sommaire

Groupe référence P22 :
Pascale Bouveret
Frédéric Chenaval
Dimitri Duchaux
Rémi Faverial
Jean-Marie Foray
Gaétan Hirel
Guillaume Lecoeur
Sébastien Mathiou
Chef de projet : Pascale Bouveret
Maître d’ouvrage : Jean Paul Yonnet
Projet Bateau Electrique
Rapport technique
C’Velec 2002/2003
1
SOMMAIRE
I Problématique
P. 5
I.1 Cahier des charges
p. 5
I.2 Normes marines
P. 5
I.3 Solution proposée
P. 5
II Etude de l'existant
P. 6
III Dimensionnement de la chaîne de propulsion
P. 6
III.1 Puissance du moteur
P. 6
a. Calcul à partir de la résistance à l'avancement
b. Estimation à partir de l'existant
III.2 Variateur
P. 9
III.3 Energie embarquée
P.9
IV Choix du matériel
P. 10
IV.1 Fournisseurs de moteurs et de variateurs
P. 10
IV.2 Choix des batteries
P. 10
V Essais
P. 12
V.1 Caractérisation de l'ensemble VALEO
a.
b.
c.
d.
e.
P. 12
Matériel utilisé
Caractérisation de la machine synchrone
Mode de commande du variateur
Essais à vide
Essais en charge
VI Bilan technique
P. 16
2
Le projet
La naissance du projet BATEAU ELECTRIQUE est due à la rencontre entre M.Yonnet et
Mme Foucaud, directrice de l’entreprise SAVIBOAT, lors d’une conférence sur les bateaux
électrique durant l’été 2002. SAVIBOAT est une entreprise basée à SAINT SAVINIEN
(Charente Maritime) spécialisée dans la construction de bateaux électriques. Ils ont évoqué
ensemble la possibilité de mener une étude sur la motorisation de ces bateaux. M. Yonnet a
alors proposé aux membres du C’Velec cette étude pour SAVIBOAT, dans le cadre d’un
projet collectif.
Lors du colloque C’Velec en juin 2002, la rencontre avec M. Plasse, directeur recherche et
développement chez Valéo, nous a donné l’opportunité d’avoir accès à du matériel qui n’était
pas encore disponible sur le marché et qui correspondait à la gamme de puissance de notre
application.
C’est sur ces bases qu’a commencé le projet BATEAU ELECTRIQUE.
3
Remerciements
Le groupe du bateau électrique tient à remercier les personnes suivantes pour leur aide
précieuse dans la réalisation de notre projet :
 Madame Brigitte FOUCAULT, PDG de l’entreprise Saviboat, pour toutes les
informations apportées pour la rédaction du cahier des charges ainsi que le prêt de
matériel.
 Messieurs C. PLASSE et P. MASSON, de l’entreprise Valeo, pour le prêt du moteur et du
variateur, ainsi que les renseignements techniques qu’ils nous ont apportés.

