Dossier velectris V2

LE VELO ELECTRIQUE
Afficheur LCD qui renseigne sur
la consommation électrique
Manette de
régulation de
vitesse
Batteries
48V 5A.H
Haddaoui Fatima
Carré Thomas
Jakubowski Fabien
Variateur avec
régénération
Moteur brushless
500W
Professeur : Sivert Arnaud
2009/2010
1
SOMMAIRE
1) Définition d'un vélo à assistance électrique (VAE)
2) Les avantages d'un VAE
3) Choix des éléments d’un vélo électrique
4) Prix d’un vélo électrique
5) Caractéristiques générales du vélo électrique
6) Présentation des caractéristiques des moteurs brushless Roue
7) Présentation du contrôleur ou variateur de notre vélo électrique
8) Présentation des batteries li-po
9) Fonctionnement de la mesure de la consommation du vélo
10) Transmission mécanique
11) Bilan de puissance et consommation
- Consommation pour trajet classique
- Consommation pour faire la 5éme traversée des Alpes
12) Conclusion générale sur le vélo électrique
13) Principe de la commande à moteur brushless et de la régénération
Schéma électrique du variateur avec pic 16F6520
Schéma électrique du freinage électrique
13) Simulation du programme et du hacheur de la régénération
14) Algorithme et programme de la régénération
Bibliographie
cyclurba.fr
Velectris.fr
2
1. Définition d'un vélo à assistance électrique (V.A.E) :
Un Vélo à Assistance Electrique est un vélo normal sur lequel ont été ajoutés un moteur électrique et
une batterie pour fournir une assistance au cycliste, notre vélo peut fonctionner sans assistance. Il
existe différentes technologies utilisées pour le fonctionnement des moteurs de VAE, mais le principe
général reste le même. Notre vélo régule la vitesse en fonction d’une manette et d’un capteur de
vitesse. L'aide apportée par le moteur sera particulièrement appréciée lors des démarrages, des côtes,
contre le vent.
2. Les avantages d'un VAE :
Les avantages du vélo à assistance électrique sont nombreux. C'est tout d'abord un moyen de transport
accessible à tous, pas besoin d'être un sportif pour se déplacer en VAE ! Utilitaire ou pour les loisirs, le
vélo électrique est parfait pour des déplacements courts ou moyens, dont l'assistance peut être adaptée
suivant la forme physique du cycliste, le type de terrain... Cela permet aussi d'aller travailler, faire ses
courses ou autre sans arriver essoufflé et transpirant ! D'ailleurs la pratique régulière du vélo est
bénéfique pour la santé, en particulier pour les personnes n'ayant pas l'habitude de faire des efforts
physiques, le vélo électrique est un très bon moyen d'exercer une activité physique sans pour autant
trop forcer. Des études ont démontré que le VAE permettait d'améliorer son endurance et sa condition
physique en général même avec de petits efforts.
Le vélo électrique est également écologique, il peut en effet être une très bonne alternative à la voiture.
Bien qu'un VAE soit plus cher à l'achat qu'un vélo traditionnel, par rapport à une voiture il permet de
réaliser d'importantes économies (achat, essence, entretien, assurance...), d'autant qu'il sera bien plus
pratique pour éviter les embouteillages en ville. Le Vélo à Assistance Electrique est donc un
formidable moyen de transport, à la fois écologique, économique, bon pour la forme et la santé,
accessible à toute personne quelle que soit sa condition physique.
3. Choix des éléments d’un vélo électrique :
Les étudiants du GEII de Soissons font de nombreux véhicules électriques. Nous allons détailler le
fonctionnement de notre vélo ainsi que nos choix techniques. En effet, il y a de nombreux fabricants de
vélo, de moteur roue, de variateurs et de fabricants de batterie. Donc, il y a de nombreuses possibilités
technologiques. Nos choix sont basés pour participer aux challenges de vélo électrique, tel que
l’association Meet de Cachan.
(Ce challenge se compose d’une course avec et sans pédaler avec une côte de 500m avec un poids de
40 Kg dans une petite charrette. Puis, il y a une course de 2 heures sans pédaler, où il faut faire le
maximum de kilomètres avec 2 kg de batteries Li-po ou 10 Kg de plomb)
Ou encore au challenge de la traversée des Alpes de Jean Marc Dubié.
L’objectif de ces challenges est d’améliorer les deux roues électriques et de voir les prouesses de
certaines écoles. Les vélos électriques se banalisent commercialement. En effet, tous les fabricants de
vélos proposent une gamme en électrique mais les technologies sont limités à cause du prix qui est
encore relativement important. Quelques PME françaises ISD.fr, Velectris.fr réalisent la fabrication
des moteurs et montent des vélos en sous traitant le variateur, le chassis…. En général, ils doivent
délocaliser le montage pour baisser les couts et pour survivre. En effet, des fabrications chinoises
Shenzhen, ont des couts faibles mais leurs moteurs ainsi que leurs variateurs ne sont pas très fiables
pour l’instant. Les batteries avec leurs chargeurs sont des éléments cruciaux qui demandent un
investissement important par rapport aux vélos. Les fabricants de batteries Coréens (Kokam), Français
(Saft), Hollandais (Polyquest) sont peu nombreux mais il y a de nombreux monteurs qui assemblent les
éléments.
