INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE DE L’AISNE DEPARTEMENT GENIE MECANIQUE DEPARTEMENT GENIE ELECTRIQUE ET INFORMATIQUE INDUSTRIELLE 13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES SOISSONS : 03 23 76 40 10 : 03 23 76 40 15 [email protected] 1 Introduction page Etudes du marché des batteries li po Etudes des super condensateurs sur un karting Etude du moteur DC 72V. Etude de la mesure interne de temperature du moteur Choix des variateurs Schéma de câblage avec 2 POWERpaks à un seul quadrant (1Q) Programmation des variateurs Etude de la charge et décharge d’un accu lipo fer Thunder sky Courbe électrique et Consommation énergétique du karting Conclusions Remerciements : - Remerciement à Toute l’équipe de l’Astech cartec-inno.com pour la fabuleuse organisation des challenges de karting et vélo Remerciement à Thierry Lequeu e-kart.fr sans qui le challenge de karting n’existerait pas et à son catalogue E-oxo pour fournir toutes les pièces que l’on a besoin. Remerciement à notre prof Arnaud Sivert qui nous manage et nous donne les directives pour réaliser prototype de karting avec des variateurs nouveaux, des batteries nouvelles, des chargeurs nouveaux… 2 1. Introduction Suite à la réalisation en 2010 d’un karting 2 moteurs (40CV=30 kW) à courant continu (48V, 215A, 8.5 kW nominal) et que nous avons réussi à aller aussi vite que les kartings thermiques (D’ailleurs, nous avons le record du tour dur le circuit national de Bucy-le-long) , notre point négatif est le châssis. En effet, nous avons un châssis lourd (180kg), et du à celui-ci nous avons juste un frein à l’arrière ce qui nous occasionne des problèmes lors des freinages. De plus notre autonomie est limiter à 10 minutes ce qui nous impose de nombreux et longs arrêt de recharge à 40A ou à 80 A aux stands. Pour y remédier, il faut gagner en légèreté avec un châssis de compétition et avoir des freins présent à l’avant. Ce châssis nous ferait gagner 40Kg. Aussi, une nouvelle technologie de batterie serait primordiale afin d’augmenter notre autonomie. En effet, pour avoir un véhicule électrique de compétition, il ne suffit pas d’avoir de la vitesse (puissance et couple), il faut aussi une inertie faible pour freiner tard et avoir une accélération importante. Par conséquent, une masse faible de batterie permettrai d’avoir les avantages précédents et d’avoir moins de frottement sol donc, plus d’autonomie. L’objectif est de passer aussi en 72V à la place de 48V pour diminuer le courant pour une même puissance demandée au moteur 2. Etude du marché des batteries Nous avons fait une pré-étude sur des nouvelles batteries qui sont commercialisé depuis 2008, mais qui coutait trop cher à notre gout en 2009. En 2010, les prix ont fortement baissés : Marque Type et Nbr Prix pour Poids et nbr Fiabilité/20 tension élément poids/élém 72V/60A.H élément total Année de série et // vente COVEL 60A.H LiFePO4 3C 22 ? 3200 € 50 kg 2010 polyquest 5.8A.H Li po 25C 18serie,12// 15 € 15 €*18*12 0.2kg*18*12= /3,6V/0.21 kg 4,2V à 3,6V 75 à 64 V 0.21 kg 3240 € 43,2 kg, 192el 18/20, 2009 e-solex 15A.H Li po ?C 2serie,4// 55 € 4400 € 5kg*2*4= 550 €/36V/5kg 4,2V à 3,6V 0,5 kg 40 kg 17/20, 2009 Lifebatt 10A.H Lithium 3C 20 serie,6// 1654 €*6 9924 € 12,6kg*6= 72V/12,6 kg 4.1V à 3,5V 80Và 68V 76 kg 16/20, 2008 ACCUWATT 10,4A.H Lithium 3C 5serie,6// 724 €*5*6 21000 € 42 kg 15V/1,4Kg/4Sen// 4.1V à 3,5V Donc 24en // OPTIMA 35A.H Plomb 20C 6 series 180 €*6 1080 € 108 kg 12V/18 kg 14V à 11V 12/20, 2003 LiFePO4 3C 22 serie 135 €*20 2700 € 60 kg 18/20, 2009 Thunder Sky 90 A.H 3kg 1.Tableau : Pour faire un accumulateur 72V/ 60A.H, le bilan prix, poids, en 2011 est le suivant : Nous avons choisis d’utiliser des batteries Thundersky qui sont utilisés dans les scooters de chez ADS technologies. 