Dossier et schéma electric karting moteur DC

UNIVERSITE DE PICARDIE JULES VERNE
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]
B+
B+
1
3
2
2
2
J3
J4
2
1
3
1
1
1
2
2
1
1
1
2
M
M1
1
2
14
1
A
2
M2
M1
km4
sw200
13
J1
M
2
M2
1
3
2
J2
J5
2
3
3
A1
1
KM4
Bvariateur 1
A2
B-
variateur
2
1
Pour avoir plus de puissance et concourir contre les kartings thermiques de compétition (40CV=30 kW), 2
moteurs à courant continu de 48V, 215A, 8.5 kW en nominal seront utilisés. Il est possible de monter en
tension 72V pour avoir plus de puissance et de vitesse. Mais attention, car il y a aura une diminution de
l’autonomie, donc il faudra mettre plus de batterie.
Il n’est pas si simple de commander les 2 moteurs en même temps. Donc, nous allons étudier les différentes
possibilités ainsi que les solutions que nous avons retenues.
1.
Etude du moteur Lynch LEM 200 127_48V.
Nous avons choisi le moteur Lynch 127, le plus puissant qui existe sur le marché. Nous avons réussi à les
avoir d’occasion avec 50% de réduction donc à 600 Euros l’unité. Le moteur pèse 11Kg.
1.
Données fourni par le constructeur du mteur lynch
Pour diminuer le courant demandé aux batteries, on aurait pu prendre 6 batteries de 12V=72V et choisir un
moteur D127 pour avoir encore plus de puissance. Mais, on alourdi fortement le karting si on prend des
batteries au plomb, par contre cette tension est approprié pour des batteries li-on ou li-po.
De plus, il faudra 6 chargeurs pour les 6 batteries.
Les courbes relatives suivante donnent la puissance, la vitesse, le courant et le rendement du moteur en
fonction de la couple résistant mécanique utile sachant que la puissance max = 26 KW , la vitesse max = 329
rad/s=3049 tr/mn pour une tension de 48V. Le rendement maximal est pour 15 N.m, avec
une valeur de 88 %.
Nn= 2700 tr/mn
Crηmax
N.M
Pm ( Cr)
Pm ( CrPmMax ) 0.8
w ( Cr)
U
K
−R⋅
I( Cr)
Crv
In=188 A
0.6
2
K
0.4
Pn =9 kW
300
η ( Cr)
0.2
0
Cn=28 N.M
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Cr
On peut observer que le rendement est correcte à partit du couple résistant supérieur à 5 N.m.
Si on trace ces courbes à partir du couple de démarrage, la courbe est la suivante :
2
Crηmax
CrPmMax
Pm ( Cr)
Pm ( CrPmMax ) 0.8
w ( Cr)
U
K
−R⋅
I( Cr)
Crv
0.6
2
K
0.4
Imax
η ( Cr)
0.2
0
Cn=28 N.M
0
50
Cdemarage=350 N.M
100
150
200
250
300
350
Cr
Regime
transitoire
Régime établi
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.
Le galet de transmission est choisi de 80. C’est la valeur maximale que l’on peut mettre sinon le galet touche
le sol. Cette valeur permet de choisir un grand nombre de galet moteur.
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 :
Imax
réduction
Inertie kg.m2 Vmax (km/h)
t(s) Vmax
t(s) 50m
I (A) R.E
600
60/80
3.2
107
4.9s
x
X
600
48/80
1.5
73
1.3
3.6
x
600
24/80
0.37
36
0.58
5.18
20*2
300
60/80
3.2
107
X
300
48/80
1.5
73
4.7
4.8
x
300
24/80
0.37
36
1.17
5,4
20*2
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 :
1

3

(Couple moteur − Couple ch arg e ) 
Re ducteur = Dis tan ce ⋅

2⋅π 2

N2 ⋅ (
) ⋅ Rayon roue 3 ⋅ 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.
3
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).
2.
Etude de la répartition des masses
Il faut savoir que le châssis d’un karting se déforme et que la
roue arrière en pivot se soulève légèrement (voir
complètement) et minimise le frottement. Pour s’en
convaincre, avec 4 balances posées sur chaque roue, on a
mesuré les forces sur chaque roue comme sur la figure
suivante.
La répartition des masses est de 60% à l'arrière et 40% à
l'avant, dixit les fabricants et les pilotes de Kart thermique.
