3. Equilibreur - Des engins électriques à l`IUT GEII de Cuffies

INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE
DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE
13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES SOISSONS
: 03 23 76 40 10
: 03 23 76 40 15 [email protected]
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SOMMAIRE :
1.
Introduction
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2. Etude de la charge et décharge des batteries li po fer 90 A.H
Page 3
3. Equilibreur
Page 3 à 13
4. Essais sur LiPo-Fer 90A
Page 14
5. Autres Réalisations
Page 15
6.
Conclusion
Page 16
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1.
Introduction
Dans un système, nous avons besoin de différentes tension donc les éléments de
l’accumulateur seront déchargés différemment.
Mais lors de la charge de l’accumulateur en série, dés qu’un élément atteint sa tension
de seuil, le courant diminue pour que cette tension ne soit jamais dépassée. Ce courant
série atteint 0A, alors que d’autre éléments aura une décharge plus profonde n’ont pas
atteint la tension de seuil.
Un déséquilibre du taux de charge sera provoqué ce qui est préjudiciable, car
l’autonomie dépendra de l’élément le moins chargé. De plus, Chaque élément réagit
légèrement différemment (du à leurs résistance interne) ce qui provoque en charge des
tensions différentes par éléments.
Nous avons des accumulateurs de 10 A.H 12 éléments, 20 A.H 18 éléments et 90 A.H 22
élément en technologie li-po et li-po fer. Nous avons des chargeurs paramétrable
jusqu’à 30 A de charge en série.
Pour rééquilibrer chaque élément, il faut un chargeur par élément ce qui couterait
relativement cher, car les éléments étant reliés entre eux, il faut des masses différentes
et une régulation autonome. Mais il est possible d’utiliser des chargeurs de 1/10 de la
capacité énergétique car l’on n’est pas pressé par le temps lors d’un rééquilibrage. En
effet, il n’y a que 1 à 5 A.H de différence en générale.
Nous allons voir dans un premier temps comment réagit les batteries li-po fer,
avec un équilibrage de 0.5A. Puis nous allons voir les 2 solutions pour rééquilibrer les
batteries. Enfin, nous verrons la réalisation et la modification et test de notre
équilibreur.
2.
Etude de la charge et décharge des batteries lipo fer 90 A.H
Depuis 2009, nous utilisons des batteries li-po et li-ion sur nos vélos électrique avec
chargeur utilisant les BMS. Nous avons appris plusieurs choses :
- Il ne faut pas décharger à 100% les batteries sinon la batterie se met en court circuit.
- La tension peut être utilisée pour déterminer la capacité énergétique de la batterie. Il y a très peu de perte dans la batterie donc l’énergie de la charge est identique à l’énergie de la décharge.
- Certains éléments ne sont pas entièrement détruits, et ont la moitié de la capacité
énergétique prévue. Dans ce cas la résistance interne de l’élément a fortement
augmenté est atteint très vite la tension de seuil de l’élément.
- La résistance interne en décharge est bien plus grande que celle de la charge. La
chute de tension de l’élément due à la résistance interne n’est pas négligeable.
- Sur les li-ion (qui ont une tension de seuil de 4.1V), on peut les charger à 4,2V
sans dommage à 1C. Mais l’énergie entre 4.1V et 4.2V est une perte. Par contre
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touts les éléments sont rechargés à 100%. De même pour les li-po fer qui ont une
tension de seuil de 3.6V, on peut les charger jusqu’à 4.1V sans dommage pour la
batterie.
Sur le kart nous disposons de 22 éléments de batteries de 90A.H Thundersky qui
sont séparés en 3 groupes, 2 de 9 éléments et 1 de 4 éléments. Nous disposons d’un
chargeur paramétrable 30A maximum pour charger nos accumulateurs. Nous lui
paramétrons un courant de charge de 25A par exemple puis dés qu’un élément atteint
sa tension de seuil, le courant de charge diminue afin d’éviter que cet élément dépasse
ce seuil qui peut engendrer sa destruction.