3 Remarque : Mettre des éléments en // peut occasionner la destruction, des autres éléments qui sont placés en //, donc on diminue la fiabilité de l’accu (voir dossier vélo électrique de l’I.U.T Aisne 2010). On ne peut pas dissocier chargeur, accumulateur, batterie management sécurité BMS et équilibreur. Les BMS intégrés aux accumulateurs ne sont pas nécessaires car le courant est déjà limité par le contrôleur moteur. Par contre, il ne faut pas avoir de renvoie d’énergie lorsque la batterie est pleinement chargée, mais la aussi le contrôleur peut être piloté. Certains chargeurs arrêtent la charge des qu’un des éléments atteint sa tension de seuil max donc à peu prés à 85 % de sa capacité maximale (chargeur Zivan 87,6V/35A 1014 € avec arrêt du chargeur Batterie Module Protection BMP Module Lifebatt à 655 €). La charge dure 2 heures. S’il y a une grosse dissymétrie de charge entre les batteries, il faut recharger avec un chargeur qui a un équilibreur intégré comme l’Hypérion (voir dossier vélo électrique de l’I.U.T Aisne 2010, chargeur tous types de 1 à 12 éléments max (~48V) 8A 150 euros) mais l’équilibreur est de 0.3A seulement. La charge dure dans ce cas 10 heures en cas de dissymétrie profonde. En conclusion en 2010, pour minimiser le poids et le volume des batteries d’un véhicule électrique par 4, le prix est multiplié par 4 par rapport aux batteries plomb, mais l’autonomie est multipliée par 2. Les chargeurs et les BMP sont chers. Grace aux réalisations de chargeurs au plomb, le département GEII de Soissons réalisera un chargeur li-po avec un équilibreur de 4A. De plus, cet équilibreur, nous permettra de tester les accumulateurs. 3. Etudes des super condensateurs sur un karting Tous les véhicules pendant les phases accélérations et de décélérations demandent de fortes puissances qui durent peu de temps. Or, la conversion électro chimique des batteries demande un certain temps de réaction pour fournir ou accepter un courant. C’est pour cela que le taux de charge et de décharge sont limités dans une batterie. Par contre, le stockage de l’énergie électrique dans les super condensateurs se fait sous forme électrostatique, au travers d’une accumulation de charges ioniques dans l’interface électrode/électrolyte. Cela donne des potentialités remarquables comparativement aux batteries ou aux condensateurs classiques. Ces super condos ont une puissance massique très grande mais une énergie faible par rapport à des batteries comme on peut le voir sur la figure 2. Mais, les supe condo ont un volume 100 fois plus important qu’une batterie li-po pour la même capacité énergétique et sont très cher (le tableau 3). Par contre, les super condos ont une durée de vie plus importante que des batteries. En effet, les super condos 2.Fig : Diagramme de la puissance en fonction supportent un nombre de charges et de décharges 1000 de la capacité énergétique en 2010 fois plus grand qu’une batterie. La tension d’un super condo est faible de l’ordre de 2.7V. Donc, il faut beaucoup de super condo en série pour alimenter un véhicule électrique (80V à 400V). 