Monsieur Jean-Paul YONNET, pour son investissement dans l’encadrement de notre
projet.
 Monsieur Claude BRUN, pour la réalisation des pièces mécaniques.
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I Problématique
I.1 Cahier des charges
Objectif : Réaliser la chaîne de traction d’un bateau tout électrique.
Le bateau devra transporter 24 personnes à une vitesse de croisière de 6 à 8 km/h.
L’autonomie devra être de 10 heures pour un type d’utilisation d’environ une dizaine de cycle
de fonctionnement par jour. La recharge des batteries s’effectuera par un chargeur connecté
au réseau EDF 230V par une simple prise de courant monophasée.
Cycle de fonctionnement : 30 minutes à 1 heure, avec des démarrages réguliers.
Contraintes : Une protection électrique suivant les normes marines devra être assurée.
La vitesse du moteur devra être ajustable.
Spécifications supplémentaires :
Masse du bateau à vide : 1t.
Poids maximal du lot de batterie : 800kg.
Longueur : 10 à 12 mètres.
Largeur : 2 à 2.5 mètres.
Tirant d’eau : 0.5 à 0.75 m.
La coque sera carrée et à fond plat. La largeur maximale sera à l’arrière du
bateau pour une meilleure pénétration dans l’eau.
Fabriquant de l’hélice : France Hélice.
Concepteur de la coque : M. Antoine Fritsch, Conflan-St Honorine.
I.2 Normes marines
Notre système de propulsion sera embarqué à l’intérieur de la coque. Il sera quasiment au
point le plus bas du bateau. Notre système devra donc donc remplir les conditions d’isolation
et d’étanchéité maximale (moteur étanche avec indice d’isolation IP56).
D’après la norme, la tension de sécurité en milieux humide est limitée à 50V. Ce qui implique
que les tensions en amont du convertisseur (en sortie des batteries) et celle en aval (en entrée
du moteur) seront inférieures à 50V DC.
I.3 Solution proposée
Dans une optique d’innovation dans le domaine de la traction électrique fluviale, nous avons
opté pour une technologie de moteur différente (moteur synchrone) de celle couramment
utilisée par les constructeurs de bateau électrique (de type à courant continu facile à
commander).
Le moteur à courant continu, présente une puissance massique (0.8 kW/kg) et un rendement
modeste (environ 65%) dans notre gamme de puissance (quelques kW).
Le moteur synchrone présente un intérêt certain du fait de son rapport puissance/poids plus
élevé (1.8 kW/kg), et un rendement de l’ordre de 85%.
5
Afin d’alimenter notre moteur, la conversion à effectuer est du type continu/alternatiftriphasé, ainsi nous devons utiliser un onduleur avec une tension d’entrée/sortie inférieure à
50Volts (voir normes).
II Etude de l'existant
Nous avons recherché les différents types de bateaux électriques existants. A partir de ces
données, il nous a été possible d’établir une fourchette de puissance motrice en fonction des
dimensions du bateau et du nombre de personnes embarquées. (cf annexe)
III Dimensionnement de la chaîne de propulsion
III.1 Puissance du moteur
Nous avons dans un premier temps, dimensionné le moteur en suivant une méthode faisant
intervenir le calcul de la force de résistance à l’avancement.
Puis, dans le but de valider le résultat obtenu, nous avons évalué la puissance utile du moteur
à partir de ce qui existe déjà dans le domaine du bateau électrique.
a. Calcul à partir de la résistance à l'avancement.
Il est possible de dimensionner le moteur à partir des données suivantes :



Masse totale du bateau.
Vitesse de croisière.
Longueur du bateau.
Nous considérons que les conditions d’utilisation du bateau sont optimales : courant et vent
nuls.
Nous n’exposons ici que la méthode qui nous a permis de déterminer la puissance du moteur.
Le détail des calculs se trouve en annexe.
Nous avons d’abord calculé la force de résistance à l’avancement à partir d’abaques existant
dans la littérature(voir en annexe) :
RG  120 N .
Cependant, cette méthode de calcul de la résistance à l’avancement est empirique (abaque de
Reech-Froude) et approximative. C’est pourquoi, par sécurité, ceux qui ont l’habitude
d’utiliser cette méthode multiplient cette valeur par un coefficient 1.5 afin d’envisager le cas
le plus défavorable.
Soit : RG  120  1.5  180 N
6
A cette valeur, il faut ajouter la résistance aérodynamique à vent nul (voir annexe 3) :
Remarque : cette valeur peut augmenter notablement en cas de vent de face.
Ra  20 N .
La résistance totale vaut donc :
Rt  180  20  200N
A partir de cette résistance totale à l’avancement, on peut calculer la puissance de propulsion
du bateau :
P  Rt * V (m / s)  200 * 2.22  440W
Pour remonter à la puissance utile du moteur, il faut prendre en compte les rendements de
l’hélice (hélice) et de la transmission (transmission).
Putile 
440
 hélice   transmission
France Hélice nous garantit un rendement d’hélice compris entre 0.60 entre 0.62.
En prenant en compte le rendement de la transmission, on approxime le produit des
rendements de l’hélice et de la transmission à :
 hélice  transmission  0,5
La puissance utile nécessaire sur l’arbre du moteur est donc de :
Putile  900W
Nous avons déterminé la puissance que le moteur devra fournir en sortie d’arbre. Cependant,
ce résultat est discutable car il s’appuie, d’une part, sûr des données estimées :