3
Notre vélo électrique
Ses caractéristiques
- Transmission 21 rapports avec commandes gâchette.
(50 dents grand plateau et 12 dents petit pignon)
- Moteur super phantom 500W à l'arrière,
avec batterie 48V-5 Ah intégré dans le cadre, variateur
500W avec intensité 30A max.
- Poids 22 kg.
La puissance du moteur a été choisie de 500W pour être plus puissant que ceux vendu dans le
commerce qui sont seulement de 250W dans la législation Française. Mais plus la puissance est
importante plus on peut aller vite, mais moins il y a d’autonomie.
La puissance de 500W est toujours pour le même volume que le moteur de 500W. Ces moteurs sans
balai ont une meilleure puissance massique ou volumique que les moteurs DC. D’ailleurs à ce jour, on
ne trouve plus de moteur DC roue en vente. Par contre le variateur des moteurs brushless est plus
compliqué à réaliser. A partir de l’équation de la puissance électrique, le moteur de 500W demandera
en fonctionnement nominal 10A pour une tension de batterie de 50V ou 20A pour 25V.
Pour minimiser le poids et l’encombrement des batteries, le choix s’est fixé à des li-po (lithiumpolymère) de 5A.H de 1 Kg. La tension choisie sera de 50V pour minimiser le courant débité des
batteries pour une puissance donnée. Il faut savoir que les décharges rapides avec des courants
importants réduisent considérablement la durée de vie des batteries. (Pour des décharges et charge de 1
heure le nombre de cycle est de 500 alors que pour des décharges de 4 minutes le nombre de cycle
diminue à 50 fois).
Donc, cette tension de batterie de 50V est un bon compromis pour le moteur ainsi que pour le variateur
(choix des transistors pour supporter le courant) et les batteries.
Il existe des variateurs pouvant atteindre 72V, mais les batteries li-po ont une tension par élément de
3.6V. Donc, il faut multiplier le nombre d’éléments ce qui coute plus cher. Il faudra 20 éléments pour
72V et 12 éléments pour 48V.
Remarque :
La vitesse maximale du moteur est proportionnelle à la tension max des batteries et pour une force
résistante constante, la puissance demandée aux batteries est aussi proportionnelle à la vitesse.
Ce qui coûte cher dans les batteries ce sont les circuits intégrés qui permettent de contrôler la tension
maximale pour chaque élément lors de la charge (BMS : Battery Management Systems). De plus, la
température des batteries est contrôlée (relais thermique) pour ne pas détruire l’ensemble du pack, lors
d’une décharge trop rapide.
=> Sur le marché, seul deux fabricants de vélo électrique français ont retenu notre attention :
- Velectris : 13320 BOUC-BEL Air.
- ISD : 56400 PLOUGOUMELEN
- ADS : http://www.scooter-hybride.com/
http://www.ecolostation.com/r2-velos-electriques.html
Mais, ISD ne fait pas de commande spéciale, leurs vélos ne peuvent fonctionner qu’en assistance avec
une puissance max de 25km/h. Mais la coque des batteries et leurs châssis de vélo sont remarquables.
4
Donc, nous avons pris un Velectris qui fait des commandes spéciales.
Il est possible d’acheter tous les éléments séparés en cas de maintenance.
Il est possible d’acheter un vélo classique puis de monter un moteur et un variateur, mais il faut
changer de frein, la cassette de pignon arrière, écarter le châssis...
4. Prix des différents éléments de notre vélo électrique:
Désignation (Velectris)
QT
P.U(€)
P.T(€)
Velo intruder avec moteur classique
1
827.76
827.76
Option super phantom X
1
116.22
116.22
Option : régénération automatique
1
83.61
83.61
Pedelec accélérateur de pouce (voie privée)
1
66.05
66.05
Contrôleur 48V-500W (voie privée)
1
75.25
75.25
Frais de port: 41.81€ Total HT : 1210.71€ Total TTC : 1448.00€
5. Caractéristiques du vélo électrique :
Le variateur :
Le variateur de vitesse a l'information d’un codeur et de la manette de la régulation vitesse. C'est le
cerveau du système, il va gérer l'intensité. Le variateur de vélo limite le courant à 30 Ampères en
pointe. Ils sont tous équipés d'une protection thermique. Celle-ci protège le moteur en cas de
consommation excessive ou blocage de la roue. Dans la pratique, le déclenchement de la protection
thermique est rare. En cas de défaut de cette protection, un fusible protègera alors le moteur, soit une
double sécurité sur cet organe.
