INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES SOISSONS : 03 23 76 40 10 : 03 23 76 40 15 [email protected] 1 SOMMAIRE : 1. Introduction Page 3 2. Etude de la charge et décharge des batteries li po fer 90 A.H Page 3 3. Equilibreur Page 3 à 13 4. Essais sur LiPo-Fer 90A Page 14 5. Autres Réalisations Page 15 6. Conclusion Page 16 2 1. Introduction Dans un système, nous avons besoin de différentes tension donc les éléments de l’accumulateur seront déchargés différemment. Mais lors de la charge de l’accumulateur en série, dés qu’un élément atteint sa tension de seuil, le courant diminue pour que cette tension ne soit jamais dépassée. Ce courant série atteint 0A, alors que d’autre éléments aura une décharge plus profonde n’ont pas atteint la tension de seuil. Un déséquilibre du taux de charge sera provoqué ce qui est préjudiciable, car l’autonomie dépendra de l’élément le moins chargé. De plus, Chaque élément réagit légèrement différemment (du à leurs résistance interne) ce qui provoque en charge des tensions différentes par éléments. Nous avons des accumulateurs de 10 A.H 12 éléments, 20 A.H 18 éléments et 90 A.H 22 élément en technologie li-po et li-po fer. Nous avons des chargeurs paramétrable jusqu’à 30 A de charge en série. Pour rééquilibrer chaque élément, il faut un chargeur par élément ce qui couterait relativement cher, car les éléments étant reliés entre eux, il faut des masses différentes et une régulation autonome. Mais il est possible d’utiliser des chargeurs de 1/10 de la capacité énergétique car l’on n’est pas pressé par le temps lors d’un rééquilibrage. En effet, il n’y a que 1 à 5 A.H de différence en générale. Nous allons voir dans un premier temps comment réagit les batteries li-po fer, avec un équilibrage de 0.5A. Puis nous allons voir les 2 solutions pour rééquilibrer les batteries. Enfin, nous verrons la réalisation et la modification et test de notre équilibreur. 2. Etude de la charge et décharge des batteries lipo fer 90 A.H Depuis 2009, nous utilisons des batteries li-po et li-ion sur nos vélos électrique avec chargeur utilisant les BMS. Nous avons appris plusieurs choses : - Il ne faut pas décharger à 100% les batteries sinon la batterie se met en court circuit. - La tension peut être utilisée pour déterminer la capacité énergétique de la batterie. Il y a très peu de perte dans la batterie donc l’énergie de la charge est identique à l’énergie de la décharge. - Certains éléments ne sont pas entièrement détruits, et ont la moitié de la capacité énergétique prévue. Dans ce cas la résistance interne de l’élément a fortement augmenté est atteint très vite la tension de seuil de l’élément. - La résistance interne en décharge est bien plus grande que celle de la charge. La chute de tension de l’élément due à la résistance interne n’est pas négligeable. - Sur les li-ion (qui ont une tension de seuil de 4.1V), on peut les charger à 4,2V sans dommage à 1C. Mais l’énergie entre 4.1V et 4.2V est une perte. Par contre 3 touts les éléments sont rechargés à 100%. De même pour les li-po fer qui ont une tension de seuil de 3.6V, on peut les charger jusqu’à 4.1V sans dommage pour la batterie. Sur le kart nous disposons de 22 éléments de batteries de 90A.H Thundersky qui sont séparés en 3 groupes, 2 de 9 éléments et 1 de 4 éléments. Nous disposons d’un chargeur paramétrable 30A maximum pour charger nos accumulateurs. Nous lui paramétrons un courant de charge de 25A par exemple puis dés qu’un élément atteint sa tension de seuil, le courant de charge diminue afin d’éviter que cet élément dépasse ce seuil qui peut engendrer sa destruction. 4 Divers test de charge avec notre chargeur : 1. Charge de 9 éléments à 25A Courant 25A Tension accumulateur Tension 9 éléments Capacité énergétique en A.H 2. Tension des 9 éléments après la charge Tension accumulateur Tension 9 éléments 3. Des que la tension de seuil d’un élément est atteint le courant diminue pour que cette tension ne soit jamais dépassée. Etant donné qu’il y a toujours des dissymétries de charge et de capacité énergétique alors la tension de chaque élément diminue de façon différente. Lors de l’arrêt de la charge, la tension de chaque élément ne reste pas constante à leurs valeurs. Elle diminue pour atteindre 3,35V. Par conséquent, on ne peut pas se fier à la tension pour savoir si l’élément est bien chargé. Charge lorsque l’accu est déjà à 100% Après avoir chargé à 100% l’accu puis une attente d’une heure, on recharge la batterie à 25A. Dans ce cas, la tension des éléments atteint très rapidement la tension de seuil est le courant de charge décroit rapidement. 