3.Tableau : Pour faire un accumulateur 72V/ 60A.H, le bilan prix, poids, en 2011 est le suivant : Marque Type et Courant Prix et Poids et nbr H*l*L Cycle de tension Charge et énergie élément, Fiabilité/20 charge décharge En W.H volume OPTIMA 55A.H Plomb 20C 110 A 1080 € 108 kg 6S 40 dcm3 3650 12V/ 14V à 11V 600 A 2520 WH LiFePO4 100 A 2100 € 46 kg 20 S 220*145*61*20S 500 à Thunder Sky 3 3.2V / 90 A.H 3C 300 A/15min 6480 WH 2.3 kg*20=46 38 dcm 2500 1600A/1min 94 F/75V 50 A 4472 € 25 Kg 30 S 515*263*220 1 000 000 Maxwell http://www.maxwell.com 3 1600 A/1s 80 W.H 30 dcm 4 Pour alimenter un véhicule électrique, l’idée est donc d’associer l’avantage des super condos qui permettent de fournir de grosses puissances et l’avantage des batteries qui ont une grande énergie dans un volume , un poids et un prix acceptable. Mais, il faut gérer la charge et la décharge des 2 sources d’énergies. Donc, des convertisseurs doivent limiter le courant sortant et rentrant des batteries et des super condos. Ces convertisseurs doivent aussi surveiller et limiter la tension maximale de chaque élément de batterie et des super condos. Une solution est que la batterie et les super condos fournissent l’énergie à un bus continu DC par l’intermédiaire de deux hacheurs réversibles en courant (Hacheur 1 et Hacheur 2). Ce bus continu permet d’alimenter le variateur du moteur du véhicule. Hacheur 1 bus DC Figure 2 : présentation de ‘’l’alimentation hybride’’ Ces deux convertisseurs ont pour rôle d’adapter les niveaux de tensions des éléments. De plus pour les super condensateurs, cela permet d’adapter à la variation de la tension (V) inévitable liée à la variation d’énergie W qui correspond à l’équation suivante : W ( Joule) 1 2 2 CSC Vmax Vmin 2 equ. 1 Le principe de la commande des 2 hacheurs est de pouvoir maintenir constante la tension du bus DC qui alimentera le variateur réversible du véhicule. Si on veut extraire 90 % de l’énergie maximale stockée dans les supers condos, il faut que : Vmin 1 Vmax 3 equ. 2 Pour dimensionner la valeur du super condo, il faut connaitre la puissance maximale que doit fournir le super condo. Dans le cas de la décharge à puissance constante du super condo : Pmax Vmin ISC _ max = Fmax Vitesse max = 2 1 2 Pmax W CSC Vmax ISC _ max 2 Un véhicule électrique doit réagir tout le temps de la même façon. Le conducteur ne doit pas avoir de « trou » à l’accélération, ni à la décélération car il ne pourra plus vaincre la force centripète en virage, ni compter sur une accélération rapide. Or, si l’énergie des super condos est nulle, il y aura moins de puissance car elle ne viendra que de la batterie. Et, si les super condos sont à leur énergie maximale, le freinage électrique sera très faible en fonction du taux de la batterie. Une solution est de mettre la tension des super condos à leur milieu d’énergie. Donc à la tension Vmoy 1 Vmax 2 equ. 4 Mais, on utilisera que la moitie des possibilités énergétique du super condo. Hacheur 2 Super condensateurs Batterie Première problématique equ. 3 La puissance max conditionnera l’accélération. Il y a aussi d’autres considérations pour dimensionner les super condos qui sont liés à plusieurs problématiques. Donc pour un véhicule électrique, il faut quand même que la batterie puisse fournir une grande puissance, il n’est pas possible que les super condos fournissent une puissance 10 par rapport aux batteries. Seconde problématique Quand recharge t on les supers condos ? Seulement lors d’un appui sur le frein mécanique avec un freinage électrique puis mécanique ? Car la puissance max de freinage électrique ne pourra correspondre qu’à la puissance du moteur. Donc le temps de freinage électrique sera pour un karting pour passer de 100 km/h à l’arrêt sera de : t (s) m (Vit max ) 2 2 Pmax 300kg 27 2 m / s 11s 2 10000 Autre possibilité :dés que la puissance fournit par les batteries est plus faible que celle qu’elle peut donner ? Troisième problématique Lorsqu’on récupère de l’énergie au freinage avec le karting, les moteurs chauffent en supplément et la courroie saute sur le galet d’entrainement car celle-ci n’est pas assez tendue. Nos essais ne permettent de freiner électriquement que 20 % à 30 % des capacités du moteur. Au challenge, on mesurera la régénération car notre instrumentation le fait cette année. 