La gestion de l'intensité signifie que, suivant la physionomie du terrain et de la manette vitesse, le
variateur ordonnera plus ou moins d'assistance.
Les batteries BMS (Battery Management System):
Le B.M.S est à la batterie, ce que le variateur est au vélo. C'est le cerveau.
Ses fonctions :
- Tension de coupure pic haut et bas de chaque élément,
- Régulation de l'intensité,
- Vérification température de chaque élément,
- Coupure totale d'urgence,
- Equilibrage de chaque élément,
- Calcul en permanence de l'état de charge.
5
Le B.M.S. est capital sur une batterie Li-po et sa qualité est essentielle pour la durée de vie de la
batterie. En effet, il ne faut jamais charger un élément Li-po à plus de 4,20 V et le décharger à moins
de 3 V. L’équilibrage de chaque élément est par ailleurs primordial pour sa durée de vie.
Le BMS permet aujourd'hui entre 1000 et 1500 cycles de charge/décharge (suivant profondeur de
décharge).
On utilise le P.C.M. (Protection Circuit Module), pour éviter à la batterie :
- la surcharge,
- la décharge en profondeur,
- la surintensité
Le B.M.S. et le P.C.M. sont étroitement liés. Ils ne peuvent fonctionner séparément.
Les chargeurs :
Les chargeurs pour le modélisme sont très performants, Ils permettent de charger tous les types de
batteries. Nous allons nous intéressés plus particulièrement au charge des batteries li-po qui sont les
plus légères
Choix du chargeur :
La puissance du chargeur permet de recharger plus ou moins rapidement la batterie. De plus, pour
certains, il y a des BMS intégrés. De nombreux chargeurs fonctionnent uniquement sur alimentation
stabilisée ou batterie de 12V. Ils ont tous une Alerte par sonnerie de fin de charge.
Les différents types de chargeurs :
Noms et prix
Ultramat
80 €
Swallow advence de chez T2M 80 €.
X-Peak 3 Plus de chez JAMARA 70 €.
Hyperion EOSOS606I 110 €.
Power peak infinity 3 180 €
Hyperion EOSOS6061duo
150 €.
Imax et
Pmax
Nbr d’éléments
5
6A 50W max prise secteur
10 A
10A 400W max 12V à 24V
6 avec équilibreur intégré
12 éléments
avec un
équilibreur extérieur de 50 €
12 avec équilibreur intégré
L’entrée du chargeur peut être connectée sur le
secteur ou sur une batterie de 12V à 24V ou une
alimentation fixe 24V 25A ( 50€.).
Hyperion EOSO6061duo Permet de charger 2
batteries Li po de 6 éléments en même temps avec
un courant de 10A.
Donc, il charge nos batteries de 5A.H en 1 heure à
5A Et une 10 A.H en 1 heure à 10A.
6
6. Présentation des caractéristiques des moteurs brushless:
Il est possible de mettre le moteur sur la roue avant ou sur la roue arrière. Il n’y a pas beaucoup
d’information sur les moteurs.
Pour synthétiser les informations, le tableau suivant permet de comparer les différents moteurs:
Fabricant et vendeur
Puissance, poids
Prix
Shenzhen
500w, NC
NC
Super phantom (arrière) « rear » Velectris
Super phantom X (arrière) « rear » Velectris
500w, 5.2 kg
500w, 6 kg
820€
Phantom (avant) « front »
250w, 7 kg
690€
Golden 500W
500w, NC
500€
BionX
250w, 10kg
1250€
Motor crystalyte
250w, 10kg
500 €
On peut voir sur la figure suivante, les caractéristiques d’un moteur golden de 500W avec un
contrôleur de 25A avec des batteries de 48V.
En régime établi de vitesse, le couple est égal au couple résistant mécanique. Pour un couple résistant
de 30N.m.
La puissance max P=F.V or F=C/rayon or le rayon d’une roue 26 pouces est égale
26.2,54cm/2=0.33m.
Donc Pmax = (30N.m/0,33m).(27Km/h/3,6)=681W. Le rendement est de 60% pour cette puissance
max.
7
Remarque :
Si on met l'accélérateur à 50%, toujours pour une charge mécanique de 30N.m., la vitesse sera de
9km/h et le rendement sera de 35% comme on peut le voir sur la figure suivante.
Si on prend un variateur de 40A avec l'accélérateur à 100%, la courbe est la suivante. Mais le moteur
ne pourra fonctionner qu’a une puissance de 10 A max (500W sous 50V)
La courbe fournit pas le constructeur du super phantom en alimenté 36V est comparé au
moteur crystalyte (409, 4011…). Elle ne donne que la puissance en fonction de la vitesse et le
rendement. Les courbe W0% à 15 % correspond à la puissance utile demandée au velo en
fonction de la pente pour une masse de 100kg.
8
1. Figure : caractéristiques de
différents moteurs bruchless
(forum velectris)
D’après la figure précédente, le rendement du super phantom est un des meilleurs du marché.
