INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE
DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE
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]
1
Introduction
page
Etudes du marché des batteries li po
Etudes des super condensateurs sur un karting
Etude du moteur DC 72V.
Etude de la mesure interne de temperature du moteur
Choix des variateurs
Schéma de câblage avec 2 POWERpaks à un seul quadrant (1Q)
Programmation des variateurs
Etude de la charge et décharge d’un accu lipo fer Thunder sky
Courbe électrique et Consommation énergétique du karting
Conclusions
Remerciements :
-
Remerciement à Toute l’équipe de l’Astech cartec-inno.com pour la fabuleuse organisation des challenges
de karting et vélo
Remerciement à Thierry Lequeu e-kart.fr sans qui le challenge de karting n’existerait pas et à son
catalogue E-oxo pour fournir toutes les pièces que l’on a besoin.
Remerciement à notre prof Arnaud Sivert qui nous manage et nous donne les directives pour réaliser
prototype de karting avec des variateurs nouveaux, des batteries nouvelles, des chargeurs nouveaux…
2
1.
Introduction
Suite à la réalisation en 2010 d’un karting 2 moteurs (40CV=30 kW)
à courant continu (48V, 215A, 8.5 kW nominal) et que nous avons
réussi à aller aussi vite que les kartings thermiques (D’ailleurs, nous
avons le record du tour dur le circuit national de Bucy-le-long) ,
notre point négatif est le châssis.
En effet, nous avons un châssis lourd (180kg), et du à celui-ci nous
avons juste un frein à l’arrière ce qui nous occasionne des
problèmes lors des freinages. De plus notre autonomie est limiter à
10 minutes ce qui nous impose de nombreux et longs arrêt de
recharge à 40A ou à 80 A aux stands.
Pour y remédier, il faut gagner en légèreté avec un
châssis de compétition et avoir des freins présent à l’avant.
Ce châssis nous ferait gagner 40Kg. Aussi, une nouvelle
technologie de batterie serait primordiale afin d’augmenter
notre autonomie.
En effet, pour avoir un véhicule électrique de
compétition, il ne suffit pas d’avoir de la vitesse (puissance et
couple), il faut aussi une inertie faible pour freiner tard et
avoir une accélération importante. Par conséquent, une
masse faible de batterie permettrai d’avoir les avantages
précédents et d’avoir moins de frottement sol donc, plus
d’autonomie. L’objectif est de passer aussi en 72V à la place
de 48V pour diminuer le courant pour une même puissance
demandée au moteur
2.
Etude du marché des batteries
Nous avons fait une pré-étude sur des nouvelles batteries qui sont commercialisé depuis 2008, mais qui
coutait trop cher à notre gout en 2009. En 2010, les prix ont fortement baissés :
Marque
Type
et Nbr
Prix
pour Poids et nbr
Fiabilité/20
tension
élément
poids/élém 72V/60A.H
élément total
Année de
série et //
vente
COVEL 60A.H
LiFePO4 3C 22
?
3200 €
50 kg
2010
polyquest 5.8A.H Li po 25C
18serie,12// 15 €
15 €*18*12 0.2kg*18*12=
/3,6V/0.21 kg
4,2V à 3,6V 75 à 64 V
0.21 kg
3240 €
43,2 kg, 192el
18/20, 2009
e-solex 15A.H
Li po ?C
2serie,4//
55 €
4400 €
5kg*2*4=
550 €/36V/5kg
4,2V à 3,6V
0,5 kg
40 kg
17/20, 2009
Lifebatt 10A.H
Lithium 3C 20 serie,6// 1654 €*6
9924 €
12,6kg*6=
72V/12,6 kg
4.1V à 3,5V 80Và 68V
76 kg
16/20, 2008
ACCUWATT
10,4A.H Lithium 3C
5serie,6//
724 €*5*6
21000 €
42 kg
15V/1,4Kg/4Sen// 4.1V à 3,5V Donc 24en
//
OPTIMA 35A.H
Plomb 20C
6 series
180 €*6
1080 €
108 kg
12V/18 kg
14V à 11V
12/20, 2003
LiFePO4 3C 22 serie
135 €*20
2700 €
60 kg
18/20, 2009
Thunder Sky
90 A.H
3kg
1.Tableau : Pour faire un accumulateur 72V/ 60A.H, le bilan prix, poids, en 2011 est le suivant :
Nous avons choisis d’utiliser des batteries Thundersky qui sont utilisés dans les scooters de chez ADS
technologies.
3
Remarque :
Mettre des éléments en // peut occasionner la destruction, des autres éléments qui sont placés en //, donc on
diminue la fiabilité de l’accu (voir dossier vélo électrique de l’I.U.T Aisne 2010).
On ne peut pas dissocier chargeur, accumulateur, batterie management sécurité BMS et équilibreur. Les BMS
intégrés aux accumulateurs ne sont pas nécessaires car le courant est déjà limité par le contrôleur moteur. Par
contre, il ne faut pas avoir de renvoie d’énergie lorsque la batterie est pleinement chargée, mais la aussi le