5 Quatrième problématique Le hacheur 2 ne peut surélever la tension entre les super condos et le bus continu que d’un coefficient 5. De plus, il ya quelques pertes dans les Hacheurs 90% de rendement. Donc, la tension Vmax sera égale à la tension des batteries. Choix et compromis Si on veut réduire la consommation d’énergie et augmenter la puissance d’un karting, un compromis est une puissance maximale de 2 pendant aux moins 4 secondes. Ce qui permet de doubler l’accélération mais le surcout au niveau prix est très important et la programmation de la gestion du hacheur 1 et 2 n’est pas facile. Avec le super condo 80 W.H du tableau 3 pour une tension batterie de 72V et pour un courant de 200A de décharge avec une tension moyenne de 51V et une tension mini de 24V, l’énergie utilisable sera de 26W.H et le temps de décharge s’effectuera : t (s) 3600 W( W.h ) 3600 26 6.5s VBus DC Ibus DC 72 200 Autres solutions Il y a d’autres solutions plus simple est moins onéreuse que d’utiliser les super condos. C’est le volant d’inertie bien connue des mécaniciens pour emmagasiner de l’énergie. Il faut actionner un embrayage en fonction de l’accélération et le relâcher à la décélération mais ceux-ci peut être gérer par le conducteur ou électriquement très facilement. Il n’y a pas beaucoup de place sur un karting non plus donc ce système n’est pas viable. Chaque type ingénieur (électrique ou mécanique, hydraulique) va développer une solution en fonction de ces connaissances. Conclusions sur les super condos Si les batteries permettent de fournir et d’accepter plus de puissance dans un temps donné alors les super condos avec leurs limitations ne sont plus utiles ce qui s’est passé ces derniers années avec l’arrivée des batteries li-po malgré la grande fiabilité des supers condos. Donc, nous n’utiliserons pas de supercondensateurs sur notre karting Nous allons étudier maintenant le choix des moteurs Ce qui est très honorable mais le volume et le prix des super condos sont importants donc pas viable pour l’instant sur un karting électrique. De plus, le super condo pourra t il supporter le courant en fin de décharge ? Qui sera égale à : ISC max VBus DC I bus DC Vmin 72 200 =600A 24 6 4. Etude et choix des moteurs DC En 2010, nous avions choisis un moteur LMC 127 en 48V. Etant donné que la tension des batteries est plus importantes (72V) ceux-ci permet de diminuer le courant demandé aux batteries par les moteurs pour une puissance exigée par la charge mécanique. Sachant que le moteur ne peut pas tourner à une vitesse supérieure à 4000 tr/mn voir 6000 tr/mn s’il est renforcé. Nous avons choisis le moteur suivant. Le moteur AGNI 119 68V 200A Prix 1472 € renforcé Poids 11,8 kg inertie =0.0336 kg.m2 Tension max : 68V Constante : 58 Rpm/V k=0.164 V/rad.s-1=0.164 N.m/A - Avec 18S en lipo fer (3200 tr/min à 59V) - Avec 22S en lipo fer (4200 tr/min à 72V) - Avec 24S en lipo fer (4590 tr/min à 79V) résistance 17.5 m Courant : 200A @ 68V , Puissance : 13,6 kW Peak current 400A pendant 10 minutes peak power=27 KW Le couple (200A) = 33 N.m Capteur de temperature CTN vishay (or, orange, orange, orange ) 33KΩ à 25 °C avec un beta de 4090 4.courbe fourni par le constructeur AGNI à 60V Le