7. Présentation du contrôleur ou variateur de notre vélo électrique
Le potentiomètre accélérateur manette permet de réguler la vitesse. Il fonctionne comme sur le tableau
suivant :
Potentiomètre Accélérateur
Puissance
Vitesse max
0%
Freinage P<0
20 km/h
10% et 30 %
Roue libre
P=0W
0 km/h et 15 km/h
50%
Moteur
P>0
25 km/h
100%
Moteur
P>0
36 km/h
Il faut pédaler légèrement sinon le contrôleur ne prend plus en compte le potentiomètre accélérateur et
freine électriquement.
Maintenant que le contrôleur a été présenté, nous allons faire un bilan énergétique pour connaitre
l’autonomie du vélo avec des batteries li-po.
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8. Présentation des batteries li -po:
Nous déchargeons notre batterie à 10A (moteur de 500W sous 48V), donc à 2C avec des impulsions au
démarrage à 6C (30A). Le fabricant donne les caractéristiques suivantes :
2. Figure : caractéristiques
batterie li-po.
La courbe de la tension en fonction de la capacité énergétique est la suivante. Pour une batterie de
4.27A.H avec 6 éléments :
6x4.2V=25.2V
6x3.6V=21.6V
3.
Figure : caractéristique batterie li-po.
On peut voir que la tension par élément peut varier de 4.2 V, en pleine charge puis elle tombe à 3.6V
pratiquent tout le reste du temps. Lorsque la tension est à 3.3V, l’élément est complément déchargé. Le
taux de décharge correspondant au courant maximal est un élément important pour la durée de vie
comment on peut le voir sur la figure précédente.
Nous utilisons les mêmes batteries qu’en modélisme qui sont de gros demandeurs car la capacité
énergétique par rapport au poids est plus faible par rapport aux autres batteries. Le prix de la batterie
est en fonction de sa capacité énergétique de son nombre d’élément, mais en fonction du courant
maximal de décharge. Exemple pour une décharge de 20 fois le courant nominal noté 20C, elle sera
moins chère qu’une batterie qui peut fournir un courant de 40C.
10
Voici les prix des batteries en fonction des éléments, de leur capacité énergétique et de leur capacité de
décharge :
Capacité
élément
Capacité de Prix
Poids (kg)
Prix par
Prix/élément
énergétique
décharge
élément
/capacité
5A.H
6
20C 100A 60€
0.74
10€
2.5€
5A.H
6
25C
85€
0.72
14€
2.83€
5A.H
6
30C
90€
0.79
15€
2.5€
5A.H
6
40C
97€
0.94
16.17€
2.09€
5.8 A.H
3
25C
42€
0.57
14€
2.41€
5A.H
5
25C
55€
0.41
11€
2.2€
1,5A.H
3
25C
17€
0.19
5.6€
3.54€
Figure 3 : Prix des accumulateurs li-po en fonction du nombre d’élément et de leurs capacités de
décharge.
Les prix des batteries ont été trouvés chez un fournisseur de modélisme. Les batteries sont 5 fois moins
chères que chez les revendeurs de vélos.
Les batteries ne sont pas protégés, elles n’ont pas de coques en dur (juste un plastique thermo
rétractable pour maintenir les éléments entre eux). Elles ne supportent pas les coups donc, nous avons
mis les batteries dans une pochette avec de la mousse pour les protéger. Par contre, il est possible de
démonter chaque élément, pour retirer un élément défectueux.
9. Batterie li-ion
On a récupérer plein des pacs d’éléments de li-ion de 3 A.H (5 elements) qui ont en generale un
élément détruit. On peut mettre ces éléments en parallèle pour avoir plus de capacité puis en série pour
avoir la tension désirée. Le problème de la mise en parallèle c’est lorsqu’un élément ne fonctionne
plus, il détruit ceux qui sont mis avec lui. La solution est de mettre une diode entre les éléments. Mais,
ces diodes sont un problème lors du freinage par récupération ou lors de la charge.
Nous allons comparer ces éléments avec une batterie li-po.
type
li-po
li-ion
Nbr
élément
10
10
Capacité
(A.H)
5 A.H
3 A.H
Poids
(g)
1325
962
Poids/elem/A.H
(g)
27
32
Volume
cm3
9*14*5=630
4*20*7=560
Volume/elem/A.H
cm3
12,6
18,6
Le tableau précédent démontre que les éléments li-ion, sont sensiblement proche des li-po.