contrôleur peut être piloté. Certains chargeurs arrêtent la charge des qu’un des éléments atteint sa tension de
seuil max donc à peu prés à 85 % de sa capacité maximale (chargeur Zivan 87,6V/35A 1014 € avec arrêt du
chargeur Batterie Module Protection BMP Module Lifebatt à 655 €). La charge dure 2 heures. S’il y a une grosse
dissymétrie de charge entre les batteries, il faut recharger avec un chargeur qui a un équilibreur intégré comme
l’Hypérion (voir dossier vélo électrique de l’I.U.T Aisne 2010, chargeur tous types de 1 à 12 éléments max (~48V)
8A 150 euros) mais l’équilibreur est de 0.3A seulement. La charge dure dans ce cas 10 heures en cas de
dissymétrie profonde.
En conclusion en 2010, pour minimiser le poids et le volume des batteries d’un véhicule électrique par 4, le prix
est multiplié par 4 par rapport aux batteries plomb, mais l’autonomie est multipliée par 2.
Les chargeurs et les BMP sont chers. Grace aux réalisations de chargeurs au plomb, le département GEII de
Soissons réalisera un chargeur li-po avec un équilibreur de 4A. De plus, cet équilibreur, nous permettra de
tester les accumulateurs.
3. Etudes des super condensateurs sur un karting
Tous les véhicules pendant les phases accélérations et de décélérations demandent de fortes puissances qui
durent peu de temps. Or, la conversion électro chimique des batteries demande un certain temps de réaction
pour fournir ou accepter un courant. C’est pour cela que le taux de charge et de décharge sont limités dans une
batterie.
Par contre, le stockage de l’énergie électrique dans les
super condensateurs se fait sous forme électrostatique,
au travers d’une accumulation de charges ioniques dans
l’interface électrode/électrolyte. Cela donne des
potentialités remarquables comparativement aux batteries
ou aux condensateurs classiques. Ces super condos ont
une puissance massique très grande mais une énergie
faible par rapport à des batteries comme on peut le voir
sur la figure 2. Mais, les supe condo ont un volume 100
fois plus important qu’une batterie li-po pour la même
capacité énergétique et sont très cher (le tableau 3). Par
contre, les super condos ont une durée de vie plus
importante que des batteries. En effet, les super condos
2.Fig : Diagramme de la puissance en fonction
supportent un nombre de charges et de décharges 1000
de la capacité énergétique en 2010
fois plus grand qu’une batterie. La tension d’un super condo
est faible de l’ordre de 2.7V. Donc, il faut beaucoup de super
condo en série pour alimenter un véhicule électrique (80V à
400V).
3.Tableau : Pour faire un accumulateur 72V/ 60A.H, le bilan prix, poids, en 2011 est le suivant :
Marque
Type et
Courant
Prix et
Poids et nbr
H*l*L
Cycle de
tension
Charge et
énergie
élément,
Fiabilité/20
charge
décharge
En W.H
volume
OPTIMA 55A.H
Plomb 20C 110 A
1080 €
108 kg 6S
40 dcm3
3650
12V/
14V à 11V 600 A
2520 WH
LiFePO4
100 A
2100 €
46 kg 20 S
220*145*61*20S 500
à
Thunder Sky
3
3.2V / 90 A.H
3C
300 A/15min
6480 WH
2.3 kg*20=46
38 dcm
2500
1600A/1min
94 F/75V
50 A
4472 €
25 Kg 30 S
515*263*220
1 000 000
Maxwell
http://www.maxwell.com
3
1600 A/1s
80 W.H
30 dcm
4
Pour alimenter un véhicule électrique, l’idée est donc
d’associer l’avantage des super condos qui
permettent de fournir de grosses puissances et
l’avantage des batteries qui ont une grande énergie
dans un volume , un poids et un prix acceptable.
Mais, il faut gérer la charge et la décharge des 2
sources d’énergies. Donc, des convertisseurs doivent
limiter le courant sortant et rentrant des batteries et
des super condos. Ces convertisseurs doivent aussi
surveiller et limiter la tension maximale de chaque
élément de batterie et des super condos.
Une solution est que la batterie et les super condos
fournissent l’énergie à un bus continu DC par
l’intermédiaire de deux hacheurs réversibles en
courant (Hacheur 1 et Hacheur 2). Ce bus continu
permet d’alimenter le variateur du moteur du
véhicule.
Hacheur 1
bus DC
Figure 2 : présentation de ‘’l’alimentation hybride’’
Ces deux convertisseurs ont pour rôle d’adapter les
niveaux de tensions des éléments. De plus pour les
super condensateurs, cela permet d’adapter à la
variation de la tension (V) inévitable liée à la
variation d’énergie W qui correspond à l’équation
suivante :
W ( Joule) 