La masse totale du bateau est une estimation.
Ses dimensions restent incertaines.
La forme de la coque n’est pas bien définie et peut avoir une grande influence.
Ces incertitudes sont généralement prises en compte en introduisant un facteur de sécurité k1
dans le calcul de la puissance, facteur qui est évalué à 1,35.
Putile  k1  900  1,35  900  1200W
D’autre part, nous n’avons envisagé que des hypothèses très favorables quant aux conditions
de navigation. En effet, le calcul est valable pour des conditions optimales de navigation (vent
nul et absence de courant). La valeur obtenue est donc un minimum à respecter pour le
bateau.
Afin de dimensionner le moteur pour toutes les conditions de fonctionnement, un coefficient
multiplicatif k2 est appliqué au résultat précédent ; facteur évalué à 2.
Putile  k 2  1200  2400W
7
Il faut enfin souligner que les constructeurs de bateaux électriques préfèreront, avec juste
raison, choisir un moteur légèrement surdimensionné par rapport à la puissance réelle à
fournir.
b. Estimation à partir de l'existant
Afin de valider nos résultats, nous nous sommes inspirés de ce qui existait déjà dans le
domaine du bateau électrique (Annexe 2: technologies du bateau électrique). Les données
fournies pour chaque type de bateau sont :




La puissance utile du moteur.
La vitesse de croisière du bateau.
Le poids et les dimensions du bateau.
Le nombre de places disponibles.
A partir du cahier des charges établi par la société SAVIBOAT, nous avons pu identifier notre
bateau à d’autres réalisations déjà existantes en terme de longueur et de masse totale en
charge. Pour ce type de bateau, la puissance utile du moteur est comprise entre 2kW et 4kW et
la vitesse de croisière est comprise entre 8 et 10km/h.
Il a alors été possible de calculer la fourchette de force de poussée pour notre application à
partir de ces données (détail des calculs en annexe 3 ) :
En tenant compte des rendements de l’hélice et de la transmission, nous trouvons (voir
annexe) :
37kg  FPoussée  92kg
Ce qui correspond à la fourchette suivante pour la puissance utile du moteur lorsque la vitesse
de croisière du bateau vaut 8km/h :
1.6kW  Putile  4kW
Remarque : Une caractérisation du matériel (mesure du rendement de l’ensemble
moteur+onduleur par un essai en charge) permet de remonter à la puissance électrique
nécessaire.
Les deux méthodes utilisées mènent à des résultats comparables.
8
III.2 Variateur
Le dimensionnement du variateur dépend de :



La puissance absorbée par le moteur.
La tension du moteur.
Le mode de commande désiré.
La puissance absorbée par le moteur est Pabsmoteur 
2400W
 moteur
Les moteurs synchrones atteignent des rendements de l’ordre de 85%.
La puissance électrique absorbée par le moteur vaut :
Pabsmoteur  2900W
La tension nominale du moteur sera inférieure à 50V.
Le type commande devra nous permettre de faire de la vitesse variable (ou ajustable).
III.3 Energie embarquée
En appelant convertisseur le rendement du variateur, la puissance absorbée en entrée du moteur
vaut :
2900W
Pabs 
 convertisseur
Les progrès réalisés dans le domaine de l’électronique de puissance permettent maintenant
aux convertisseurs d’atteindre des rendements élevés (> 90%).
D’où :
Pabs  3200W
Le cahier des charges exige une autonomie de 12h en fonctionnement normal.
L’énergie embarquée nécessaire est :
E  Pabs *12h
E  3200W 12h  39kWh
Il faut aussi noter que la profondeur de décharge d’une batterie de traction ne doit pas
dépasser 20 %.
L’énergie consommée devra être de 39kWh à 80% de décharge.
Cela donne une énergie électrique totale à embarquer de :
E
39kWh
 50kWh
1  0.2
9
IV Choix du matériel
IV.1 Fournisseurs de moteurs et de variateurs
Nous avons contacté un certain nombre de constructeurs de moteurs (voir annexes 4).
Seulement trois fournisseurs nous proposent des solutions répondant à notre cahier des
charges.
Etant donné les coûts engendrés par le développement de motorisations spécifiques pour
l’application bateau électrique, il nous a semblé plus judicieux de nous tourner vers le secteur
automobile.
Le système alterno-démarreur récemment développé par Valeo possède des caractéristiques
intéressantes pour notre application :