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Divers test de charge avec notre chargeur :
1.
Charge de 9 éléments à 25A
Courant 25A
Tension
accumulateur
Tension 9 éléments
Capacité énergétique en A.H
2.
Tension des 9 éléments après la charge
Tension
accumulateur
Tension 9 éléments
3.
Des que la tension de seuil
d’un élément est atteint le
courant diminue pour que
cette tension ne soit jamais
dépassée.
Etant donné qu’il y a toujours
des dissymétries de charge et
de capacité énergétique alors
la tension de chaque élément
diminue de façon différente.
Lors de l’arrêt de la charge,
la tension de chaque élément
ne reste pas constante à leurs
valeurs. Elle diminue pour
atteindre 3,35V.
Par conséquent, on ne peut pas
se fier à la tension pour savoir
si l’élément est bien chargé.
Charge lorsque l’accu est déjà à 100%
Après avoir chargé à 100%
l’accu puis une attente d’une
heure, on recharge la batterie à
25A.
Dans ce cas, la tension des
éléments atteint très rapidement
la tension de seuil est le courant
de charge décroit rapidement.
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4.
Équilibrage lorsqu’un élément est déjà à 100%
Diminution de la tension de l’élément
Oscillation de courant
5.
Si on charge avec l’équilibreur
du chargeur la régulation de
courant oscille, car la tension
de l’élément qui a atteint 3.6V
a tendance à diminuer à 3,4V.
Donc, le courant oscille de 1 à
4A en fonction de la
diminution de la tension.
Remarque : il y a un
equilibrage du chargeur pour
les lipo à 0.5A.
Cela marche relativement car
la tension des elements ne
diminu pas.
Recharge de 9 éléments à 25A
Après avoir déchargés un peu les
batteries en faisant tourner le kart,
nous les rechargeons. Nous voyons
qu’il y a des différences de tension
pour
chaque
élément
plus
particulièrement l’élément 4 qui est
plus faible par rapport aux autres.
Courant
25A
Élément 4
Chaque élément a un temps de charge différent, dût aux résistances internes qui
sont légèrement différentes. Par conséquent, il faut rééquilibrer de temps en temps
chaque élément de façon séparée ce qui permet de remettre tous les éléments à la
même tension et donc d’augmenter l’autonomie.
Mais quelle est la tension de seuil des batteries Thundersky ?
Car normalement les lipo fer ont une tension de Seuil de 3,6V et les différentes
documentations Thundersky indiquent toutes 4,2V.
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Donc si on prend une tension de seuil de 3.6V notre l’élément Thundersky de 90A.H ne serait chargé
que à 60%. C’est pour cela que l’on peut augmenter la tension de seuil afin de le charger entièrement sans
dépasser sa tension limite de 4.25V donné dans la documentation constructeur.
Divers test de décharge avec notre chargeur :
Pour vérifier la capacité énergétique, on va décharger les batteries jusqu’à 2.5V (tension
minimale de décharge) pour savoir quelle est la capacité énergétique des batteries après les avoir
chargés à 3.6V :
Décharge à 20A
ARRET de décharge
0.4V
Décharge à 75A
Grâce à cette courbe, où nous
déchargeons 4 éléments s, nous
pouvons déterminer la résistance
interne des éléments de batteries. La
chute de tension entre la décharge de
20A et 75 A est de 13.1-12.7=0.4V.
Donc la résistance interne est de
0.4/55=7.5mΩ pour 4 éléments, soit 2
mΩ/élément.
Calcul de la capacité énergétique :
20𝐴 × 0.5(30𝑚𝑖𝑛) + 75𝐴 ∗ 1(1ℎ𝑒𝑢𝑟𝑒) = 85𝐴. 𝐻
Donc une puissance moyenne de décharge de :
85𝐴. 𝐻 × 13𝑉(4𝑆) = 1100𝑊. 𝐻
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Notre capacité énergétique est de environ 85A.H proche de nos 90 A.H, sachant que
nous avons déchargés nos éléments jusqu’à 2.8V tandis que d’après la documentation
constructrice de Thundersky, la tension limite de décharge est de 2.5V.