1
2
2
CSC Vmax  Vmin
2

equ. 1
Le principe de la commande des 2 hacheurs est de
pouvoir maintenir constante la tension du bus DC qui
alimentera le variateur réversible du véhicule.
Si on veut extraire 90 % de l’énergie maximale
stockée dans les supers condos, il faut que :
Vmin
1
 Vmax
3
equ. 2
Pour dimensionner la valeur du super condo, il faut
connaitre la puissance maximale que doit fournir le
super condo. Dans le cas de la décharge à puissance
constante du super condo :
Pmax  Vmin ISC _ max = Fmax Vitesse max =
2


 

1
2  Pmax  
W  CSC  Vmax 
 ISC _ max  
2


 

Un véhicule électrique doit réagir tout le temps de la
même façon. Le conducteur ne doit pas avoir de
« trou » à l’accélération, ni à la décélération car il ne
pourra plus vaincre la force centripète en virage, ni
compter sur une accélération rapide.
Or, si l’énergie des super condos est nulle, il y aura
moins de puissance car elle ne viendra que de la
batterie. Et, si les super condos sont à leur énergie
maximale, le freinage électrique sera très faible en
fonction du taux de la batterie.
Une solution est de mettre la tension des super
condos à leur milieu d’énergie. Donc à la tension
Vmoy 
1
Vmax
2
equ. 4
Mais, on utilisera que la moitie des possibilités
énergétique du super condo.
Hacheur 2
Super
condensateurs
Batterie
Première problématique
equ. 3
La puissance max conditionnera l’accélération. Il y a
aussi d’autres considérations pour dimensionner les
super condos qui sont liés à plusieurs
problématiques.
Donc pour un véhicule électrique, il faut quand
même que la batterie puisse fournir une grande
puissance, il n’est pas possible que les super condos
fournissent une puissance 10 par rapport aux
batteries.
Seconde problématique
Quand recharge t on les supers condos ?
Seulement lors d’un appui sur le frein mécanique
avec un freinage électrique puis mécanique ? Car la
puissance max de freinage électrique ne pourra
correspondre qu’à la puissance du moteur. Donc le
temps de freinage électrique sera pour un karting
pour passer de 100 km/h à l’arrêt sera de :
t (s) 
m  (Vit max ) 2
2  Pmax

300kg  27 2 m / s
 11s
2  10000
Autre possibilité :dés que la puissance fournit par les
batteries est plus faible que celle qu’elle peut
donner ?
Troisième problématique
Lorsqu’on récupère de l’énergie au freinage avec le
karting, les moteurs chauffent en supplément et la
courroie saute sur le galet d’entrainement car celle-ci
n’est pas assez tendue. Nos essais ne permettent de
freiner électriquement que 20 % à 30 % des
capacités du moteur. Au challenge, on mesurera la
régénération car notre instrumentation le fait cette
année.
5
Quatrième problématique
Le hacheur 2 ne peut surélever la tension entre les
super condos et le bus continu que d’un coefficient
5. De plus, il ya quelques pertes dans les Hacheurs
90% de rendement. Donc, la tension Vmax sera égale à
la tension des batteries.
Choix et compromis
Si on veut réduire la consommation d’énergie et
augmenter la puissance d’un karting, un compromis
est une puissance maximale de 2 pendant aux moins
4 secondes. Ce qui permet de doubler l’accélération
mais le surcout au niveau prix est très important et la
programmation de la gestion du hacheur 1 et 2 n’est
pas facile.
Avec le super condo 80 W.H du tableau 3 pour une
tension batterie de 72V et pour un courant de 200A
de décharge avec une tension moyenne de 51V et
une tension mini de 24V, l’énergie utilisable sera de
26W.H et le temps de décharge s’effectuera :
t (s) 
3600  W( W.h ) 3600  26

 6.5s
VBus DC  Ibus DC
72  200
Autres solutions
Il y a d’autres solutions plus simple est moins
onéreuse que d’utiliser les super condos. C’est le
volant d’inertie bien connue des mécaniciens pour
emmagasiner de l’énergie. Il faut actionner un
embrayage en fonction de l’accélération et le
relâcher à la décélération mais ceux-ci peut être
gérer par le conducteur ou électriquement très
facilement. Il n’y a pas beaucoup de place sur un
karting non plus donc ce système n’est pas viable.
Chaque type ingénieur (électrique ou mécanique,
hydraulique) va développer une solution en fonction
de ces connaissances.
Conclusions sur les super condos
Si les batteries permettent de fournir et d’accepter
plus de puissance dans un temps donné alors les
super condos avec leurs limitations ne sont plus
utiles ce qui s’est passé ces derniers années avec
l’arrivée des batteries li-po malgré la grande fiabilité
des supers condos.
Donc, nous n’utiliserons pas de supercondensateurs
sur notre karting
Nous allons étudier maintenant le choix des moteurs
Ce qui est très honorable mais le volume et le prix
des super condos sont importants donc pas viable
pour l’instant sur un karting électrique. De plus, le
super condo pourra t il supporter le courant en fin de
décharge ? Qui sera égale à :
ISC max 
VBus DC  I bus DC
Vmin