Mais on ne sait pas si c'est avec ou sans le pilote...
2.
Karting de Tour en train de
se faire peser avec 4 balances
mécaniques
Nos mesures sont :
Karting 2 moteurs 172 à 188 kg sans pilote
Direction volant Roue AV Gauche
Tout droit
38 ou 34
droite
0
gauche
75
Roue AV droite
38 ou 34
66
0
Roue AR Gauche
47 ou 60
80
22
Karting bi moteurs 188 kg avec pilote de 80 kg 188+80=268
Direction volant Roue AV Gauche
Roue AV droite
Roue AR Gauche
Tout droit
52
52
82
droite
29
80
90
gauche
80
29
69
268/2=134 134*0,4=53kg 134*0,6=80kg il y a 40% à l’avant et 60% sur l’arrière
Roue AR droite
47 ou 60
26
83
Roue AR droite
82
69
90
Karting moteurs asynchrone 197 kg sans pilote de
Direction volant Roue AV Gauche
Roue AV droite
Roue AR Gauche
Roue AR droite
Tout droit
42
42
42
71
droite
18
70
84
29
gauche
80
12
79
12
On peut voir qu’il y a une dissymétrie de poids de l’arrière, car le moteur est à droite.
4
3.
Etude de l’accouplement des 2 moteurs
Avec l’accouplement différentiel (les 2 roues arrière sont indépendantes) donc, il y aura moins de
frottement, lorsque le vehicule tourne.
L’accouplement des deux moteurs sur le même arbre moteur est le plus simple à réaliser, avec l’addition des
couples comme sur un vélo tandem, ou sur un velo électrique (force musculaire et force électrique). Donc
nous avons retenus cette dernière solution.
De nombreux variateurs existent sur le marché, nous allons choisir un type.
4.
Choix du variateur
Il n’y a pas de variateur sur le marché pour commander les deux moteurs à la fois. Les différents
constructeurs sont :
- Alltrax,
- Curtis nous connaissons mal se produit,
- SEVCON, il nous subventionne un variateur sur les 2. De plus, nous avons déjà le doongle du variateur
Millipak. Les variateurs Powerpak sont plus puissants mais le doongle est différent. Par conséquent, nous
avons choisi d’utiliser le millipak.
Les caractéristiques du vario millipak 4 quadrants (hacheur en pont) sont :
120 A en nominal, 300A pendant une minute, sous 48V (marche avant et arrière et freinage)
Donc, ce variateur n’est pas trop adapté aux moteurs choisi qui demandent 200 A en nominal, 400A pendant
10 minute.
Par contre, le millipak est aussi vendu avec un seul quadrant (hacheur abaisseur), ces caractéristiques sont :
300 A en nominal, 600A pendant une minute, sous 48V, (marche avant seulement)
Pourtant la marche arrière est bien pratique (après une erreur de pilotage, pour garer le kart…).
Par conséquent, il y a deux solutions pour garder la marche arrière.
- Il est possible de mettre un millipak 4 quadrants sur un moteur et un millpak 1 seul quadrant sur
l’autre moteur
- il est possible d’utiliser un contacteur inverseur SW202 de chez albright (190Euos double inverseur
unipolaire qui peut supporter 400A en nominal). Ce contacteur permet d’inverser la tension aux
bornes d’un seul des 2 moteurs vu le prix. D’ailleurs, Il n’y a pas besoin de beaucoup de puissance
lors de la marche arrière.
Nous allons détailler ces 2 solutions
5
3.1 commande avec variateur 1Q et 4 Q
Pour avoir la marche arrière, Il est possible de mettre un millipak 4 quadrants sur un moteur et un millpak 1
seul quadrant sur l’autre moteur pour le même arbre de transmission. En effet, ces deux varios sont asservis
en couple.
Le millipak 4Q permettra de commander le moteur M2 dans les 2 sens de rotations alors que le millipak 1Q
ne faire que le sens anti horaire.
Lorsque le moteur M2 est en sens horaire, il faut absolument déconnecte le moteur M1 par l’intermédiaire
de KM4 sinon la diode de récupération d’énergie du millipak 1Q sera détruite.
B+
B+
1
3
2
2
2
J3
J4
2
1
3
1
1
1
2
2
1
1
1
2
M
M1
1
2
14
1
A
2
M2
M1
km4
sw200
13
M
2
M2
J1
1
3
2
J2
J5
2
3
3
A1
1
KM4
B-
A2
B-
variateur 2
variateur 1
3.