Faible coût car il sera produit en grande série.
Gamme de puissance adaptée à notre application.
Compacité de l’ensemble moteur et variateur.
Ce système n’est pas encore utilisé en grande série dans l’automobile. Nous avons pu
récupérer un prototype d’alterno-démarreur auprès de Valeo afin de pouvoir valider son
application dans le domaine du bateau électrique.
Nous allons donc utiliser l’alterno-démarreur Stars 128 de chez Valéo et essayer de l’adapter
à notre application.
IV.2 Choix des batteries
La sélection d’une batterie se fait en fonction des critères suivants, par ordre d’importance :





Type d’utilisation.
Energie, poids (énergie massique).
Recharge (nombre de cycles).
Prix.
Tension, encombrement (fonction de l’utilisation).
Il existe plusieurs types de batteries, adaptés à différentes applications (batteries de
démarrage, batteries de traction…). Pour une utilisation dans un véhicule électrique, la
batterie doit être capable de générer de forts courants, pendant des durées importantes. La
batterie de traction est la plus adaptée à ce type d’utilisation.
La technologie la plus utilisée en traction est la batterie au plomb en raison de son faible coût.
Afin d’obtenir la tension et l’autonomie désirées, ces batteries doivent être combinées en série
et/ou en parallèle. La batterie Ni-Cd est aussi utilisée. Sa capacité massique, sa capacité de
décharge ainsi que sa durée de vie en ont fait la solution la plus viable techniquement mais
pas financièrement vis-à-vis de la batterie au plomb.
A titre d’exemple, le tableau ci-dessous présente quelques chiffres permettant de comparer ces
deux technologies de batteries.
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Technologie
Plomb
Ni-Cd
Energie massique (Wh/kg) Energie embarquée (kWh) Poids (kg)
30 à 40
50
1400 à 1700
50 à 65
50
800 à 1000
Prix (€)
7500
30000
La technologie plomb ne permet pas de répondre aux exigences du cahier des charges. En
effet, le poids des batteries excède largement 800kg.
A partir de ce poids, il est possible de recalculer l’énergie embarquée maximale et d’en
déduire l’autonomie.
Technologie
Plomb
Ni-Cd
Energie massique
(Wh/kg)
30 à 40
50 à 65
Poids (kg)
800
800
Autonomie
(h)
7.5 à 10
12.5 à 16.2
Energie embarquée
(kWh)
24 à 32
40 à 52
Prix (€)
3600 à 4800
24000 à 31200
La technologie Ni-Cd est la seule technologie permettant de répondre au cahier des charges
(poids et autonomie). Il ne faut cependant pas négliger la différence de prix entre la
technologie au plomb et celle au Ni-Cd.
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V Essais
Le système que nous allons utiliser est l’alterno-démarreur Stars 128 comprenant :


