signifie que chargeur et électronique de protection résistent aux transitoires rapides de ±2 kV (5/50 ns, 5 kHz), aux ondes de choc ±2 kV ligne-terre et ±1 kV ligne-ligne (1.2/50 µs) et à l'immunité RF conduite en mode commun jusqu'à 80 MHz. Le comportement au feu suit l'EN 45545-2 pour les plastiques, étiquettes, isolations et boîtiers autour du pack et l'EN 45545-6 pour les mesures de maîtrise du feu ; l'indice de protection suit l'EN 60529 pour l'environnement du luminaire ou de l'armoire. La facilité de maintenance – bouton de test manuel, indication d'état, module remplaçable sans déposer le luminaire – permet à l'exploitant de démontrer la disponibilité sur la durée ; les classes de durée de vie L1 à L4 de l'EN 50155 (5 à 20 ans, L4 par défaut) balisent la durée de service attendue.

Questions fréquentes

Comment calcule-t-on la capacité d'une batterie de secours de voiture ?

Listez chaque charge de secours et sa puissance réduite, transformez chacune en bloc de fonctionnement (puissance × temps, impulsions comptées à part), sommez l'énergie sur l'autonomie requise, divisez par la tension nominale du module pour obtenir le besoin en ampères-heures fourni, puis divisez par les facteurs multipliés froid, fin de vie et profondeur de décharge. Le module 7.2 V illustratif de cet article nécessite 1.86 Ah fourni et environ 2.86 Ah nominaux, arrondis à 3.0 Ah ; les facteurs doivent être remplacés par les vraies données de froid et de vieillissement de la cellule retenue.

Combien de temps l'éclairage de secours doit-il durer, et à quelle intensité ?

L'UIC 555 exige au moins 50 % de l'éclairement normal dans l'allée et 30 % dans les zones de sièges pendant au moins 90 minutes, avec un transfert automatique vers environ 0.6 fois la tension nominale après plus d'une demi-seconde. L'EN 13272-1:2019 ajoute pour les trains à grande vitesse et grandes lignes au moins 10 minutes d'éclairage général avant le mode secours ; l'EN 13272-2:2019 impose pour le matériel urbain au moins 5 lx en moyenne le long de l'axe du chemin d'évacuation et 40 lx sur la marche d'accès.

Combien de cellules NiMH composent un module de secours 7.2 V, et quelles sont les limites de tension ?

Six cellules en série donnent 7.2 V nominal. Une cellule a 1.2 V nominal, environ 1.45 à 1.50 V pleine charge et ne doit pas être déchargée sous environ 0.9 à 1.0 V ; le convertisseur de charge d'une chaîne à 6 cellules doit fonctionner d'environ 8.7 à 9.0 V (pleine) jusqu'à 5.4 à 6.0 V (coupure), et la protection coupe à environ 0.85 à 0.9 V par cellule pour empêcher l'inversion.

Comment un pack NiMH étanche de secours est-il maintenu chargé en veille ?

La charge principale se termine sur -ΔV, température ou ΔT/Δt, suivie d'un faible courant d'entretien d'environ 0.05 à 0.1 C ou d'une charge d'entretien pulsée. Le chargeur est alimenté depuis le rail de voiture via un DC/DC qualifié EN 50155 qui maintient la fenêtre de charge sur toute la plage du rail ; des condensateurs de soutien couvrent les coupures de 10 ms (S2) ou 20 ms (S3) et le creux de commutation, tandis que le pack NiMH reprend les vraies coupures longues.

Pourquoi du NiMH étanche plutôt que du plomb ou la batterie NiCd de rame ?

Le NiMH étanche est sans cadmium, conserve une capacité à froid utile, tolère de longues charges d'entretien et des décharges profondes occasionnelles et s'expédie sous UN 3496 avec IATA A199, évitant les règles lithium UN 38.3 et UN 3480/3481. Le plomb est plus lourd et se sulfate à des états de charge partielle, tandis que le NiCd entretenu est la batterie de rame selon IEC 62973-2 et contient du cadmium ; le NiMH est choisi pour les petits modules locaux distribués, et non pour remplacer la batterie de rame.

Quelles normes prouvent la conception avant l'essai de type ?