Dans un premier temps, on a regroupé les éléments par 6 éléments de 2 accumulateurs en parallèle
pour être facilement rechargeable avec notre chargeur et refaire l’équilibrage. Les caractéristiques
d’un seul élément est
capacité
1.5 AH
Courant décharge
20A max
Courant de charge
2 A (4,2V)
R
0,32 Ω
Size φ*L
18*65mm
Un=3,6V
4. Figure : caractéristiques batterie li-ion.
5. Figure : accumulateur de 26 éléments en
double donc 13 accus en série donc 3 A.H/48V
11
Le problème est la chute de tension avec 13 éléments en série
I demandé par le vélo (A)
∆U (V) 1 élément théorique R=0,032Ω
Ω
∆U (V) 2 éléments en//
test (3 A.H/48V)
∆U (V) 4 éléments en //
test (6 A.H/48V)
5A
2,275
7A
3V
1,5V
2,5
10A
4,16
6V
14A
5,82
8V
4V
20A
30A max
12,48
La chute de tension et la résistance provoque des accélérations faible et un courant de décharge trop
important pour la durée de vie des éléments. Donc il faudrait mettre en parallèle les éléments pour
diminuer le courant sortant des éléments, donc la chute de tension.
Mais, il y a toujours des différences d’équilibrages pour chaque élément (résistance interne, force
électromotrice, et capacité énergétique différente). Donc, normalement, il ne faut jamais mettre de
batterie en parallèle car un élément se déchargera dans l’autre jusqu'à l’équilibrage.
Comment mettre en parallèle les éléments ?
Les éléments sont d’abord rechargés jusqu’à 50 à 60% de leur capacité pour que chaque élément soit à
3,8V à 3,9V. Pour faire l’équilibrage, une résistance de 1Ω / 1W est placé entre les éléments en
parallèle. Cette résistance permet de limiter le courant entre les éléments. Même s’il y a un écart de 1V
entre les éléments, le courant sera de :
U
-U
1V
I(A) = element1 element2 =
=1Α
R equilibrage
1Ω
Le courant de charge maximal étant de 1,5A, ce courant de 1 A est un bon compromis
On laisse une heure pour que l’équilibrage se fasse car un élément se décharge dans l’autre pour qu’il
soit la même tension. Puis, on courcicuite la résistance d’équilibrage de 1 Ω.
Avec cette méthode, il n’y a pas d’étincelle, lors de la mise en parallèle des éléments qui est
préjudiciable pour ceux –ci
Pour finir, recharger l’accumulateur à 100% avec un BMS. Il faut une décharge puis recharge pour
voir qu’il n’y a pas de problème. On prouve que cela fonctionne car la capacité énergétique de
décharge, puis de charge est pratiquement identique.
Remarque : Lorsqu’on met les éléments en parallèle, il faut que les résistances interne soit
pratiquement identique. Par conséquent, il faudra toujours les assembler les éléments en // en nombre
paire.
Nous avons opté pour 4 Eléments en //.
L’accumulateur li-ion est peu plus gros que
l’accumulateur li-po car les éléments li-po sont ronds,
alors que les li-po sont plats comme l’on peut
observer sur la photo ci-jointe. Mais, Nos batteries liion sont gratuites même s’il faut 6 heures de travail
(démontage, soudage…) pour avoir un accumulateur
de 6A.H/50V.
6.
Figure : accumulateur li-ion de 52
éléments de 4 en // donc 13 accus en série
donc 6 A.H/48V et accu li-po 5A.H/48V
Accu de 2 elements, 8 elements dans un pac makita
Une utilisation quotidienne devrait nous dire combien de charge, a tenu notre accu.
date
Nbr de cycle
Nbr de km
Nbr de A.H utilise
21.02.2010
15
260
55
Etude en cours
12
Fonctionnement de l’écran de la consommation du vélo
Cycl Analyst : Appareil permettant de faire des mesures de consommation énergétique.
V : tension des batteries.
Kph : vitesse en km/h (équivalent
américain).
W : énergie consommée ou restituée.
Km : distance parcourue.
V : tension des batteries.
W : énergie consommée ou restituée.
A : ampères consommés.
Ah : consommation en Ampère-heure.
%Regen : Le pourcentage de régénération
indique de combien votre autonomie a été
étendue par la régénération.
Regen Ah : l’affichage des Ah consommés et
des Ah régénérés alterne sur le coté droit de
l’écran. L’affichage des Ah de l’écran
principal est la différence des deux, soit les
Ah nets
Amin : il s’agit du courant mini absolu ou
bien du courant négatif maximum enregistré
(dans le cas de la régénération au freinage).
Amax : il s’agit du courant maximum
instantané délivré par la batterie.
Vmin : il s’agit de la tension minimale
instantanée atteinte par la batterie.
Généralement, cette tension est atteinte lors
de forts appels de courant et plutôt vers la fin
de la décharge de la batterie.
MaxS et AvgS : il s’agit respectivement de
la vitesse maximale atteinte et de la vitesse
moyenne du parcours (km/h).
Temps (à droite) : Il s’agit du temps du
parcours décompté depuis le dernier
« RESET » le temps est compte uniquement
lorsque la vitesse est non nulle.
Cycl : cette valeur s’incrémente chaque fois
que la fonction « reset » est activée.
TotAh : nombre total d’Ah (à 1 Ah près)
débité par la batterie au cours des différentes
décharges cumulées.