5 4. Équilibrage lorsqu’un élément est déjà à 100% Diminution de la tension de l’élément Oscillation de courant 5. Si on charge avec l’équilibreur du chargeur la régulation de courant oscille, car la tension de l’élément qui a atteint 3.6V a tendance à diminuer à 3,4V. Donc, le courant oscille de 1 à 4A en fonction de la diminution de la tension. Remarque : il y a un equilibrage du chargeur pour les lipo à 0.5A. Cela marche relativement car la tension des elements ne diminu pas. Recharge de 9 éléments à 25A Après avoir déchargés un peu les batteries en faisant tourner le kart, nous les rechargeons. Nous voyons qu’il y a des différences de tension pour chaque élément plus particulièrement l’élément 4 qui est plus faible par rapport aux autres. Courant 25A Élément 4 Chaque élément a un temps de charge différent, dût aux résistances internes qui sont légèrement différentes. Par conséquent, il faut rééquilibrer de temps en temps chaque élément de façon séparée ce qui permet de remettre tous les éléments à la même tension et donc d’augmenter l’autonomie. Mais quelle est la tension de seuil des batteries Thundersky ? Car normalement les lipo fer ont une tension de Seuil de 3,6V et les différentes documentations Thundersky indiquent toutes 4,2V. 6 Donc si on prend une tension de seuil de 3.6V notre l’élément Thundersky de 90A.H ne serait chargé que à 60%. C’est pour cela que l’on peut augmenter la tension de seuil afin de le charger entièrement sans dépasser sa tension limite de 4.25V donné dans la documentation constructeur. Divers test de décharge avec notre chargeur : Pour vérifier la capacité énergétique, on va décharger les batteries jusqu’à 2.5V (tension minimale de décharge) pour savoir quelle est la capacité énergétique des batteries après les avoir chargés à 3.6V : Décharge à 20A ARRET de décharge 0.4V Décharge à 75A Grâce à cette courbe, où nous déchargeons 4 éléments s, nous pouvons déterminer la résistance interne des éléments de batteries. La chute de tension entre la décharge de 20A et 75 A est de 13.1-12.7=0.4V. Donc la résistance interne est de 0.4/55=7.5mΩ pour 4 éléments, soit 2 mΩ/élément. Calcul de la capacité énergétique : 20𝐴 × 0.5(30𝑚𝑖𝑛) + 75𝐴 ∗ 1(1ℎ𝑒𝑢𝑟𝑒) = 85𝐴. 𝐻 Donc une puissance moyenne de décharge de : 85𝐴. 𝐻 × 13𝑉(4𝑆) = 1100𝑊. 𝐻 7 Notre capacité énergétique est de environ 85A.H proche de nos 90 A.H, sachant que nous avons déchargés nos éléments jusqu’à 2.8V tandis que d’après la documentation constructrice de Thundersky, la tension limite de décharge est de 2.5V. Lors d’une décharge de 3C (3 fois le courant nominal), la chute de tension pour 18S sera 3 × 90𝐴 × 18𝑆 × 2. 10−3 Ω = 9.7 V ce qui est non négligeable. On peut remarquer que dés que l’on arrête la décharge, la tension remonte à 3.1V par cellule. Après avoir étudié nos batteries et notre point faible de notre chargeur. Nous allons réaliser un système pour résoudre ce problème de chargeur d’accumulateurs, nous allons donc effectuer un chargeur équilibreur élément/élément. Pour cela plusieurs solutions sont possibles : 1ére solution : Charge d’une batterie constituée de plusieurs éléments simultanément donc générateur fournissant une tension égale à la somme des tensions des éléments à charger, lorsqu’un élément arrive à la tension de seuil, on arrête de le charger tout en continuant de charger les autre éléments n’ayant pas encore atteint leur tension de seuil. Pour cela on utilise un dispositif qui permet de commuter le circuit de l’élément complètement, un microcontrôleur mesure en permanence la tension aux bornes de chaque éléments ainsi lors d’une détection de tension de seuil, ce circuit est commuté par un interrupteur géré par le µC dans une résistance, ce qui permet ainsi de continuer la charge des autres éléments. 2éme solution : Utilisation d’alimentation de PC flyback isolé o 5V - 20% -> 4V. o 3.3V +20% -> 4V. Ces alimentations de 5A à 10A ne coutent queue 10euros donc multiplié par 1 élément, cela revient aux prix honnête. Notre objectif est queue cet équilibreur puisse être utilisé sur la technologie Lipo-fer (tension de seuil : 3.7V) et Lipo (4.2V). 