Fig. commande des moteurs avec variateur 1 Q et 4Q
Cette solution est simple et il n’y a pas besoin de contacteur inverseur. Mais, le vario à 1Q peut fournir 600A
et l’autre 300A. Donc, il y a une perte de couple important au démarrage. Nous avons donc privilégié la
deuxième solution.
Nous allons voir la deuxième solution et son câblage
6
3.2 Commande avec 2 varios à 1Q et 1 contacteur inverseur.
Etant donné que les 2 varios ne peuvent entrainer les deux moteurs que dans un seul sens. Un contacteur
double inverseur est utilisé. Ce contacteur permet d’inverser la tension aux bornes d’un seul des 2 moteurs
vu le prix de ce double contacteur. Il faudra ouvrir le circuit de l’autre moteur pou ne pas détruire la diode
de roue libre.
48B
2
2
1
1
400A
S5
1
48V
2
5A
Valeur
1
securite
frein meca
1
2
3
4
13
10
11
12
B1
2
2
1
4
3 SW202
400A
2
KM1
M
4
KM2
Moteur Lynch
2
5
6
7 seat switch
8
9
1
3
1
B+
14
A
Forward
48V
A1
Millipak
pump
KM1
A2
B15
A1
KM2
A2
4
3
2
1
Reverse
1
B2
2
2
48B
5A
1
Valeur
2
5A
1
1
12V
B4
2
A1
K1
A2
Potentiomètre accélération
1
1
1
13
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
2
5A
1
400A
B+
1
B3
2
1
2
24V
2
Moteur Lynch
2
KM4
14
1
48V/200A
400A pendant 10 minute
2
A
24V
12 Millipak
pump
3
M
A1
KM4
A2
Reverse
B15
12
11
switch 6
14
Fast switch
1
12V
M
GEII CUFFIES
2
K1
Moteur ventillateur
4.
Fig. commande des moteurs avec inversion de sens de rotation par contacteur
double inverseur KM1 et KM2 SW202
Lorsque KM2 est fermé lors de la marche arrière, il faudra que KM4 soit ouvert. KM4 est donc un contact
normalement fermé. Il faudrait un verrouillage mécanique entre KM2 et KM4 mais il n’y a pas ce genre de
contacteur sur le marché.
7
5.
Schéma de câblage avec 2 varios à un seul quadrant (1Q)
Le vario SEVCON a l’avantage d’intégrer de nombreuses sécurité sur le vehicule (switch sur la pédale
d’accélération, switch siège, …).
La programmation du millipak pump (pour réaliser du levage) est complètement différente du millipak
traction. En effet, ils n’ont pas du tout le même objectif.
Nous avons choisis la configuration 6
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 48V 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 de perdre beaucoup d’énergie dans le disque
de frein. le contact de frein NC sera place sur l’entrée « Seat siege ». 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
5. Sevcontrol SEVCON pour la pédale
d’accélération
8
Si le fil de tension de la pédale d’accélération
est coupé, est ce que le véhicule par tout seul ?
Etant donné qu’il faut 3.5V pour que le vario ne
tourne pas, la question précédente est
pertinente.
La réponse : Le moteur ne tourne pas car s’il n’y
a pas de potentiomètre la tension est de 9V. De
plus, le vario ne se met pas en défaut. Donc, il
est possible d’ouvrir le circuit de la pédale
d’accélération pour arrêté le moteur en cas de
sécurité.
6.
6.
Sevcontrol SEVCON pour la pédale
d’accélération
Programmation du vario
La programmation 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.
9
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 • α 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.ω=E2
7.
Schéma équivalent elec des 2
moteurs montés sur le même arbre de
transmission
Lorsque la pédale d’accélération est à 100 % , donc α1 et α2 =1 alors I1=I2= IT/2.
Pendant, les rampes d’accélérations, s’il y a des différences entre α1 et α2, 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.
10
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.
- Réglage des balais du moteurs lynch
2) Réglages des balais du moteur lynch ou AGNI
Il y a 4 petites vis qui permettent de régler les balais par rapport au rotor. Ce réglage joue la constante de la
force électromotrice de vitesse. Pour réaliser un bon réglage il faut :
• d'abord trouver « le point de neutre » du moteur.