TotKm : fonction odomètre indiquant la
distance totale parcourue avec cette batterie
dans l’unité de distance choisie.
13
10.
Transmission mécanique (Pédalier) :
Nous avons un pédalier de 50 dents sur le plateau supérieur, 12 dents sur le pignon inférieur ainsi
qu’une circonférence de roue de 2,07 m. Ce qui nous donne un développement pour un tour de 8,81m
et donc une vitesse d’environ 32km/h pour une vitesse de pédalage de 60 tr/min avec l’équation
suivante :
(26' '•2,54) 50
3,6
Vitesse(km / h) = 2 • π •
• • N (tr / mn) •
Εqu.0
2
12
60
Sachant que la vitesse maximale du moteur est d’environ 36km/h, pédaler à plus de 60 tr/min est assez
fatiguant et le cycliste n’apporte plus d’effort musculaire. Il faudrait avoir un plateau de 52 dents et un
pignon de 10 dents pour pouvoir aider le moteur à 36km/h.
11.
Bilan de puissance et consommation énergétique du vélo
avec variateur de vitesse
Pour faire l’étude énergétique, nous allons utiliser une pince watt métrique ainsi qu’un mesureur de
tension, de courant, qui intègre ce courant en fonction du temps, pour avoir la consommation
énergétique en A.H ou en W.H. nous avons présenté ce mesureur qui s’appelle Cycle Analys
correspondant à une jauge énergétique. Nous utilisons une pince de courant multi métrique
Les batteries sont composées de deux jeux de 5 accumulateurs et un jeu de 3 qui fournissent chacun
une tension de 54V à 43V. l’energie en
Montée
Montée
Descente
sans
pédalage
Descente avec
pédalage
7. Fig : énergie consommé en W.h
Sur ce graphique apparait la consommation énergétique du vélo. Pendant des montées, la
consommation de courant est importante et la pente de l’énergie négative est importante.
14
Au contraire, les descentes permettent de recharger les batteries, nous voyons sur le graphique
précédent que cette recharge est plus importante lorsque l’on pédale dans la descente.
Descente
Sans pédalage
Descente avec pédalage
Montée
Sans
pédalage
Montée avec pédalage
8.
9.
Fig : Puissance en fonction du temps positive et négative
En fonction des phases de montée et descente
Fig : la tension et la consommation du courant des batteries (TRMS).
On remarque une chute de tension lors de la grande demande de l’intensité durant les montées alors
que durant les descentes, il y a une augmentation de la tension car le courant est négatif avec recharge
de la batterie.
Pendant les regime transitoire de demarrage, la chute de tension est de 3V, pour un courant de 30A
(puissance moteur de 1500 W)
15
12.1 Etude de la consommation et la puissance du vélo
(26’’=66cm de diamètre) moteur Super phantom de chez velectris en 48V/500W.
Le vélo fait 23kg et le cycliste 80Kg
La puissance utile en fonction de la vitesse (km/h) est donnée par l’équation simplifiée suivante :
equ.1
equ.2
Le frottement =0,25 W.(km.h ) est déterminée par des essais fait par velectris, mais aussi sur la
publication CETSIS 2005 d’Emanuel Hoang
-1 2
Sur du plat, nous avons les résultats suivants avec des pneus crantés.
Avec un VTT normal, ce cycliste fait d’ailleurs une vitesse moyenne de 25 km/h sur du plat, Ce qui
correspond à la puissance utile de 150 W, avec un pédalage à 60 tr/mn.
Vitesse (km/h)
36
30
25
20
17
15
I (A)
12A
5A
1,5 V
1V
U (V)
550
350
250
200
x
Sans pédalage
400
200
100
0
-100
Avec pédalage
324
225
156
100
72
50
théorique
60%
64
62
=
0n remarque avec le tableau précédent que la chute des tensions des batteries U est relativement
faible malgré le courant débité.
On peut observer que la différence de puissance entre le pédalage et sans le pédalage est d’environ 150
W pour le même cycliste, ce qui correspond à la puissance utile à 25Km/h.
A 25 km/h, La différence entre la Pabs avec pédalage et la P utile est de 100W. Donc, le vélo consomme
une puissance de 100W pour rien (excitation des aimants ??).
D’ailleurs, ce même cycliste lorsqu’il utilise le vélo électrique sans moteur donc en pédalant ne va
qu’à 20 km/h. Donc, le cycliste fournit 200W à cette vitesse (100W de puissance utile et 100W de
perdu dans le moteur).
Notre variateur qui fonctionne en régulateur de vitesse avec un potentiomètre de consigne permet de
faire de la régénération a partir de 15 km/h et jusqu’à 20 km/h maximum. Le cycliste récupère 100W
sur du plat à 17 km/h.
Pour un cycliste de 35kg, le frottement est plus faible, donc la puissance diminue comme on peut le
voir dans le tableau suivant.