Lors d’une décharge de 3C (3 fois le courant nominal), la chute de tension pour 18S
sera 3 × 90𝐴 × 18𝑆 × 2. 10−3 Ω = 9.7 V ce qui est non négligeable.
On peut remarquer que dés que l’on arrête la décharge, la tension remonte à 3.1V par
cellule.
Après avoir étudié nos batteries et notre point faible de notre chargeur. Nous allons
réaliser un système pour résoudre ce problème de chargeur d’accumulateurs, nous allons
donc effectuer un chargeur équilibreur élément/élément. Pour cela plusieurs solutions sont
possibles :
1ére solution :
Charge d’une batterie constituée de plusieurs éléments simultanément donc générateur fournissant une tension égale à la somme des tensions des éléments à charger,
lorsqu’un élément arrive à la tension de seuil, on arrête de le charger tout en continuant
de charger les autre éléments n’ayant pas encore atteint leur tension de seuil. Pour cela
on utilise un dispositif qui permet de commuter le circuit de l’élément complètement,
un microcontrôleur mesure en permanence la tension aux bornes de chaque éléments
ainsi lors d’une détection de tension de seuil, ce circuit est commuté par un interrupteur géré par le µC dans une résistance, ce qui permet ainsi de continuer la charge des
autres éléments.
2éme solution :
Utilisation d’alimentation de PC flyback isolé
o 5V - 20% -> 4V.
o 3.3V +20% -> 4V.
Ces alimentations de 5A à 10A ne coutent queue 10euros donc multiplié par 1 élément,
cela revient aux prix honnête. Notre objectif est queue cet équilibreur puisse être utilisé
sur la technologie Lipo-fer (tension de seuil : 3.7V) et Lipo (4.2V).
3. Equilibreur
Après avoir vu ce que pouvais provoquer une inégalité entre chaque élément de
batterie, et les différentes solutions pour y remédier. Nous allons passer à la réalisation
de cet équilibreur.
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1ére solution :
2éme solution :
Maintenant, nous allons utiliser 4 alimentations à découpage flyback isolée de PC
220VAC => 5VDC/10A qui a une limitation de courant. On a réglé la tenson de sortie à
3.9V.
Il faut vérifier que l’alimentation est bien régulée en courant et qu’elle peut fonctionner continuellement avec le courant maximum. Il faut changer le potentiomètre de
réglage de la variation de tension pour obtenir ainsi notre tension de seuil.
Vue démontée d’une alimentation Flyback isolée de PC
Potentiomètre permettant de faire varier la plage de tension
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Alimentation régulée 10A
Alimentation régulée 5A
1kΩ 4.5V à 5.5V
1kΩ 3.86V à 6V
4.7kΩ 3.86V à 6.3V
2kΩ 3.67V à 6.5V
Par raison de protection, nous utiliserons la solution qui utilise des alimentations
de PC pas cher.
3.1 Devis
Alimentation PC 220V/
(5V+5%/10A)
électronique
diffusion
25 €
Alimentation PC 220V/
(5V+20%/5A)
e-bay
10 €
connecteur 5 à 12 fils
12 Ampères
Fournisseur Farnell
Plus 10 € environ de fil électrique pour réaliser la liaison entre tous ces dispositifs. Ce
qui nous fait un total d’environ 100 € pour 8 alimentations de PC.
Nous pouvons maintenant simuler cette solution sous Isis pour vérifier son fonctionnement.