3. Equilibreur Après avoir vu ce que pouvais provoquer une inégalité entre chaque élément de batterie, et les différentes solutions pour y remédier. Nous allons passer à la réalisation de cet équilibreur. 8 1ére solution : 2éme solution : Maintenant, nous allons utiliser 4 alimentations à découpage flyback isolée de PC 220VAC => 5VDC/10A qui a une limitation de courant. On a réglé la tenson de sortie à 3.9V. Il faut vérifier que l’alimentation est bien régulée en courant et qu’elle peut fonctionner continuellement avec le courant maximum. Il faut changer le potentiomètre de réglage de la variation de tension pour obtenir ainsi notre tension de seuil. Vue démontée d’une alimentation Flyback isolée de PC Potentiomètre permettant de faire varier la plage de tension 9 Alimentation régulée 10A Alimentation régulée 5A 1kΩ 4.5V à 5.5V 1kΩ 3.86V à 6V 4.7kΩ 3.86V à 6.3V 2kΩ 3.67V à 6.5V Par raison de protection, nous utiliserons la solution qui utilise des alimentations de PC pas cher. 3.1 Devis Alimentation PC 220V/ (5V+5%/10A) électronique diffusion 25 € Alimentation PC 220V/ (5V+20%/5A) e-bay 10 € connecteur 5 à 12 fils 12 Ampères Fournisseur Farnell Plus 10 € environ de fil électrique pour réaliser la liaison entre tous ces dispositifs. Ce qui nous fait un total d’environ 100 € pour 8 alimentations de PC. Nous pouvons maintenant simuler cette solution sous Isis pour vérifier son fonctionnement. 10 3.2 Test sous Isis Le courant équilibrage pour un seul élément correspond à l'équation suivante: 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡3 = 𝑈𝑎𝑙𝑖𝑚3 − 𝑈𝑏𝑎𝑡𝑡3 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑒 𝑏𝑎𝑡𝑡 + 𝑅𝑓𝑖𝑙 + 𝑅𝑓𝑢𝑠𝑒 La tension de chaque alimentation correspond à la tension de seuil des batteries, ce qui permet de ne jamais dépasser la tension de seuil fatidique des éléments mais le courant de charge est faible surtout si la résistance interne de la batterie est élevée. Nous allons faire différents test sous Isis pour illustrer ce principe : 1er cas : batteries tous déchargées (3.3V) Nous pouvons voir que les batteries sont rechargées avec des courants de charge important. Dans ce cas le temps de charge serait rapide. Il n'est pas possible avec une pince ampéremétrique de mesurer le courant de chaque élément à cause des barres de liaison. Par contre, il est facile de mesurer le courant dans les fils (IF). Mais le courant ne correspond au courant dans les batteries. Pour connaitre le courant dans les batteries, il faut faire les calculs suivants : IBatt3 = IF3 IBatt2 = IF2 + IBatt3 = IF2 + IF3 IBatt1 = IBatt2 + IF1 = IF2 + IF3 + IF1 IBatt0 = IBatt1 + IF0 = IF2 + IF3 + IF1 + IF0 11 2éme cas: un élément totalement chargé (3.8 V), un déchargé (3.3 V), et 2 autres faiblement déchargés (3.55 V) Dans ce cas, nous voyons que le courant de charge de la batterie chargée à fortement diminuer pour atteindre 0.25 A, sans pour autant que sa tension de seuil de 3.8 V dépasse. Malgré cette réduction du courant dut à la batterie B0 chargé, les batteries B1 et B3 se chargent avec un courant de 2.8 A > 0.25 A. et surtout la batterie B2 qui est fortement déchargée reste avec un courant de charge important (aux alentours 5A). Un chargeur traditionnelle vendu dans le commerce qui est composé d’une seule alimentation globale contrairement a nous qui dispose d’une alimentation par éléments aurait imposé dans ce cas un courant de charge pour tous les éléments de 0.25 A dut a la batterie B0, les autres batteries mettraient mis donc un temps de charge important à cause du faible courant de charge. Ce courant est limité pour éviter de dépasser la tension de seuil de la batterie B0. 3éme cas: un élément totalement chargé, les 3 autres faiblement déchargés (3,5V) 12 Nous pouvons voir que B2 reste chargée avec un courant faible pour éviter qu’elle dépasse sa tension de seuil mais qu’il n’influence pas les autres batteries qui sont faiblement déchargée. Vue que leurs courants de charge est au alentour de 2 A. Pour conclure, il est possible de mettre Ualim à 5V pour avoir plus de courant, ce qui provoquera un équilibrage plus rapide mais il faudra arrêter la charge des que l'on atteint la tension de seuil de l'élément. Nous prendrons donc Ualim à 3.8V pour éviter de dépasser la tension de seuil des éléments de batterie mais en faisant ce choix, nous rallongeons le temps de charge. En faisant ce choix, nous avons aucun risque de détériorer les batteries. Cependant il faut faire attention, la tension des batteries Li-Po-Fer redescendra à 3.3V en quelques minutes après avoir été déconnecté de la charge donc il faudra interdire la charge après un équilibrage. Étant donné que c'est dangereux pour les éléments qui seront détruit, on préfère mettre la tension Ualim à 3.8V. Maintenant que nous avons finis nos tests sous Isis, nous pouvons passer à la réalisation de l’équilibreur. 