Vitesse (km/h)
36
30
25
20
17
15
488
300
140
100
Sans pédalage
Avec une pente de 2,3%, nous avons les résultats suivants toujours avec des pneus crantés.
Le cycliste avec un vélo normal, monte cette pente avec une vitesse de 18 km/h, toujours à 60 tr/mn
mais avec une réduction différente que sur du plat.
Vitesse (km/h)
36
30
25
20
15
descente
800
500
375
150
15km/h 0W
Sans pédalage
450
200
60
30
20km/h -200W
Avec pédalage
416
315
227
145
-44W à 20 km/h
théorique
52%
63%
60%
=
Avec le tableau précédent, Le cycliste a une puissance en montée de 300W correspondant à la
différence en P abs sans et avec pédalage.
Même en descente, il récupère (200-27W)+(perte vélo) qui sont estimé à 100W donc à 300W.
Nous allons refaire des essais mais avec une pente encore plus raide.
16
Avec une pente de 6% , nous avons les résultats suivants toujours avec des pneus crantés.
Le cycliste avec un vélo normal, monte cette pente avec une vitesse de 15 km/h, toujours à 60 tr/mn
mais avec une réduction différente que sur du plat. La pente est estimée par l’équation 1,
( Pcycliste- Putileplat ) • 3,6 (300 - putileplat ) • 3,6
pente =
=
=6%
M • g •V
M • g •V
Vitesse (km/h)
30
25
20
15
descente
830
700
500
300
17 km/h -60W
Sans pédalage
540
370
220
0
20 km/h -250 W
Avec pédalage
Putile
723
572
432
300
-233 W à 20km/h
Avec la pente de 6%, il y a toujours une différence de 300 W entre la puissance absorbée avec et sans
pédalage. Avec l’estimation, de la pente, on détermine la puissance utile :
6 25
=156+416=572W
Putile (25km / h ) = 252 • 0.25 + 100 • 10 •
•
100 3.6
L’écart entre la puissance utile et la puissance absorbée est trop proche, la pente ne doit être que de
5%. Pour mesurer la pente, il est possible de tirer une corde de 100 m entre 2 bâtons mis au niveau à
bulle, et de mesurer la différence de hauteur. Il est possible d’utiliser les poteaux électriques à la place
des bâtons. Pour tester plus facilement le velo et l’effort musculaire du cycliste, il faudrait un
« entraineur » d’appartement qui donne la puissance utile restituée.
La vitesse maximum Super Phantom X sur du plat en fonction de la tension est la suivante :
Tension batterie
51 V
48
43
40
37
Vitesse (km/h)
36
33
30
28
550
336
250
Sans pédalage
Avec le tableau, on voit bien que la vitesse maximale dépend de la tension des batteries.
Phantom 26'' en 36V : max a vide 39 kmh, max sans pedaler sur plat 29kmh,
max en utilisation avec pedalage sur plat : 35kmh si les braquets du velo permettent encore
d'appuyer a cette vitesse (48 dents au plateau et 11 dents arriere)
Super Phantom X, 36V : max a vide 36kmh, max sans pedaler 26kmh, max avec pedalage 32kmh
En 48V, rajouter environ 10 kmh,
Le variateur 48V ne sait pas mis en défaut, même avec une tension de 37V, c’est inquiétant car les
batteries (12 elements) sont entièrement déchargées pour cette tension ou alors il y a un élément qui est
défectueux.
12.2 Conclusion sur le bilan de puissance :
Le vélo électrique avec son moteur de 500 W permet en pédalant d’avoir une vitesse de 30 km/h même
avec une pente de 6%. Pour les pentes supérieures à 6%, il faut régler la vitesse pour avoir une
puissance de 500W sinon le thermique du variateur va se déclencher.
Le freinage électrique est très pratique mais il doit être utilisé lorsque la batterie est un peu déchargé
pour ne pas que la tension de seuil par élément soit dépassée (4,2 V/éléments en li-po). Ce freinage
permet de décélérer rapidement à 15 km/h puis de s’arrêter en roue libre. Mais, sur un parcours
classique de la vallée de l’Aisne de 50km, la régénération est de 5% seulement (dénivelé 200m). La
régénération serait plus importante sur un parcours plus montagneux.
Un autre avantage du vélo électrique est la possibilité d’une grande accélération (1500W, 30A), lors de
passage dangereux (rond point, stop…)
L’inconvénient du VTT électrique est sa lourdeur sur du petit chemin et sa consommation de 100W sur
du plat par rapport à un vélo normal. Mais, Le vélo électrique est un moyen de locomotion qui
consomme le moins d’énergie par rapport à tous les autres véhicules
Vitesse 30km/h
Puissance (W)
Velo sans pedalage
350W
Velo avec pedalage
200W
Scooter EVT
900W
Voiture thermique
Remarque : Il n’est pas facile de faire un bilan de puissance ou de consommation car l’effort
musculaire change en fonction du rapport de réduction et il n’est pas constant.