72  200
=600A
24
6
4.
Etude et choix des moteurs DC
En 2010, nous avions choisis un moteur LMC 127 en 48V. Etant donné que la tension des batteries est plus
importantes (72V) ceux-ci permet de diminuer le courant demandé aux batteries par les moteurs pour une
puissance exigée par la charge mécanique. Sachant que le moteur ne peut pas tourner à une vitesse supérieure à
4000 tr/mn voir 6000 tr/mn s’il est renforcé. Nous avons choisis le moteur suivant.
Le moteur AGNI 119 68V 200A
Prix 1472 € renforcé
Poids 11,8 kg inertie =0.0336 kg.m2
Tension max : 68V
Constante : 58 Rpm/V k=0.164 V/rad.s-1=0.164 N.m/A
- Avec 18S en lipo fer
(3200 tr/min à 59V)
- Avec 22S en lipo fer
(4200 tr/min à 72V)
- Avec 24S en lipo fer
(4590 tr/min à 79V)
résistance 17.5 m
Courant : 200A @ 68V , Puissance : 13,6 kW
Peak current 400A pendant 10 minutes peak power=27 KW
Le couple (200A) = 33 N.m
Capteur de temperature CTN vishay
(or, orange, orange, orange )
33KΩ à 25 °C avec un beta de 4090
4.courbe fourni par le constructeur AGNI à 60V
Le moteur AGNI 095 56V 250A à une constante : 71 Rpm/V (3400 tr/min @ 48V). donc il a moins de couple car
sa constante de couple k=0,135 pour le même courant que le moteur 119. Le couple a (200A) = 27 N.m et a (250A) =
33 N.m. La puissance nominal du moteur dans la même carcasse est la même malgré que les pertes par
échauffement à 250 A sont plus importantes qu’à 200A. Donc, il est préférable de prendre un moteur AGNI 119
voir même 135 qui a une constante k= 0,19. Mais dans ce cas la vitesse ne pourra pas atteindra que 3000 tr/mn avec
60V de batterie ce qui pénalisera la vitesse de pointe sur un circuit classique de karting.
Le couple résistant au niveau des roues dépend des frottements de la piste, du type de pneu, de la vitesse…
Mais aussi du choix du réducteur (Voir le dossier de l’étude mathématique de la transmission d’un karting du
présenté au challenge 2009 et téléchargeable dans son intégralité).
En effet, Le choix du réducteur peut privilégier soit le temps d’accélération soit la vitesse maximale, soit la
consommation énergétique ou un compromis de tout cela.
La tension de la courroie fait perdre de la puissance voir (dossier karting 2 moteurs de 2010) à cause de la force de
la tension de la courroie pour ne pas qu’elle décroche entre le brun mou et tendu. Donc, on a remplacé la courroie
par une chaine qui n’a pas de tension. Par contre, la chaine fait du bruit.
Le nombre de dent de la transmission est choisi de 44. C’est la valeur maximale que l’on peut mettre sinon le galet
touche le sol. La valeur du pignon moteur est de 17 dents ou 21 ou 25 pour privilégier soit l’accélération ou la
vitesse maximale en fonction du circuit.
En effet, en fonction du courant max, Le choix de la transmission conditionne la vitesse max mais aussi le temps
pour atteindre la vitesse max et le temps pour atteindre 50m, le courant en régime établi de vitesse. On indiquera
l’inertie ramenée sur l’arbre moteur, ainsi que les valeurs précédentes dans le tableau suivant :
Umax Imax
réduction Inertie kg.m2 Vmax (km/h)
t(s) Vmax
t(s) 50m
I (A) R.E
60V 200A*2 44/25
1.3
90
7.3
5.4
60V 200A*2 44/21
0.94
76
5.2
5
60V 200A*2 44/17
0.621
60
3.4
4.6
La vitesse maximale dépend aussi du nombre d’élément de batterie :
réduction
S18=60 V
S22=72,9 V
S24 = 79.2V
44/21
76 (km/h)
95 km/h
104 km/h
44/25
90 (km/h)
113 km/h
123 km/h
7
Nous rappelons que le choix optimal du réducteur en fonction du couple max et du temps pour atteindre une
distance minimale correspond à l’équation suivante dossier karting 2009 :
1

3

(Couplemoteur  Couplech arg e ) 
Re ducteur  Dis tan ce 

2 2

N2  (
)  Rayonroue3  Masse


60
(equ 1)
On rappel que le rayon des roues des kartings est de 12,5 cm et les moteurs ont en général une vitesse nominale de 3000 tr/mn.
Etude de l’accouplement des 2 moteurs
Il y a 3 possibilités d’accoupler ces 2 moteurs sur le karting :
- Les deux sur le même arbre de transmission (asservissement de couple) addition des couples.
- Chaque moteur entraine indépendamment une des 2 roues arrières sans différentiel avec un
asservissement de vitesse (il y aura des oscillations du train arrière lorsque le véhicule tourne car la roue
de pivot devrait aller moins vite que l’autre)
- Chaque moteur entraine indépendamment une des 2 roues arrière avec un différentiel (un asservissement
de couple suffit).
Nous avons choisis la simplicité de la commande avec Les deux moteurs sur le même arbre de transmission
comme en 2010. De nombreux variateurs existent sur le marché, nous allons choisir un type.
5.
Etude de la mesure de temperature interne du moteur
Le rotor AGNI autoventilé du moteur AGNI est soudé à l’étain (180 °C max). Le vernis sur le rotor tient 120°C.
Donc, il ne faut pas que le moteur depasse cette derniere temperature. Or, les moteurs ABNI sont fourni par
l’entreprise ASMO avec une CTN qui est placé au plus prés du rotor sur les balais.
Ce capteur de temperature CTN vishay (or, orange, orange, orange ) a les caracteristiques suivantes 33KΩ à 25 °C
avec un beta de 4090, donc 2.2 KΩ à 100 °C.
Ce capteur est placé en // sur le potentiometre accelerateur 5K utilisant un variateur SEVCON. En cas
d’echauffement, cette diminution de la resistanceCTN limite la vitesse, donc la puissance du moteur, donc le
courant et l’echauffement. Cette limitation de vitesse permet une autoventillation du moteuret de ramener
tranquillement le vehicule au stand.
Donc, cette CTN permet de proteger le moteur et de mieux choisir le courant de limitation du moteur en fonction
du circuit par rapport à la determination du courant thermique equivalent.
De plus, la constante de temps thermique est de 10 minute pour les moteurs linch.
Etude de la CTN
(