Une machine synchrone à rotor bobiné d’une puissance d’environ 2kW avec 6 paires de
pôles et alimentée en triphasé 12V (120A).
Un variateur fonctionnant en pleine onde et dimensionné pour la machine synchrone.
Machine synchrone
Variateur
Le système fonctionne en démarreur (intensité supérieure à l’intensité assignée mais temps de
fonctionnement court ce qui permet d’avoir un fort couple à basse vitesse). Nous voulons
nous rapprocher d’un fonctionnement en moteur (fonctionnement aux grandeurs assignées).
Nous avons pour cela étudié l’influence de la position du capteur sur le courant absorbé.
Pour des raisons de sécurité, nous avons effectué nos essais sous une tension réduite ( #7V) en
limitant le courant à 200A.
Le mode opératoire des essais et les mesures effectuées se trouvent en annexe
V.1 Caractérisation de l'ensemble VALEO
a. Matériel utilisé
Afin de réaliser des essais à vide et en charge en toute sécurité, nous nous sommes servi d’une
alimentation continue réglable en tension et courant jusqu’à 20V-500A permettant de limiter
le courant débité.
Pour charger le moteur, nous avons accouplé une machine à courant continu qui servira de
génératrice débitant dans un banc de résistances.
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b. Caractérisation de la machine synchrone
Dans un premier temps, nous avons réalisé un essai en court-circuit et un essai en courant
continu. Ces essais nous ont permis de déterminer la résistance synchrone et d’évaluer
l’inductance synchrone :


Rs = 148m(à froid)
Ls  85H
Les techniciens de Valéo nous ont fortement déconseillé d’effectuer des essais à rotor bloqué
ou en court-circuit. Nous avons donc réalisé ces essais à courant très réduit (environ 3A). De
ce fait, la valeur de résistance doit être considérée comme étant la valeur à froid.
De plus, nous ne pouvions pas faire varier l’excitation, nous nous sommes donc servi du
champ rémanent du rotor pour créer la fem pour l’essai en court-circuit. La faible valeur de la
fem lors de cet essai a rendu la mesure des différentes grandeurs assez difficile. La valeur de
l’inductance synchrone n’est donc qu’une estimation.
c. Mode de commande du variateur
Le variateur est de type « pleine onde » et réalise une commande vectorielle des flux toriques
et statiques. Le variateur impose la valeur efficace (fixe) de la tension aux bornes du moteur.
Le démarrage de la machine synchrone s’effectue par une augmentation progressive de la
fréquence.
L’excitation de la machine est à courant constant (donc à champ constant), la variation
d’excitation est réalisée par déphasage du champ rotorique par rapport au champ statorique.
d. Essais à vide
Le moteur étant à vide, son couple est nul. Le variateur possède une consigne de couple
élevée car l’ensemble est configuré pour démarrer un moteur thermique (Le moteur peut
fournir un couple de 32N.m à 50trs/min). Le moteur va ainsi accélérer jusqu’à ce que les
couples résistants (frottements, pertes dues au ventilateur…) s’équilibrent avec le couple
moteur. C’est pour cette raison que nous obtenons des vitesses de rotation très élevées et des
forts courants (8000tr/min).
Le variateur réalise une commande vectorielle. Un capteur est monté sur l’arbre pour
renvoyer la position du rotor au circuit de commande.
La position du capteur permet de limiter le courant demandé par le moteur ce qui nous a
permis de déterminer quelle position limitait le courant sans influencer la vitesse de rotation.
(cf annexe capteur)
e. Essais en charge
Pour les essais en charge, nous avons maintenant accouplé le moteur Valeo avec une MCC
débitant dans un banc de résistances. Voici le câblage réalisé lors de cet essai :
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V1
MS 3~
Onduleur
Alim CC
Ordre de démarrage
V2
MCC
Mesure de courant
via un shunt
Stroboscope
Afin de trouver l’optimum de fonctionnement de notre système (meilleur rendement), nous
avons fait varier la tension d’alimentation du moteur en gardant la position optimale du
capteur trouvée lors de l’essai à vide.
Ensuite (en gardant toujours la même position du capteur), nous avons augmenté
progressivement la charge.
Pour chiffrer le rendement de notre ensemble alterno-démarreur, il faut considérer la
puissance dissipée dans le shunt et évaluer le rendement global de l’association
MCC+courroie.