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3.2 Test sous Isis
Le courant équilibrage pour un seul élément correspond à l'équation suivante:
𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡3 =
𝑈𝑎𝑙𝑖𝑚3 − 𝑈𝑏𝑎𝑡𝑡3
𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑡 + 𝑅𝑓𝑖𝑙 + 𝑅𝑓𝑢𝑠𝑒
La tension de chaque alimentation correspond à la tension de seuil des batteries,
ce qui permet de ne jamais dépasser la tension de seuil fatidique des éléments mais
le courant de charge est faible surtout si la résistance interne de la batterie est élevée.
Nous allons faire différents test sous Isis pour illustrer ce principe :
1er cas : batteries tous déchargées (3.3V)
Nous pouvons voir que les batteries sont rechargées avec des courants de charge
important. Dans ce cas le temps de charge serait rapide.
Il n'est pas possible avec une pince ampéremétrique de mesurer le courant de
chaque élément à cause des barres de liaison. Par contre, il est facile de mesurer le
courant dans les fils (IF). Mais le courant ne correspond au courant dans les batteries. Pour connaitre le courant dans les batteries, il faut faire les calculs suivants :
IBatt3 = IF3
IBatt2 = IF2 + IBatt3 = IF2 + IF3
IBatt1 = IBatt2 + IF1 = IF2 + IF3 + IF1
IBatt0 = IBatt1 + IF0 = IF2 + IF3 + IF1 + IF0
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2éme cas: un élément totalement chargé (3.8 V), un déchargé (3.3 V), et 2
autres faiblement déchargés (3.55 V)
Dans ce cas, nous voyons que le courant de charge de la batterie chargée à fortement diminuer pour atteindre 0.25 A, sans pour autant que sa tension de seuil de 3.8 V
dépasse. Malgré cette réduction du courant dut à la batterie B0 chargé, les batteries B1
et B3 se chargent avec un courant de 2.8 A > 0.25 A. et surtout la batterie B2 qui est fortement déchargée reste avec un courant de charge important (aux alentours 5A).
Un chargeur traditionnelle vendu dans le commerce qui est composé d’une seule
alimentation globale contrairement a nous qui dispose d’une alimentation par éléments
aurait imposé dans ce cas un courant de charge pour tous les éléments de 0.25 A dut a
la batterie B0, les autres batteries mettraient mis donc un temps de charge important à
cause du faible courant de charge. Ce courant est limité pour éviter de dépasser la tension de seuil de la batterie B0.
3éme cas: un élément totalement chargé, les 3 autres faiblement déchargés
(3,5V)
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Nous pouvons voir que B2 reste chargée avec un courant faible pour éviter qu’elle
dépasse sa tension de seuil mais qu’il n’influence pas les autres batteries qui sont faiblement déchargée. Vue que leurs courants de charge est au alentour de 2 A.
Pour conclure, il est possible de mettre Ualim à 5V pour avoir plus de courant, ce
qui provoquera un équilibrage plus rapide mais il faudra arrêter la charge des que l'on
atteint la tension de seuil de l'élément. Nous prendrons donc Ualim à 3.8V pour éviter de
dépasser la tension de seuil des éléments de batterie mais en faisant ce choix, nous rallongeons le temps de charge. En faisant ce choix, nous avons aucun risque de détériorer
les batteries.
Cependant il faut faire attention, la tension des batteries Li-Po-Fer redescendra à
3.3V en quelques minutes après avoir été déconnecté de la charge donc il faudra interdire la charge après un équilibrage. Étant donné que c'est dangereux pour les éléments
qui seront détruit, on préfère mettre la tension Ualim à 3.8V.
Maintenant que nous avons finis nos tests sous Isis, nous pouvons passer à la réalisation de l’équilibreur.
3.3 Réalisation
Après divers câblages et les soudures du nouveau potentiomètre, nous obtenons
cet ensemble:
Chargeurs 10A
Chargeurs 5A
Connecteurs
Batterie Lipo-Fer 90 A.H
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4. Essais sur LiPo-Fer 90A-h
Maintenant que nous avons réalisé notre équilibreur, nous allons pouvoir le tester en
pratique. Dans ce cas de rééquilibrage, nous avons nos éléments déchargés à des seuils différents. Nous pouvons aussi vérifier quand augmentant la tension d’alimentation, le courant
augmente aussi.