)
T  273 25 273
R(T)= R 0  e
R0=33K et 4090
Pour avoir une tension variable en fonction de la
température, on utilise un pont diviseur avec une
résistance série R2 de 2.2 k pour avoir la meilleur
sensibilité à 100°C. on peut observer la courbe de
l’équation précédente en fonction de la température.
8
La tension en fonction de la température varie donc en
fonction de l’équation suivante :
U(T)=
12V  R 2
R 2  R (T )
On peut voir que la courbe est presque linéaire, donc Il
est possible de mettre un galvanomètre 12V pour
mesurer la température.
Mais la tension ci-dessus est traitée avec un
microcontrôleur donc permet d’avoir la vrai
température par l’intermediare d’une table de 100
valeur.
Donc à partir de cette CTN, il est possible avec un comparateur d’arrêter le karting ou de limiter la vitesse en
sélectionnant le levage 3 du variateur… par conséquent de protéger les moteurs contre l’echauffement.
6.
Choix des variateurs
Nous avons choisis le Powerpak de chez SEVCON qui utilise le même logiciel que le millipak mais le doongle est
différent.
Seuls les variateurs Powerpaks peuvent supporter la tension 72V de 20 éléments de batterie li po. D’ailleurs, le
vario peut supporter la tension de 95V. Donc, on espère mettre 24 éléments (86V max) dans le futur.
Le POWERpak est vendu sur plusieurs gamme, nous avons choisis 1 quadrant (hacheur abaisseur), ces
caractéristiques sont : 300 A en nominal, 600A pendant une minute, sous 97V, (marche avant seulement)
Pourtant la marche arrière est bien pratique (après une erreur de pilotage et pour garer le kart…).
Par conséquent, il y a deux solutions pour garder la marche arrière.
La solution de la marche arrière a été expliqué et réaliser dans le dossier 2010, avec des contacteurs et la
vérification de la vitesse nulle. Le schéma électrique du karting 2010 était le suivant :
48B
2
2
1
1
400A
S5
1
48V
2
5A
Valeur
13
2
2
3
1
3
1
B+
1
1
4
3 SW202
400A
2
KM1
M
4
KM2
Moteur Lynch
4
securite
frein meca
2
5
6
7 seat switch
14
A
8
Forward
48V
A1
9
1
KM1
A2
10
B1
4
11
2
3
Millipak
pump
12
B15
A1
KM2
A2
1
2
Reverse
1
B2
2
2
48B
5A
1
1
1
400A
B+
Valeur
2
B3
5A
1
1
13
M
2
3
2
2
1
2
24V
1
Moteur Lynch
4
5A
1
12V
2
5
6
7
B4
2
A1
K1
48V/200A
400A pendant 10 minute
2
9
Potentiomètre accélération
1
1
A
8
A2
KM4
14
10
2
24V
11
12 Millipak
pump
3
A1
KM4
A2
Reverse
B15
12
11
switch 6
14
Fast switch
1
12V
M
GEII CUFFIES
2
K1
Moteur ventillateur
5.Fig. commande des moteurs avec inversion de sens de rotation par contacteur double inverseur KM1 et KM2.
Nous allons voir Le schéma de câblage avec les Deux powerpacks
9
7.
Schéma de câblage avec 2 POWERpaks à un seul quadrant (1Q)
Nous avons un powerpaK pump
Entrée du vario
activation
Broche 1
Broche 2
« 0 » logique
Broche 3
« 0 » logique
Broche 4
« 0 » logique
Broche 5
« 0 » logique
Broche 6
« 0 » logique
Broche 8
Broche 10
[0V à 5 V]
Broche 12
Alimentation 80V commandé par l’arrêt d’urgence NC
Inter levage 3
Inter levage 4
Levage bloqué (lift inhibit)
Direction assistée (power steer trigger)
Inter siège (coupe la PWM par sécurité)
Cooling fan drive
Entrée analogique (pédale accélérateur)
Alimentation 12V (0.1 A)
Remarque : L’entrée lift inhibit est active seulement lorsque le moteur ne tourne pas. C'est-à-dire que la pédale
d’accélération doit être à 0% et que tous les inters de vitesse levage ne soient pas actionnés
Dans un premier temps, nous allons faire le schéma de câblage de l’ensemble des 2 varios sans la marche arrière.
Il faudra :
- L’arrêt d’urgence sur la broche 1 permet de couper l’alimentation de la commande des deux variateurs
- Il n’est pas possible de limiter la vitesse maximale avec un Switch car l’entre analogique est prioritaire par
rapport aux vitesses des inters de levage.
- Un commutateur sur le frein mécanique pour que le pilote n’appuie en même temps sur le frein
hydraulique et la pédale d’accélération. Ce qui a pour but d’éviter de perdre beaucoup d’énergie dans le
disque de frein. le contact de frein NC sera place sur l’entrée « Seat siège ». le vario ne se met pas en défaut
lorsque cette entrée est activée.
Nous utilisons comme pédale d’accélération
sevcontrol ref 656/12044 qui utilise des capteurs à
effet hall. Donc pas de problème de contact par
rapport à un potentiomètre et moins cher que le
potentiomètre CURTIS.
Cette pédale fournit une tension 0 à 5V en fonction
de son déplacement. Si elle est poussée 5V à 0V ou
si elle est tirée 0 à 5V.
Dans notre véhicule celle-ci est tirée car il est
difficile de mettre le sevcontrol devant, et lorsque la
pédale d’accélération est au repos la tension est à
3,5V. mais il est possible de programmée la variation
de la vitesse «full et zéro voltage » en fonction de la
pédale d’accélération
6.
Sevcontrol SEVCON pour la pédale
d’accélération
10
80V
2
1
300A
1
B1
2
2
10A
1
B+
B2
2
1
13
1
2
3
1
B3
GND
2
1
4
blanc
1
B4
5
6
7 seat switch
AU2
2
1
B5
2
2
14
A
8
1
9
S8
capteur de frein
B6
2
10
vert
1
11
B7
2
Millipak
pump
12
AU2
1
B15
80V (96V Max)
pédale d'acceleration
A
B8
2
rouge
LD1
1
