Électrification de trains passagers : Modélisation et analyse

Paquette-Agyemang, Raphaël (2026). Électrification de trains passagers : Modélisation et analyse. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La décarbonation du transport ferroviaire de passagers est un enjeu de premier plan, particulièrement au Canada où de nombreux corridors non électrifiés dépendent encore de la traction diesel-électrique. L’intégration de batteries embarquées constitue une voie de transition rapide mais se heurte à des contraintes de dimensionnement massique et à des conditions climatiques rude. Ce mémoire vise à modéliser et évaluer la faisabilité technique d’une architecture de propulsion par batteries pour une rame tractée par une locomotive ALP-45DP dans le contexte opérationnel du Grand Montréal. D’abord, une analyse des chimies cellulaires a conduit à la sélection de la technologie Lithium Fer Phosphate (LFP) pour sa stabilité thermique et sa résilience aux températures froides.

Ensuite, une architecture de conversion de puissance modulaire a été conçue, exploitant des convertisseurs Dual Active Bridge (DAB) pour assurer la bidirectionnalité et l’isolation galvanique des bus de traction et auxiliaires.

Le comportement électromécanique et le contrôle des machines asynchrone de traction de 1,3 MW a été simulé via le Contrôle Direct de Couple (DTC). Le rendement moyen en traction a été calculé à 92%. Une modélisation de la dynamique ferroviaire intégrant les précédentes analyse de dimensionnement, d’efficacité et de rendement a permis d’évaluer plusieurs configurations de rames sur un profil de mission de 550 km quotidiens.

Les résultats indiquent que le freinage régénératif permet de récupérer entre 30,8% et 38,0% de l’énergie de traction, abaissant la consommation nette d’environ 25% par kilomètre. L’analyse opérationnelle révèle qu’un seul wagon de stockage (10 MWh) est insuffisant et imposerait des recharges intermédiaires qui dégraderait la durée de vie cyclique cellules, complexifierait l’intégration au réseau électrique et ajouterait des contraintes opérationnelles et d’infrastructure supplémentaires. Une configuration à deux wagons (20 MWh) permet l’autonomie journalière avec une marge de sécurité de 6,81 MWh, au prix d’une augmentation de la masse tractée par passager et d’une réduction de la capacité d’accueil. Ce travail étudie la viabilité de l’électrification par batteries et fournit un cadre décisionnel quantitatif pour optimiser le compromis entre capacité énergétique, efficacité et gestion massique.

Titre traduit

Electrification of passenger trains : Modeling and analysis

Résumé traduit

The decarbonization of passenger rail transport is a major challenge, particularly in Canada, where many non-electrified corridors still rely on diesel-electric traction. The integration of onboard batteries offers a rapid transition pathway but faces constraints related to mass sizing and harsh climatic conditions. This thesis aims to model and evaluate the technical feasibility of a battery-powered propulsion architecture for a train pulled by an ALP-45DP locomotive within the operational context of Greater Montreal. First, an analysis of cell chemistries led to the selection of Lithium Iron Phosphate (LFP) technology for its thermal stability and resilience to cold temperatures.

Next, a modular power conversion architecture was designed, utilizing Dual Active Bridge (DAB) converters to ensure the bidirectionality and galvanic isolation of the traction and auxiliary buses.

The electromechanical behavior and control of the 1.3 MW asynchronous traction machines were simulated using Direct Torque Control (DTC). The average traction efficiency was calculated at 92%. Railway dynamics modeling, integrating the previous sizing, effectiveness, and efficiency analyses, allowed for the evaluation of several train configurations over a daily mission profile of 550 km.

The results indicate that regenerative braking allows for the recovery of between 30.8% and 38.0% of traction energy, lowering the net consumption by approximately 25% per kilometer. Operational analysis reveals that a single storage car (10 MWh) is insufficient and would require intermediate recharging, which would degrade the cyclic lifespan of the cells, complicate integration into the electrical grid, and add further operational and infrastructural constraints. A two-car configuration (20 MWh) provides daily autonomy with a safety margin of 6.81 MWh, at the cost of an increase in towed mass per passenger and a reduction in passenger capacity. This work studies the viability of battery electrification and provides a quantitative decision-making framework to optimize the trade-off between energy capacity, efficiency, and mass management.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 215-230).
Mots-clés libres:	électrification ferroviaire, trains de passagers, modélisation et analyse, traction sur batteries, lithium fer phosphate, LFP, dual active bridge, DAB, contrôle direct de couple, DTC, dynamique ferroviaire, freinage régénératif, locomotive ALP-45DP, équation de Davis, architecture modulaire, stockage énergétique, systèmes hybrides
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Fortin-Blanchette, Handy
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	03 août 2026 18:55
Dernière modification:	03 août 2026 18:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4050

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