Puissance dissipée dans le shunt.
Nous avons utilisé un shunt 0,1V – 100A dont la résistance vaut 1m. Connaissant le courant
qui passe dans le shunt, on calcule la puissance dissipée dans chaque cas.
Charge ()
40
30
20
17
13

I1(A)
154
159
170
170
177
Pshunt(W)
24
25
29
29
31
Rendements.
Le rendement de la MCC et celui de la courroie de transmission sont évalués respectivement à
65% et à 95%.
Ceci nous permet de dresser le tableau suivant :
Charge ()
40
30
20
17
13
Palim(W) Pshunt(W)
1000
1033
1105
1105
1150
24
25
29
29
31
Pentrée variateur
(W)
976
1012
1076
1076
1119
Psortie MS (W) Psortie MCC (W)
168
214
227
251
280
104
132
140
155
173
stars 128 (%)
17
21
21
23
25
14
Rendement = f(Pu machine synchrone)
30
Rendement (%)
25
20
15
10
5
0
150
170
190
210
230
250
270
290
Pu machine synchrone (W)
Le rendement du système Stars 128 n’est pas très élevé du fait du type de commande utilisé
(champ rotorique constant : voir V.1.c).
Lorsque l’on augmente la charge au-delà d’une puissance équivalente à 280W sur l’arbre du
moteur synchrone, le système démarre mais s’arrête durant la phase d’accélération. Nous
n’avons pas encore été en mesure d’avoir des informations sur les raisons de cet arrêt.
15
VI Bilan technique
Grâce aux différents essais que nous avons réalisés, nous pouvons conclure quant à
l’utilisation du système Stars 128 dans le domaine de la propulsion navale.

Le moteur :
Le moteur étant d’une puissance voisine de 2kW, il pourrait être utilisé pour notre application.
Par contre, le stator est ouvert (lors du démarrage d’un moteur thermique le démarreur
travaille en surcharge). Pour l’utiliser dans un bateau, il faudrait rendre le moteur étanche ou
le placer dans un caisson étanche au fond de la coque.

Le variateur :
Le variateur est configuré pour faire fonctionner le moteur en mode démarreur. C’est à dire,
pour faire fournir au moteur un maximum de couple en un temps très court. Le variateur
commande le moteur en mode « pleine onde » avec le flux rotorique constant. L’excitation de
la machine varie lorsque ce flux rotorique est déphasé par rapport au flux statorique. Du fait
de ce type de commande le rendement ne peut être bon qu’à un point de fonctionnement bien
précis. Ce type de commande n’est pas réellement adapté à notre application, puisque nous
désirons avoir un rendement le meilleur possible (du fait de l’alimentation par batterie) et une
vitesse variable (ou du moins ajustable).
Pour résoudre certains de ces problèmes, nous pourrions envisager de trouver ou bien de
réaliser nous même un circuit permettant d’alimenter le rotor par un courant variable. Ceci
nous permettrait d’ajuster la vitesse en réduisant le courant rotorique et non en déphasant le
flux qu’il crée. Le rendement s’en trouverait donc amélioré.
Le système Stars 128 a été créé pour fonctionner en alterno-démarreur, il n’est donc pas
vraiment adapté à l’utilisation de propulsion navale. La solution pouvant être envisagée est de
concevoir un nouveau variateur permettant la variation de vitesse et le défluxage du moteur.
De plus, l’entreprise Valéo développe actuellement un prototype (baptisé « MARS ») qui sera
utilisé dans les véhicules hybrides (moteur thermique + moteur électrique). Il s’agit d’une
machine synchrone fonctionnant sous 42V et pouvant être utilisée en moteur à vitesse
variable. Cette machine aura une puissance voisine de 8kW et pourra, le cas échéant, être
mieux adaptée à la propulsion navale.
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