broche 4
blanc
broche 10 vert
B9
2
K
1
80V
B10
2
1
300A
noir
2
B+
1
1
SD300
AU1
GND
blanc
2
B11
30V
14
A
8
1
B12
9
2
1
10
vert
1
20 elements thundersky
4
5
6
7
1
2
13
2
3
B13
11
5A
2
12 Millipak
pump
1
B14
B15
2
2
1
1
B15
1
2
AU2
1
1,8K ohms
B16
2
12V
2
1
1
2
B17
2
F4
1
B18
SD300
AU1
2
1
A
2
X1
B19
2
LD2
24V
1
B20
2
GND
A1
Feu a led
A
K
LD1
24V
SD300
A2
X2
K
S8
capteur de frein
Nous allons passer au paramétrage des 2 variateurs
11
8.
Paramétrage des varios
Le paramétrage est très simpliste sur ce type de variateur.
Avec 2 variateurs et 2 moteurs qui sont montées sur le même arbre de transmission, il faut que la tension aux
bornes des moteurs soit identique. Par conséquent, la pédale accélérateur levage soit programmé identique (full
et zéro soit identique pour les 2 variateurs).
De même, il faut que le courant de limitation soit identique, ainsi que la rampe d’accélération.
Accel2zero permet au moteur
de ne pas tourner pour une
certaine
position
de
l’accélérateur
On peut visualiser l’etat du vario, courant, vitesse, température …
12
Pas de potentiomètre sur Accel 1 donc il ya 5V et 0%
Notre accélérateur est sur la broche 10, donc sur
l’accel2. Il y a 3.32V sans avoir actionné la pédale
donc Accel2zero doit être inferieur à 3.32V.
Nous utilisons accélération comme entrée de la pédale accélérateur. Ce qui nous permet de mettre l’entrée Accel
2 en over température avec la CTN. Ce qui permet de limiter de 1/3 le courant maximal que l’on a paramétré.
13
Lorsque l’on met les 2 moteurs sur le même arbre de transmission avec deux variateurs, il ne faut pas avoir de
différence de tension moteur à R.I prés. Dans un premier temps, Nous allons voir pourquoi en considérant que les
2 moteurs sont identiques :
1) lorsque les 2 moteurs sont identiques
- Qu’est qui ce passe au démarrage ?
Au démarrage, le variateur limite le courant (donc, I1= I2 correspondant à Ilimi du variateur).
-
Qu’est qui ce passe en régime établi de vitesse ?
En régime établi de vitesse, le courant n’est plus
I1=
imposé par la limitation de courant.
Le courant total est imposé par la charge mécanique
IT=I1+I2=C(N.m)/K
U1=
Le courant de chaque moteur a pour équation :
U batt •  x - E x
Rx
Avec E1=E2 car les moteurs sont sur le même
arbre moteur.
Donc, si on veut que les 2 moteurs travaillent
pareil, il faut que les 2 rapports cyclique soit
identiques des 2 variateurs donc U1=U2.
Ix =
-
I2=
R1
R2
U2=
E1=k.=E2
7.Schéma équivalent elec des 2 moteurs montés sur
le même arbre de transmission
Lorsque la pédale d’accélération est à 100 % , donc  et  alors I1=I2= IT/2.
Pendant, les rampes d’accélérations, s’il y a des différences entre  et 2, dans le cas le plus
défavorable le courant I1 peut être égale à IT et le courant I2=0A. Dans ca cas, le moteur M2 est en
roue libre ou inversement.
Il est utopiques, de considérer que les 2 moteurs soit identiques, il y aura toujours de petites différences
de constantes de la force électromotrice ainsi que de résistance interne.
Donc, les 2 courants I1 et I2 ne seront pas identiques.
Il y a aussi la tension des courroies qui provoquent un couple différent sur chaque moteur mais ce couple
est négligeable par rapport au couple demandé par la traction.
C’est pour cela qu’il faut mieux utiliser 2 variateurs, un pour chaque moteur.
Pour essayer que les 2 courants soient identiques en régime établi, il y a plusieurs solutions
- Compenser la commande du vario 1 en fonction du courant du M2 pour que l’autre vario soit identique. Il
faut donc une électronique adaptée.
- Le vario millipak a une compensation « 1 » qui permet d’augmenter légèrement la vitesse.
Mais, il est aussi possible le limiter le rapport cyclique maximal, donc la vitesse max.
Il est possible aussi de jouer sur la plage de commande zéro et full voltage accélérateur.
Il faut faire des essais en mesurant les 2 courants de chaque moteur lors de l’accélération et en régime établi de
vitesse. Mais avant cela, nous allons expliquer le câblage électrique du karting avec 2 varios à 1 Q pour avoir la
marche arrière.
14
9.
Etude de la charge et décharge de batteries
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 avec de petit courant de décharge sinon la batterie ce met en
court circuit.
- La résistance interne des batteries
- La tension peut être utilisé pour déterminée 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 détruit, et on 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 décharge. 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 touts les éléments sont rechargés à 100%.
Nous avons choisis 18 éléments des batteries de 90A.H thundersky que nous avons séparé en 2 groupes de 9
éléments. Notre chargeur 30A charge à courant constat, l’accu puis dés qu’un élément atteint (3,6V seuil) la
charge est à tension constante. On peut voir sur la figure suivante que la régulation de courant est autour de 25A.
Des que la tension de seuil d’un
élément est atteint le courant
diminue pour que cette tension ne
Current 25A
soit jamais dépassée.
Voltage accu