3.3 Réalisation Après divers câblages et les soudures du nouveau potentiomètre, nous obtenons cet ensemble: Chargeurs 10A Chargeurs 5A Connecteurs Batterie Lipo-Fer 90 A.H 13 4. Essais sur LiPo-Fer 90A-h Maintenant que nous avons réalisé notre équilibreur, nous allons pouvoir le tester en pratique. Dans ce cas de rééquilibrage, nous avons nos éléments déchargés à des seuils différents. Nous pouvons aussi vérifier quand augmentant la tension d’alimentation, le courant augmente aussi. Elément 1 Elément 2 Elément 3 Charge 0.5 A 3A 3A Arrêt Elément 4 1A Charge 1 A On peut voir que lorsqu’on augmente la tension d’alimentation sur l’élément 3 en rouge, alors le courant augmente mais, il y a une augmentation des tensions sur les autres éléments qui est du aux résistances des fils 1.5 mm² et au fusible qui ne sont pas négligeable 44 mΩ. Mais, on peut voir aussi que l’élément 1 va quand même s’équilibrer correctement malgré un faible courant de charge cela prendra certes plus de temps. Apres 2 jours, on recharge avec notre équilibreur : Charge Arrêt On peut observer que la tension des éléments augmente très rapidement à 3.7V. Donc que nos éléments sont bien équilibrés 14 5. Autres réalisations Sur les VTT électriques : Changement des rayons sur le VTT 1500W Changement du pédalier sur le VTT 500W Installation du kit de motorisation électrique 800W sur un vélo Changement d’éléments de batterie défectueux sur des batteries de 5A.H Création d’un pack d’éléments de batteries de 8A.H, 18 elements Divers test sur les éléments de batterie Divers test sur la consommation énergétique Sur le Kart électrique : Changement des fils d’équilibrage Installation de 2 turbines permettant de refroidir les moteurs Installation d’un capteur permettant de relever l’évolution de la vitesse Divers test sur les éléments de batterie Réalisation de connecteurs JST Câblage d’un double chargeur 30A Sur le Vélo couché électrique : Installation du kit de motorisation électrique 2880W Création d’un pack d’éléments de batteries de 20A.H, 18 elements Divers test sur la consommation énergétique Participation : Au G10, course cyclotouriste de 75 km aux alentours de Soissons le 01/10/11 Au salon du cyclisme à Paris le 17/10/2011 A l’achat et essai du vélo couché à Roule-Couché dans Meaux le 24/10/2011 Divers test de fonctionnement du kart au circuit de bucy-le-long A l’achat et essai du tricycle en Belgique le 06/03/2012 Course cyclotouriste de 50 km aux alentours de Meaux le 18/03/2012 15 6. Conclusion Nous avons du réaliser un câblage d’un équilibreur de batterie Li-Po 90A.H avec des alimentations de PC 5V/10A et 5 A à 10 Euros et le tester. Le temps de rééquilibrage est un peu long. Mais il est possible de le faire tourner toute la nuit, pour pourvoir recharger et à la fois rééquilibrer ces batteries sans avoir besoin de surveiller les différents seuils de tension de batteries. Nous avons dût tirer des fils de chaque éléments et ajouter un fusible pour des raisons de sécurité. Il a fallut trouver un connecteur qui puisse supporter 10 A. Puis réaliser le circuit imprimé par connectique JST avec des fils qui permet de lire les tensions de seuil des batteries et le câblage de puissance de l’équilibreur. Ce projet, nous a permis d'avoir une approche plus pratique et concrète de l'électrotechnique et électronique. - De comprendre les dernieres technologies de batteries et de moteurs de velo - De comprendre les mouvements acceleres et de pouvoir ce que represente 300 W musculairement. - Parametrage de variateur Nous tenons à remercier Mr Sivert pour l'aide qu'il nous a apporté. Perspective et ce qu’il reste à faire Challenge de Vierzon du 24 au 27 Mai 2012 PARIS-ROUBAIX en Cyclotourisme 120 km, le 10 juin 2012 Realisation de mon propre velo electrique De modifier les transistors et diode de puissance sur un variateur pour qu’il puisse supporter 96V. 16 17