moteur AGNI 095 56V 250A à une constante : 71 Rpm/V (3400 tr/min @ 48V). donc il a moins de couple car sa constante de couple k=0,135 pour le même courant que le moteur 119. Le couple a (200A) = 27 N.m et a (250A) = 33 N.m. La puissance nominal du moteur dans la même carcasse est la même malgré que les pertes par échauffement à 250 A sont plus importantes qu’à 200A. Donc, il est préférable de prendre un moteur AGNI 119 voir même 135 qui a une constante k= 0,19. Mais dans ce cas la vitesse ne pourra pas atteindra que 3000 tr/mn avec 60V de batterie ce qui pénalisera la vitesse de pointe sur un circuit classique de karting. Le couple résistant au niveau des roues dépend des frottements de la piste, du type de pneu, de la vitesse… Mais aussi du choix du réducteur (Voir le dossier de l’étude mathématique de la transmission d’un karting du présenté au challenge 2009 et téléchargeable dans son intégralité). En effet, Le choix du réducteur peut privilégier soit le temps d’accélération soit la vitesse maximale, soit la consommation énergétique ou un compromis de tout cela. La tension de la courroie fait perdre de la puissance voir (dossier karting 2 moteurs de 2010) à cause de la force de la tension de la courroie pour ne pas qu’elle décroche entre le brun mou et tendu. Donc, on a remplacé la courroie par une chaine qui n’a pas de tension. Par contre, la chaine fait du bruit. Le nombre de dent de la transmission est choisi de 44. C’est la valeur maximale que l’on peut mettre sinon le galet touche le sol. La valeur du pignon moteur est de 17 dents ou 21 ou 25 pour privilégier soit l’accélération ou la vitesse maximale en fonction du circuit. En effet, en fonction du courant max, Le choix de la transmission conditionne la vitesse max mais aussi le temps pour atteindre la vitesse max et le temps pour atteindre 50m, le courant en régime établi de vitesse. On indiquera l’inertie ramenée sur l’arbre moteur, ainsi que les valeurs précédentes dans le tableau suivant : Umax Imax réduction Inertie kg.m2 Vmax (km/h) t(s) Vmax t(s) 50m I (A) R.E 60V 200A*2 44/25 1.3 90 7.3 5.4 60V 200A*2 44/21 0.94 76 5.2 5 60V 200A*2 44/17 0.621 60 3.4 4.6 La vitesse maximale dépend aussi du nombre d’élément de batterie : réduction S18=60 V S22=72,9 V S24 = 79.2V 44/21 76 (km/h) 95 km/h 104 km/h 44/25 90 (km/h) 113 km/h 123 km/h 7 Nous rappelons que le choix optimal du réducteur en fonction du couple max et du temps pour atteindre une distance minimale correspond à l’équation suivante dossier karting 2009 : 1 3 (Couplemoteur Couplech arg e ) Re ducteur Dis tan ce 2 2 N2 ( ) Rayonroue3 Masse 60 (equ 1) On rappel que le rayon des roues des kartings est de 12,5 cm et les moteurs ont en général une vitesse nominale de 3000 tr/mn. Etude de l’accouplement des 2 moteurs Il y a 3 possibilités d’accoupler ces 2 moteurs sur le karting : - Les deux sur le même arbre de transmission (asservissement de couple) addition des couples. - Chaque moteur entraine indépendamment une des 2 roues arrières sans différentiel avec un asservissement de vitesse (il y aura des oscillations du train arrière lorsque le véhicule tourne car la roue de pivot devrait aller moins vite que l’autre) - Chaque moteur entraine indépendamment une des 2 roues arrière avec un différentiel (un asservissement de couple suffit). Nous avons choisis la simplicité de la commande avec Les deux moteurs sur le même arbre de transmission comme en 2010. De nombreux variateurs existent sur le marché, nous allons choisir un type. 5. Etude de la mesure de temperature interne du moteur Le rotor AGNI autoventilé du moteur AGNI