Etant donné qu’il y a toujours des
dissymétries de charge et de capacité
énergétique alors la tension de
chaque élément diminue de façon
Voltage 9 cells
différente.
Il n’y a que 8A.H de charge à tension
Capacity energy en A.H
constante. Donc si on arrête de
charger des que l’on atteint 3.6V les
8.Charge de 9 éléments à 25A
batteries seront rechargées à 90 %
Voltage accu
Voltage 9 cells
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.
9.Tension des 9 éléments après la charge
15
Après avoir chargé à 100% l’accu et
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.
10.
Charge lorsque l’accu est déjà à 100%
Diminution de la tension de l’élément
Oscillation de courant
Si on charge avec équilibrer chaque
élément de l’accu à 100 %, 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 de la figure 9.
On peut voir que la tension des
éléments des autres éléments
augmente très légèrement en
fonction de la capacité énergétique.
11.
Équilibrage lorsque l’accu est déjà à 100%
Par conséquent il faut charger chaque élément de façon séparée et il faut arrêter la charge de l’élément qui a
atteint sa tension de seuil. Nous utilisons une alimentation à découpage flyback isolé de PC 220VAC=> 5VDC/10A
dont le prix est de 10 Euros TTC qui a une limitation de courant. On a modifié le retour de la régulation de tension
pour régler la sortie à 3.6V. Pour recharger chaque élément de batterie séparément, nous avons utilisé 9
alimentations pour équilibrer un pack.
Mais quel 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.
16
A partir des courbes précédentes,
l’élément thundersky à 3.6V serait
chargé seulement à 60 %.
Ce serait dommage.
Mais si on modifie la tension de seuil
du chargeur à 3.95V, cette tension est
atteinte en 1 A.H.
Cell 4
Donc on ne gagne rien en capacité
energetique
On peut observer sur la figure précédente que la cellule 4, a une tension très inferieures à toutes les autres car il y
a une différence de 28 A.H. En effet après un équilibrage, il y avait cette différence d’énergies
Pour vérifier la capacité énergétique, on va décharger les batteries jusqu’a 2.5V pour savoir quels est la capacité
énergétique des batteries après les avoir chargés à 3.6V
La décharge est de 920 W.H avec une
Decharge à 20A
ARRET de decharge
tension de 12,5V en moyenne. Donc la
capacité énergétique est de 75A.H.
Donc proche de 90 A.H, sachant que l’on ne
s’est pas arrêter à 2.5V par élément comme
dans les courbes de thundersky.
La chute de tension entre la décharge de
20A et 75 A est de 13.1-12.7=0.4V
Decharge à 75A
Donc la résistance interne est de 2
mΩ/élément. Ce qui n’est négligeable
On peut remarquer que des que l’on arrête la décharge la tension remonte à 3.1V par cellule.
Nous avons rechargé les batteries et on a pu constater que la capacité énergétique de charge et de décharge sont
très proches.
17
10. Courbe électrique et Consommation énergétique du karting
Pour vérifier les pertes de la transmission et la bonne commande des deux moteurs, nous faisons un essai à vide
en mesurant la tension moteur et leur courant. En attendant, la réalisation de notre instrumentation pour
mesurer les 2 courants moteurs, nous utilisons 2 pinces ampère métrique qui enregistre ces données avec une
période d’échantillonnage minimale de 1 s. Apres plusieurs essais en modifiant les tensions de courroies et de
commande dans le variateur voila nos résultats pour un galet moteur de 40 dents et de transmission de 80 dents.
50V
10A
12.
Fig. Essai à Vide, en haut tension et courant du moteur droit
en bas tension et courant moteur gauche
Au premier démarrage, on peut voir sur la figure précédente que le moteur droit à fourni plus de courant. Puis en
régime établi, les deux moteurs fournissaient pratiquement le même courant. Au deuxième démarrage, c’est le
moteur gauche qui a fournit plus de courant. La tension aux bornes du moteur atteint 48V très rapidement, puis
lors de la décélération la tension diminue progressivement en fonction de la vitesse. Lors des décélérations les
deux tensions sont pratiquement identiques donc le coefficient de la force électromotrice (speed constant) est
bien identique pour les deux moteurs.
On peut voir sur la figure suivante le moteur en charge avec plusieurs accélérations. Les deux mesures du moteur
droit et gauche ont été mises l’un sur l’autre pour mieux observer les différences de commande entre les deux
moteurs.
18
13.
Fig. Essai en charge, tension et courant des moteurs droit et gauche
A partir de la figure précédente, les tensions entre les deux moteurs et les courants sont quasi identique, donc les
deux moteurs sont bien commandés.
A partir, de la troisième accélération, on peut mesurer qu’il faut 4 secondes pour atteindre 48V donc le régime
établi de vitesse. La vitesse peut être est déterminée par l’équation suivante en attendant le capteur de vitesse :
Vitesse (km / h) = [( U - R • I)]• k v • Rayon roue •
2 •  Dent moteur
• 3.6
60 Dents transmission
(equ 2) rayon roue=0,125 m
Vitesse max théorique serait de 76 km/h