17
12.
Autonomie du vélo
Avec un batterie 5 A.H/50V 13 éléments li-po
Le tableau suivant rappel la puissance et le courant avec et sans pédalage pour une vitesse et une pente
données. Puis l’autonomie en temps et en km.
Pente et vitesse
0% à 30 km/h
2,3% à 25 km/h
6% à 25 km/h
P(W) et I (A)
avec pédalage
200W 4A
200W 4A
370W 7.4A
P (W) et I (A)
sans pédalage
350W 7A
500W 10A
700W 14A
Autonomie avec
pédalage temps et km
1,25 H 38 Km
1,25 H 31 Km
0,67 H 16 Km
Autonomie sans pédalage
temps et km
0,71 H 21 Km
0,5 H
12.5 Km
0,35 H 8.2 Km
Peut-on faire la traversée des Alpes proposé par jean marc Dubie http://www.pile-aumethanol.com ? Et combien faut-il de capacité énergétique ?
Il y a deux cols à passer et une descente
Premier col
La descente
Le deuxième col
Pour le premier col, la pente moyenne est de 7%, donc, il sera possible de rouler à 30 km/h avec une
puissance moteur de 500W en pédalant. Le courant débité sera de 10A. Le temps pour atteindre le col
(22km) sera de 0.73Heure, la consommation sera 7,3 A.H.
Lors de la descente, si on limite la vitesse à 20 Km/h, une récupération de 250W est possible en
pédalant, mais on descendrait moins vite que la montée (idiot). Par contre, dans les virages, une
récupération d’énergie est possible.
Pour le prochain col, toujours à 30km/h, il faudra un temps 0.56 heures donc une capacité énergétique
de 5,6 A.H.
Enfin, toujours pour une vitesse de 30 km/h avec une puissance de 200W (4A) pour les 12 derniers
kilomètres, (en 0,4 H) , la consommation sera de 1,6 A.H.
Donc, la consommation total sera de 7,3+5,6+1,6-régénération=14,6 A.H soit 3 batteries de 5 A.H
Prochaine étude :
Le tableau suivant indique le temps pour faire un certain trajet, avec un velo normal et avec un velo
électrique.
distance
temps
consommation
régénération
9 km Sans pédalage
W/h
%
9 km avec pédalage
x
x
Velo normal
18
13.
Conclusion generale :
Nous avons donc réalisé l’étude d’un vélo électrique, il est très utile pour les courts trajets, l’assistance
électrique permet de ne pas se fatiguer pendant les passages difficiles car elle apporte une aide non
négligeable.
Pour cela nous avons fait le schéma ISIS puis le typon pour réaliser la carte électronique du variateur
avec la régénération. Nous avons rencontré des difficultés au niveau de la création du typon pour
supporter la puissance de 30A, et à fiabiliser le programme du moteur ainsi que le programme du
hacheur réversible en courant entre le variateur et les batteries.
Les Travaux de réalisation nous ont permis d’apprendre à travailler encore plus en équipe et en
autonomie.
Le vélo électrique n’est pas facile à appréhender pour faire les choix technologiques, car il faut faire de
nombreux compromis, poids, puissance, effort musculaire, nombre d’éléments batteries, les
connectiques, prix, ….
Remarque : En 2009, le marché de la vente en Europe est principalement accès à des vélos de ville
dédies aux femmes.
Les revendeurs de variateurs et de moteurs ne fournissent pas le temps de surcharge que peuvent
supporter leurs moteurs, ni le temps pour que le variateur déclenche le relais thermique. Il y a un
manque de transparence sur les courbes électro mécanique de certain fabricant. C’est dommage !
Pourtant pour faire la traversée des Alpes, il est impératif de connaitre ces valeurs ou lorsque la
protection thermique sera déclenché, il faudra attendre que le vario et le moteur soit refroidit.
19
14.
Comparatif avec un velo shenzen:
Pente 0% moteur et vario Schenzen en 36V poids du velo 27Kg
Vitesse (km/h)
30
25
20
600
350
250
Sans pédalage
450
150
100
Avec pédalage
225
156
100
théorique
=
Pente 2,3%
Vitesse (km/h)
Sans pédalage
38%
50%
40%
30
x
25
650
315
20
375
227
théorique
Pente 6%
Vitesse (km/h)
Sans pédalage
Avec pédalage
Putile
30
x
25
750
450
572
20
650
350
432
15
150
0
50
descente
15
descente
15
descente
300
On peut remarquer que la consommation du moteur Shenzhen est plus importante de 100 à 150 W par
rapport au super phantom X. De plus, il y a 3 kilos de différence entre les 2 moteurs, ce qui est énorme
sur un vélo lorsqu’on descend ou monte des trottoirs.
On remarquera aussi que le rendement diminue fortement à 30 km/h sur du plat, mais le moteur est
prévu pour fonctionner à une vitesse à 25 km/h.
20