Les cellules sont documentées selon IEC 61951-2:2017+A1:2022 (performance), IEC 62133-1:2017 (sécurité des cellules nickel), IEC 63115-2:2021 (NiMH industriel) et IEC 61959 ; le module satisfait l'EN 50155 pour le cadre électrique et la classe de température, l'EN 61373 pour les vibrations et chocs, l'EN 50121-3-2 pour la CEM et l'EN 45545-2/-6 pour le feu, avec un transport sous UN 3496 / IATA A199. Le Paper C les suit à travers les essais de type et la certification.

Sources et normes

Devoir de dimensionnement et autonomie : UIC 555 (éclairage électrique des voitures voyageurs, amendement 7:2013), incluant les éclairements de secours de 50 % allée et 30 % sièges, le minimum de 90 minutes et le seuil de commutation ; EN 13272-1:2019 (matériel lourd, incluant l'exigence de 10 minutes d'éclairage général pour les trains à grande vitesse et grandes lignes après coupure principale) et EN 13272-2:2019 (matériel urbain, incluant le minimum de 5 lx au sol le long de l'axe d'évacuation et 40 lx sur la marche d'accès) ; règlement (UE) n° 1302/2014 (STI LOC & PAS) ; ainsi que les chinois TB/T 3414 (éclairage de secours des rames automotrices) et TB/T 3582-2023 (ventilation de secours des rames). Cadre électrique : EN 50155:2017 (version consolidée 2021) pour les tensions nominales continues, plages continues et transitoires, commutation d'alimentation et classes d'interruption S1/S2/S3, ainsi que les classes de température OT1 à OT6 et de durée de vie L1 à L4 ; EN 50163 ; et la pratique ferroviaire DC/DC avec condensateurs de soutien pour couvrir S2 10 ms et S3 20 ms.

Références cellule, protection et transport : IEC 61951-2:2017+A1:2022 pour la performance des cellules NiMH étanches, IEC 62133-1:2017 pour la sécurité des cellules nickel étanches (partie -1), IEC 63115-2:2021 pour le NiMH industriel et IEC 61959 pour le fonctionnement mécanique ; la série IEC 62973 pour les batteries auxiliaires embarquées du matériel ferroviaire (IEC 62973-2 nickel-cadmium, IEC 62973-3:2024 plomb) et GB/T 21413.1 pour les conditions générales des équipements embarqués ; EN 61373 chocs et vibrations, EN 50121-3-2 CEM équipement et EN 45545-2/-6 comportement au feu, avec EN 60529 pour l'indice de protection ; UN 3496 et disposition spéciale IATA A199 pour le transport. Les valeurs de tension, de courant d'entretien et de coupure reflètent la pratique courante du NiMH étanche et des fiches techniques représentatives ; les facteurs de froid, de fin de vie et de profondeur de décharge, ainsi que toutes les puissances, capacités et durées des blocs, sont des exemples d'ingénierie illustratifs ; les valeurs de la spécification contractuelle du véhicule et des éditions des normes citées font foi.

Weijiang Power

Weijiang Power fournit des packs NiMH étanches pour les modules de secours OEM de voiture – blocs LED de secours, contrôleurs de porte, unités de sonorisation et d'interphone, électronique de commande de secours – dimensionnés pour l'autonomie de 90 minutes avec des marges intégrées froid, fin de vie et profondeur de décharge, avec des languettes soudées et une protection à sécurité intégrée pour le profil vibratoire de l'EN 61373, une compatibilité EN 50121-3-2 et EN 45545-2, et une documentation cellule selon IEC 61951-2 / IEC 62133-1 / IEC 63115-2. Les packs sont sans cadmium et voyagent sous UN 3496 via IATA A199. Envoyez-nous la tension nominale de votre rail, votre liste de charges de secours, l'autonomie requise, la classe de température à l'extrémité froide et votre disposition de charge ; nous produirons le dimensionnement en nombre de cellules, capacité et charge et soutiendrons les démonstrations d'autonomie à froid et de durée de vie float avant l'essai de type. Voir la gamme de produits NiMH Weijiang pour les formats de pack standard ou contactez notre équipe OEM avec votre spécification véhicule et votre liste de charges.