Pour le trouver il faut brancher le moteur et le faire tourner à vide. En faisant tourner le porte balais,
il faut trouver le point où le courant consommé par le moteur est le plus faible. Puis, repairer le point
neutre en faisant une marque au stabilo ou feutre blanc sur le porte balais et le moteur. Il faut ensuite
faire tourner le porte balais de 2,5 à 3mm en sens inverse de rotation du rotor (marche avant). Serrer
les quatre vis du porte balais. Le réglage est bon si avec de brusques accélérations il n'y a pas
d'étincelle entre le porte balais et le collecteur.
Remarque : si on s’éloigne du point neutre la vitesse augmente et les étincelles au niveau des balais
augmentent.
Dans notre cas, il faut régler le porte balai pour que les 2 moteurs aient la même vitesse pour la
même tension. Dans ce cas, les deux moteurs travailleront de façon identique.
3) conclusions de la commande des deux moteurs
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.
11
7.
Schéma de câblage avec 2 varios à 1 Q et un contacteur inverseur
Le schéma de câblage est représenté sur la figure 3 mais, avec ce câblage, il faut commuter le contacteur
d’inversion de sens rotation à vitesse nulle. Nous allons donc remédier à ce problème dans cette partie.
Mais, tout d’abord, nous allons présenter le contacteur double inverseur de polarité.
Pour inverser le sens de rotation, du karting,
nous allons utiliser un contacteur qui permet
d’inverser la polarité aux bornes du moteur
grâce à deux bobines et 2 Contact (400A
pendant 450s) et comme on peut le voir sur la
figure suivante et sur le schéma de câblage (KM1
et KM2).
Ce contacteur chez Albright SW202 coute 190
Euros.
Si ce contacteur double bobine et double
contacte court circuit le moteur en inertie, il y a
une grand courant et un grand freinage qui est
préjudiciable. Donc, il faut couper alimentation
de ces 2 bobines seulement lorsque la vitesse est
nulle.
Vu le cout du contacteur SW202, lors de marche
arrière nous utiliserons un seul des deux
variateurs. Mais, il faudra couper l’alimentation
de l’autre moteur avec un contacteur SW180
(KM3).
Ces 3 contacteurs suivant seront commandés
par un commutateur (Forward, Neutre,
Reverse), le basculement de ce commutateur
devra attendre la vitesse nulle pour pouvoir
commuter les contacteur KM1 , kM2 et KM4.
8.
Fig. Câblage du contacteurSW202.
Il n’est pas possible de commander ces 3 contacteurs en logique câblé, il faut une logique séquentielle qui
correspond à l’algorithme de scrutation suivant :
Faire tout le temps
{
Lire l’état du commutateur (soit forward, soit neutre, soit reverse)
Si (neutre et etat ==neutre) alors KM1, KM2, KM4 les 3 contacteurs ne sont pas alimentés
Si (forward et etat ==neutre) alors KM1, KM2, KM4 seul kM1 est alimenté
Si (neutre et etat == forward) alors attendre vitesse nulle puis KM1, KM2, KM4 arret en roue libre
Si (reverse et etat ==neutre) alors KM1, KM3 puis au bout de 0,5s KM2
Si (neutre et etat ==reverse) alors attendre vitesse nulle puis KM1, KM2, KM4 arret en roue libre
}
Il n’est pas possible de passer de forward à reverse sans passer par le point neutre, donc que la vitesse soit
nulle. Mais admettons, nous inclurons ces 2 lignes supplémentaire dans le programme.
Si (forward et etat ==reverse) alors attendre vitesse nulle
Si (reverse et etat ==forward) alors attendre vitesse nulle
Par sécurité, on ajoutera une logique combinatoire sur KM2 correspondra à l’équation suivante :
KM2 sortie=KM4* KM1*KM2µC
12
9.
Fig schema de principe et typon de la marche arriere
Maintenant que cette partie est effectuée, nous allons voir les courbes tensions et courants des deux
moteurs ainsi que la puissance demandée pour connaitre la consommation énergétique. A partir de ces
courbes, on peut aussi en déduire les dynamiques du karting et si nos deux moteurs sont bien commandés.
13
8.
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 resultats pour un galet moteur de 40 dents et de
transmission de 80 dents.
50V
10A
10.
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 decelerations les deux tensions sont pratiquement identiques donc le coefficient de la force
electromotrice (speed constant) est bien identique pour les deux moteurs.