est soudé à l’étain (180 °C max). Le vernis sur le rotor tient 120°C. Donc, il ne faut pas que le moteur depasse cette derniere temperature. Or, les moteurs ABNI sont fourni par l’entreprise ASMO avec une CTN qui est placé au plus prés du rotor sur les balais. Ce capteur de temperature CTN vishay (or, orange, orange, orange ) a les caracteristiques suivantes 33KΩ à 25 °C avec un beta de 4090, donc 2.2 KΩ à 100 °C. Ce capteur est placé en // sur le potentiometre accelerateur 5K utilisant un variateur SEVCON. En cas d’echauffement, cette diminution de la resistanceCTN limite la vitesse, donc la puissance du moteur, donc le courant et l’echauffement. Cette limitation de vitesse permet une autoventillation du moteuret de ramener tranquillement le vehicule au stand. Donc, cette CTN permet de proteger le moteur et de mieux choisir le courant de limitation du moteur en fonction du circuit par rapport à la determination du courant thermique equivalent. De plus, la constante de temps thermique est de 10 minute pour les moteurs linch. Etude de la CTN ( ) T 273 25 273 R(T)= R 0 e R0=33K et 4090 Pour avoir une tension variable en fonction de la température, on utilise un pont diviseur avec une résistance série R2 de 2.2 k pour avoir la meilleur sensibilité à 100°C. on peut observer la courbe de l’équation précédente en fonction de la température. 8 La tension en fonction de la température varie donc en fonction de l’équation suivante : U(T)= 12V R 2 R 2 R (T ) On peut voir que la courbe est presque linéaire, donc Il est possible de mettre un galvanomètre 12V pour mesurer la température. Mais la tension ci-dessus est traitée avec un microcontrôleur donc permet d’avoir la vrai température par l’intermediare d’une table de 100 valeur. Donc à partir de cette CTN, il est possible avec un comparateur d’arrêter le karting ou de limiter la vitesse en sélectionnant le levage 3 du variateur… par conséquent de protéger les moteurs contre l’echauffement. 6. Choix des variateurs Nous avons choisis le Powerpak de chez SEVCON qui utilise le même logiciel que le millipak mais le doongle est différent. Seuls les variateurs Powerpaks peuvent supporter la tension 72V de 20 éléments de batterie li po. D’ailleurs, le vario peut supporter la tension de 95V. Donc, on espère mettre 24 éléments (86V max) dans le futur. Le POWERpak est vendu sur plusieurs gamme, nous avons choisis 1 quadrant (hacheur abaisseur), ces caractéristiques sont : 300 A en nominal, 600A pendant une minute, sous 97V, (marche avant seulement) Pourtant la marche arrière est bien pratique (après une erreur de pilotage et pour garer le kart…). Par conséquent, il y a deux solutions pour garder la marche arrière. La solution de la marche arrière a été expliqué et réaliser dans le dossier 2010, avec des contacteurs et la vérification de la vitesse nulle. Le schéma électrique du karting 2010 était le suivant : 48B 2 2 1 1 400A S5 1 48V 2 5A Valeur 13 2 2 3 1 3 1 B+ 1 1 4 3 SW202 400A 2 KM1 M 4 KM2 Moteur Lynch 4 securite frein meca 2 5 6 7 seat switch 14 A 8 Forward 48V A1 9 1 KM1 A2 10 B1 4 11 2 3 Millipak pump 12 B15 A1 KM2 A2 1 2 Reverse 1 B2 2 2 48B 5A 1 1 1 400A B+ Valeur 2 B3 5A 1 1 13 M 2 3 2 2 1 2 24V 1 Moteur Lynch 4 5A 1 12V 2 5 6 7 B4 2 A1 K1 48V/200A 400A pendant 10 minute 2 9 Potentiomètre accélération 1 1 A 8 A2 KM4 14 10 2 24V 11 12 Millipak pump 3 A1 KM4 A2 Reverse B15 12 11 switch 6 14 Fast switch 1 12V M GEII CUFFIES 2 K1 Moteur ventillateur 5.Fig. commande des moteurs avec inversion de sens de rotation par contacteur double inverseur KM1 et KM2. Nous allons voir Le schéma de câblage avec