Elément 1
Elément 2
Elément 3
Charge 0.5 A
3A
3A
Arrêt
Elément 4
1A
Charge 1 A
On peut voir que lorsqu’on augmente la tension d’alimentation sur l’élément 3
en rouge, alors le courant augmente mais, il y a une augmentation des tensions
sur les autres éléments qui est du aux résistances des fils 1.5 mm² et au fusible
qui ne sont pas négligeable 44 mΩ. Mais, on peut voir aussi que l’élément 1 va
quand même s’équilibrer correctement malgré un faible courant de charge cela
prendra certes plus de temps.
Apres 2 jours, on recharge avec notre équilibreur :
Charge
Arrêt
On peut observer que la tension des éléments augmente très rapidement à 3.7V. Donc
que nos éléments sont bien équilibrés
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5. Autres réalisations
Sur les VTT électriques :
Changement des rayons sur le VTT 1500W
Changement du pédalier sur le VTT 500W
Installation du kit de motorisation électrique 800W sur un vélo
Changement d’éléments de batterie défectueux sur des batteries de 5A.H
Création d’un pack d’éléments de batteries de 8A.H, 18 elements
Divers test sur les éléments de batterie
Divers test sur la consommation énergétique
Sur le Kart électrique :
Changement des fils d’équilibrage
Installation de 2 turbines permettant de refroidir les moteurs
Installation d’un capteur permettant de relever l’évolution de la vitesse
Divers test sur les éléments de batterie
Réalisation de connecteurs JST
Câblage d’un double chargeur 30A
Sur le Vélo couché électrique :
Installation du kit de motorisation électrique 2880W
Création d’un pack d’éléments de batteries de 20A.H, 18 elements
Divers test sur la consommation énergétique
Participation :
Au G10, course cyclotouriste de 75 km aux alentours de Soissons le 01/10/11
Au salon du cyclisme à Paris le 17/10/2011
A l’achat et essai du vélo couché à Roule-Couché dans Meaux le 24/10/2011
Divers test de fonctionnement du kart au circuit de bucy-le-long
A l’achat et essai du tricycle en Belgique le 06/03/2012
Course cyclotouriste de 50 km aux alentours de Meaux le 18/03/2012
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6. Conclusion
Nous avons du réaliser un câblage d’un équilibreur de batterie Li-Po 90A.H avec
des alimentations de PC 5V/10A et 5 A à 10 Euros et le tester. Le temps de
rééquilibrage est un peu long. Mais il est possible de le faire tourner toute la nuit, pour
pourvoir recharger et à la fois rééquilibrer ces batteries sans avoir besoin de surveiller
les différents seuils de tension de batteries.
Nous avons dût tirer des fils de chaque éléments et ajouter un fusible pour des
raisons de sécurité. Il a fallut trouver un connecteur qui puisse supporter 10 A. Puis
réaliser le circuit imprimé par connectique JST avec des fils qui permet de lire les
tensions de seuil des batteries et le câblage de puissance de l’équilibreur.
Ce projet, nous a permis d'avoir une approche plus pratique et concrète de
l'électrotechnique et électronique.
- De comprendre les dernieres technologies de batteries et de moteurs de velo
- De comprendre les mouvements acceleres et de pouvoir ce que represente 300 W
musculairement.
- Parametrage de variateur
Nous tenons à remercier Mr Sivert pour l'aide qu'il nous a apporté.
Perspective et ce qu’il reste à faire
Challenge de Vierzon du 24 au 27 Mai 2012
PARIS-ROUBAIX en Cyclotourisme 120 km, le 10 juin 2012
Realisation de mon propre velo electrique
De modifier les transistors et diode de puissance sur un variateur pour qu’il puisse
supporter 96V.
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