14
La vitesse pour 48V est de 3200 tr/mn au tachymètre, donc le coefficient de la force électromotrice est de
66 V/tr.mn-1. Or avec la figure 1, la constante de vitesse devrait être de 54 V/tr.mn-1. Or la constante de
vitesse par rapport à la constante de couple est égale à
kv = (
60
) =63 V/tr.mn-1 donc il y aurait une erreur dans le tableau constructeur pour cette
kc • 2 • π
constante.
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.
11.
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 • π Dent moteur
• 3.6
60 Dents transmission
(equ 2) rayon roue=0,125 m
Vitesse max théorique serait de 70 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.
15
Sur un tour de piste de Bucy (989 m de long, 7 m de large, 10 virages, 2 lignes droites de 100 et une ligne de
200m), on peut observer sur la figure suivante 4 tour de piste, la puissance demandés par les deux moteurs
et la consommation énergétique. On vérifie que les deux moteurs sont toujours bien commandés et on peut
en déduire l’autonomie du karting sur cette piste.
30s
1er tour
2em tour
3em tour
Fig. tension et courant du moteur droit et gauche en charge
Le meilleur temps du karting elect 2 moteurs est de 48 secondes pour faire un tour de piste à la place de 60
seconde pour le karting moteur asynchrone et 51 seconde pour des 390 cm3 de location, avec une vitesse
moyenne de 74 km/h. la consommation de ces 4 tours a été de 567 W.H ou de 11,8 A.H.
16
A partir des essais précédents en régime établi de vitesse, on peut définir la puissance consommée en
fonction de la vitesse. La vitesse peut être déterminée en fonction de la tension en attendant le capteur de
vitesse.
Pour limiter la vitesse, on peut limiter la tension pour les deux moteurs et mesurer en régime établi la
puissance consommée.
Il faut savoir qu’il ne faut pas décharger une batterie à 100% pour ne pas diminuer sa durée de vie, et
lorsqu’elle débite un courant très important sa capacité énergétique est à divisé par 2 donc à 25 A.H. si les
moteurs demandes 200A. Si on choisi une décharge maximale de 25 A.H alors l’autonomie du karting
correspondra à la dernière colonne
Voila les résultats pour une transmission de 40 dents moteurs et 80 en transmission:
U moteur
Vitesse max
I m gauche I m droit
Puissance
autonomie
48V à vide
12A
12 A
1152 W perdue X
48V en charge
100A
100A
9600W
0,125=7,5mn
36V
24V
Maintenant Pour connaitre la possibilité de fonctionnement du karting entre 2 manches, nous allons
étudier la consommation avec son temps de recharge.
Si nous faisons 4 tours de pistes (4 minutes) en mesurant la consommation avec la pince ampère métrique.
Puis, on recharge est on mesure le temps de charge à courant constant, puis à tension constante lorsque la
batterie demande jusqu’a 5 A.
Consommation pour 4 tours
Temps de charge à courant cst
Temps de charge à tension cst
Imax vario =400A 567W.H, 11,8 A.H Pour 40A t=7min C=4A.H
t=27min C=11A.H
Imax =400A
Pour 80A t=
Imax =200A
Pour 40A t=
Imax =200A
Pour 80A t=
Sur piste longue, La décharge par minute de fonctionnement est de 3A.H, donc au bout de 10 minutes le
karting est vidé. Si l’on charge à 40A, en 1 minute, les batteries rechargent 0,7A.H, donc il faudra 35 minutes
de charge à courant constant, plus 25 minutes de tension constante. Si l’on charge à 80A, il faudra 30
minutes pour recharger.
A cause de toutes les catégories, (Quadet, 100cc, 125 cc, 125 à boite, toutes catégories) il y a un intervalle de
temps de 1 à 2 heure entre chaque manche de 10 minutes. Donc, notre karting est crédible par rapport aux
courses de thermiques
En piste courte ou indoor, le karting consommera beaucoup moins, car la poulie motrice sera de 24 dents
pour privilégier l’accélération par rapport à la vitesse maximale. A la place de changer de poulie, Il aurait
été aussi possible de limiter tout simplement la vitesse max avec le vario pour consommer moins d’énergies.