les Deux powerpacks 9 7. Schéma de câblage avec 2 POWERpaks à un seul quadrant (1Q) Nous avons un powerpaK pump Entrée du vario activation Broche 1 Broche 2 « 0 » logique Broche 3 « 0 » logique Broche 4 « 0 » logique Broche 5 « 0 » logique Broche 6 « 0 » logique Broche 8 Broche 10 [0V à 5 V] Broche 12 Alimentation 80V commandé par l’arrêt d’urgence NC Inter levage 3 Inter levage 4 Levage bloqué (lift inhibit) Direction assistée (power steer trigger) Inter siège (coupe la PWM par sécurité) Cooling fan drive Entrée analogique (pédale accélérateur) Alimentation 12V (0.1 A) Remarque : L’entrée lift inhibit est active seulement lorsque le moteur ne tourne pas. C'est-à-dire que la pédale d’accélération doit être à 0% et que tous les inters de vitesse levage ne soient pas actionnés Dans un premier temps, nous allons faire le schéma de câblage de l’ensemble des 2 varios sans la marche arrière. Il faudra : - L’arrêt d’urgence sur la broche 1 permet de couper l’alimentation de la commande des deux variateurs - Il n’est pas possible de limiter la vitesse maximale avec un Switch car l’entre analogique est prioritaire par rapport aux vitesses des inters de levage. - Un commutateur sur le frein mécanique pour que le pilote n’appuie en même temps sur le frein hydraulique et la pédale d’accélération. Ce qui a pour but d’éviter de perdre beaucoup d’énergie dans le disque de frein. le contact de frein NC sera place sur l’entrée « Seat siège ». le vario ne se met pas en défaut lorsque cette entrée est activée. Nous utilisons comme pédale d’accélération sevcontrol ref 656/12044 qui utilise des capteurs à effet hall. Donc pas de problème de contact par rapport à un potentiomètre et moins cher que le potentiomètre CURTIS. Cette pédale fournit une tension 0 à 5V en fonction de son déplacement. Si elle est poussée 5V à 0V ou si elle est tirée 0 à 5V. Dans notre véhicule celle-ci est tirée car il est difficile de mettre le sevcontrol devant, et lorsque la pédale d’accélération est au repos la tension est à 3,5V. mais il est possible de programmée la variation de la vitesse «full et zéro voltage » en fonction de la pédale d’accélération 6. Sevcontrol SEVCON pour la pédale d’accélération 10 80V 2 1 300A 1 B1 2 2 10A 1 B+ B2 2 1 13 1 2 3 1 B3 GND 2 1 4 blanc 1 B4 5 6 7 seat switch AU2 2 1 B5 2 2 14 A 8 1 9 S8 capteur de frein B6 2 10 vert 1 11 B7 2 Millipak pump 12 AU2 1 B15 80V (96V Max) pédale d'acceleration A B8 2 rouge LD1 1 broche 4 blanc broche 10 vert B9 2 K 1 80V B10 2 1 300A noir 2 B+ 1 1 SD300 AU1 GND blanc 2 B11 30V 14 A 8 1 B12 9 2 1 10 vert 1 20 elements thundersky 4 5 6 7 1 2 13 2 3 B13 11 5A 2 12 Millipak pump 1 B14 B15 2 2 1 1 B15 1 2 AU2 1 1,8K ohms B16 2 12V 2 1 1 2 B17 2 F4 1 B18 SD300 AU1 2 1 A 2 X1 B19 2 LD2 24V 1 B20 2 GND A1 Feu a led A K LD1 24V SD300 A2 X2 K S8 capteur de frein Nous allons passer au paramétrage des 2 variateurs 11 8. Paramétrage des varios Le paramétrage est très simpliste sur ce type de variateur. Avec 2 variateurs et 2 moteurs qui sont montées sur le même arbre de transmission, il faut que la tension aux bornes des moteurs soit identique. Par conséquent, la pédale accélérateur levage soit programmé identique (full et zéro soit identique pour les 2 variateurs). De même, il faut que le courant de limitation soit identique, ainsi que la rampe d’accélération. Accel2zero permet au moteur de ne pas tourner pour une certaine position de l’accélérateur On peut visualiser l’etat du vario, courant, vitesse, température … 12 Pas de potentiomètre sur Accel 1 donc il ya 5V et 0% Notre accélérateur est sur la broche 10, donc sur l’accel2. Il y a 3.32V sans avoir actionné la pédale donc Accel2zero doit être inferieur à 3.32V. Nous utilisons accélération comme entrée de la pédale accélérateur. Ce qui nous permet de mettre l’entrée Accel 2 en over température avec la CTN. Ce qui permet de limiter de 1/3 le courant maximal que l’on a paramétré. 