La pince ampérométrique a un temps d’échantillonnage de 1s, il n’y a pas de rampe d’accélération (0,1s), donc il
est difficile d’observer le courant maximum fournit par le variateur.
11. Nomenclature et cout du karting
Le budget est important car l’argent c’est le nerf de la compétition. Mais se restreindre à une certaine valeur
permet de ne pas réaliser un prototype qui ne pourrait pas être exploité commercialement dans le futur, ni d’être
réparé faute de budget en cas de problème.
Le cout de notre karting est de :
Désignation
2 moteurs AGNI 119 renforce 72V
1 variateur powerpak pump 95V, 600A
1 doongle bus can
18 elements de batteries lipofe thundersky 90A.H
4 elements de batteries lipofe thundersky 90 A.H
2 chargeurs unitaires de 10 éléments 30A
4 alimentations 220V AC 24V DC 40A
Pédale d’accélération
Châssis avec frein hydraulique avant et arrière
Petit matériel
2 chargeurs maison 30A avec équilibreurs
un contacteur simple avec AU
prix
3000 neuf
550 €, l’autre a été offert par SEVCON
450 €
2100 euros occasion
450 euros en attente
300 euros
220 euros
65 Euros offert par SEVCON
1000 Euros
500 euros
400 euros
180 euros offert
19
Un phare arrière de matrice de led pour le freinage
50 Euros microcontrôleur ATMEGA
Une instrumentation 600 A et mesure vitesse et 150 €
tension
Cout total
8835
€
Le budget est important mais ce karting pourra être utilisé plusieurs années car nous pensons avoir choisi la
meilleure technologie en 2011. Il faut savoir que Sodikart vend des karting 4 fois moins puissant que le notre pour
un prix de 9000 Euros.
12. Conclusions
Notre karting à 2 moteurs fonctionne mais à ce jour on a pas eut le temps de faire beaucoup d’essais. Nous ne
l’avons pas beaucoup testé de même pour les chargeurs. Nous attendons encore les 4 éléments batteries pour
avoir un peu plus de vitesse.
Nous avons aussi des soucis de freinage hydraulique et une garde au sol de notre chassis un peu basse.
Il n’est pas facile de faire des choix entre les différents moteurs, un vario ou 2 varios, le nombre d’éléments de
batterie, le choix des valeurs pignon et transmission, le choix des technologies, manager un budget…tout est
affaire de compromis
Il faut avoir une grande expérience pour faire les bons choix. Pour l’instant malgré la pratique de notre enseignant
Arnaud Sivert , chaque choix est vérifier, essayer pour trouver les bons choix. Le challenge permet aux enseignants
d’engranger cette expérience. Mais, il faudrait que toutes les équipes partages leurs travaux ce qui permettrait
d’avancer et de faire valoir la renommée du karting électrique.
De nombreux essais sont encore à réaliser mais notre objectif primaire, de faire un karting 2 moteurs avec des
batteries lipo pour le challenge à Vierzon est atteint. De plus, on va participer à la course Clovis réaliser par la FFSA
le 15 aout 2011 et rivaliser avec les kartings thermiques.
Mais, Il faut un certain temps pour piloter le karting à cause de son accélération importante.
13. Bibliographies
Nous ne pouvons citer tous les noms des étudiants qui ont travaillé sur le sujet, donc on a nome seulement 2 ou 3 noms.
[0] Historique et bilan de nos différentes études sur des véhicules électriques (8 p) (2011)
[1] Etude transmission, moteur E-teck & Didacticiel V1 Millipak SEVCON (36p) Mahut (2009)
[2] Instrumentation, émission hertzien des mesures et gestion des batteries du karting (43p). Parain, Reveret (2009)
[21] Article paru dans Le GESI N°72 Décembre 2008 (40p) (Revue des départements du génie électrique)
[22] Emissions des données de l’instrumentation par module Xbee (40p). HURIAUX FOUILLEUL (2009)
[3] Chronomètre à barrière infrarouge
Dopsent , Lemaire (20p) (2009)
[4]Variateur GEN4 V1
Babron, Doussault (32p) (2010)
[5] Châssis Karting à 2 moteurs,
Claudon, norman, sylvain (30p) (2010)
[51] Karting à 2 moteurs& 2 variateurs
Sivert, Claudon, Doussault (30p) (2010)
[52] Karting à 2 motors&vario 80V lipofer
Sivert, Claudon, vicenzi, luzurier (20p) (2011)
[6] Sécurité du karting, Détecteur de personne
Elineau (20p) (2010)
[7] Testeur de batterie à lampes (12V, 30A)
Charlot, Mikusiak (40p) (2010)
[71] Testeur de batterie à ventilateur de voiture (12V, 35A)
Fiston (40p) (2010)
20
[72] chargeur avec equilibreur pour batterie lipo 20A, 24 elements
Butt, duhenoy (juin 2011)
[8] 4xChargeur unitaire 14V/20A (42p)
malinowski, mikusiak (2010)
[9] Réalisation d’un scooter électrique V1
Lenglain, Cissoko (74p) (2010)
[10] Vélo électrique et étude de batterie li-ion, li-po
Carré, Jakubowski (29p) (2010)
[11] hacheur pour trottinette électrique
frolich et drault (2010)
[12] Création de site web www.e-kart.fr et www.AEGEII.fr
Lajeunesse, Gaviot (29p) (2010)
[121] amelioration de site web www.e-kart.fr et www.AEGEII.fr
Paulin, perthuisont (20 p) (2011)
[13] Article magazine Elektor « Nos élèves ingénieurs et pilotes » A.Sivert et T.Lequeu (2 p) (juin 2010)
21
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Etude de la charge et décharge d`un accu lipo fer Thunder sky