On pourra faire la même étude précédente à Vierzon. Nous faisons 4 tours de pistes en mesurant la
consommation avec la pince ampère métrique. Puis, on mesure le temps de charge à courant constant, puis
à tension constante. Grace à cette étude, une stratégie pourra être mise en oeuvre pour la course
d’endurance
Consommation pour 4 tours
Temps de charge à courant cst
Temps de charge à tension cst
Imax vario =400A
? A.H
Pour 40A t=
Imax =400A
Pour 80A t=
Imax =200A
Pour 40A t=
Imax =200A
Pour 80A t=
Pour les courses de 10 minutes ou du meilleur temps au tour ou du 50 m, l’autonomie n’est pas un
problème. Par contre en endurance, il ne faudra pas trop consommé. Mais, le chargeur analogique à 80 A
que nous avons réalisé nous donnera un léger avantage, par rapport aux autres équipes qui ont acheté des
chargeurs Gys à 70A.
17
9.
Conclusions
Notre karting à 2 moteurs fonctionne très bien. Nous l’avons testé sur le circuit de Bucy le long qui a de
grande ligne droite. Donc, nous utilisons une poulie moteur de 44 dents (80 dents poulie de la roue) pour
atteindre une vitesse 75 km/h. Il n’est pas facile de faire des choix entre 2 moteurs ou 1 moteurs, un vario
ou 2 varios, 4 batteries ou 6 batteries, le choix des valeurs de poulie, le choix des technologie, 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.
Notre karting à 2 moteurs peut fournir une grosse puissance mais il consomme énormément.
Si on avait choisi 6 batteries au plomb avec 72V pour une puissance nominale de 9600W, le courant
demandé en pleine vitesse n’aurait pas été de 200A mais de 133A. L’autonomie théorique aurait été de
11,25 minutes à la place de 7,5 minutes. Mais notre karting aurait pesé 20 kg en plus.
Pour augmenter l’autonomie, il est possible de mettre des accumulateurs en parallèle avec une diode mais
cela sera une autre histoire.
De nombreux essais sont encore à réaliser mais notre objectif primaire, de faire un karting 2 moteurs pour le
challenge à Vierzon est atteint. De plus, on va participer à la course Clovis réaliser par la FFSA le 15 aout 2010
et rivaliser avec les kartings thermiques.
Mais, Il faut un certain temps pour piloter le karting à cause de son accélération importante.
Notre karting nous a couté 3815 euros au total et on avait un budget de 4000 euros. Il faut dire que l’on a
gagné 1815 euros surtout grâce à SEVCON qui nous a bien sponsorisé. Par comparaison, un karting 2 temps
de compétition vaut 8000 euros. De plus, Le cout de la consommation énergétique électrique est 15 fois plus
faible que l’essence. Voila les grandes lignes de notre budget :
Désignation
prix
2 moteurs d’occasions lynch 127
1200 euros à la place de 2400 neuf
1 variateur millipak pump 63V, 600A
550 euros, l’autre a été offert par SEVCON
4 batteries optima
700 euros
8 chargeurs unitaires analogiques 14V, 40A
400 euros
Pédale d’accélération
65 Euros offert par SEVCON
Chassis avec frein hydraulique Kelgate et jante
300 Euros
Petit matériel
500 euros
Cosses batteries isolées
100 euros
Pour la marche arrière, un contacteur double
180 euros offert
inverseur et un contacteur simple avec AU
100 euros récupéré sur chariot élévateur
Moteur série de pump ou de nacelle de 16 KW/63V
???
En recherche
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.
Perspectives, Il nous reste encore à faire au 13/05/2010
Problème mécanique
- Repose pied
- Bague de direction et nouvel axe des fusées pour améliorer le braquage.
- Vis ou équerre pour maintient de batterie
- Tige pour transpondeur
18
-
Support vari avec contacteur d’inversion
Support feux arrière
Support capteur de vitesse
En Electrique
Câblage inversion de sens de rotation
Feux arrière lampe puis led.
Mise au point de la marche arriere
Test de la consommation en fonction de la pression des pneus et du type de pneus
Nous avons déjà commencé la promotion de l’I.U.T de l’Aisne et de www.e-kart.fr par l’article suivant :
Journal l’union du 26 avril 2010
10. 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 (7 p) (2010)
[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)
19
[5] Châssis Karting à 2 moteurs,
Claudon, norman, sylvain (30p) (2010)
[51] Karting à 2 moteurs& 2 variateurs
Sivert, Claudon, Doussault (30p) (2010)
[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)
[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)
[13] Article magazine Elektor « Nos élèves ingénieurs et pilotes » A.Sivert et T.Lequeu (2 p) (juin 2010)
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