13 Lorsque l’on met les 2 moteurs sur le même arbre de transmission avec deux variateurs, il ne faut pas avoir de différence de tension moteur à R.I prés. Dans un premier temps, Nous allons voir pourquoi en considérant que les 2 moteurs sont identiques : 1) lorsque les 2 moteurs sont identiques - Qu’est qui ce passe au démarrage ? Au démarrage, le variateur limite le courant (donc, I1= I2 correspondant à Ilimi du variateur). - Qu’est qui ce passe en régime établi de vitesse ? En régime établi de vitesse, le courant n’est plus I1= imposé par la limitation de courant. Le courant total est imposé par la charge mécanique IT=I1+I2=C(N.m)/K U1= Le courant de chaque moteur a pour équation : U batt • x - E x Rx Avec E1=E2 car les moteurs sont sur le même arbre moteur. Donc, si on veut que les 2 moteurs travaillent pareil, il faut que les 2 rapports cyclique soit identiques des 2 variateurs donc U1=U2. Ix = - I2= R1 R2 U2= E1=k.=E2 7.Schéma équivalent elec des 2 moteurs montés sur le même arbre de transmission Lorsque la pédale d’accélération est à 100 % , donc et alors I1=I2= IT/2. Pendant, les rampes d’accélérations, s’il y a des différences entre et 2, dans le cas le plus défavorable le courant I1 peut être égale à IT et le courant I2=0A. Dans ca cas, le moteur M2 est en roue libre ou inversement. Il est utopiques, de considérer que les 2 moteurs soit identiques, il y aura toujours de petites différences de constantes de la force électromotrice ainsi que de résistance interne. Donc, les 2 courants I1 et I2 ne seront pas identiques. Il y a aussi la tension des courroies qui provoquent un couple différent sur chaque moteur mais ce couple est négligeable par rapport au couple demandé par la traction. C’est pour cela qu’il faut mieux utiliser 2 variateurs, un pour chaque moteur. Pour essayer que les 2 courants soient identiques en régime établi, il y a plusieurs solutions - Compenser la commande du vario 1 en fonction du courant du M2 pour que l’autre vario soit identique. Il faut donc une électronique adaptée. - Le vario millipak a une compensation « 1 » qui permet d’augmenter légèrement la vitesse. Mais, il est aussi possible le limiter le rapport cyclique maximal, donc la vitesse max. Il est possible aussi de jouer sur la plage de commande zéro et full voltage accélérateur. Il faut faire des essais en mesurant les 2 courants de chaque moteur lors de l’accélération et en régime établi de vitesse. Mais avant cela, nous allons expliquer le câblage électrique du karting avec 2 varios à 1 Q pour avoir la marche arrière. 14 9. Etude de la charge et décharge de batteries Depuis 2009, nous utilisons des batteries li-po et li-ion sur nos vélos électrique avec chargeur utilisant les BMS. Nous avons appris plusieurs choses : - Il ne faut pas décharger à 100% les batteries avec de petit courant de décharge sinon la batterie ce met en court circuit. - La résistance interne des batteries - La tension peut être utilisé pour déterminée la capacité énergétique de la batterie. Il y a très peu de perte dans la batterie donc l’énergie de la charge est identique à l’énergie de la décharge. - Certains éléments ne sont pas entièrement détruit, et on la moitié de la capacité énergétique prévue. Dans ce cas la résistance interne de l’élément a fortement augmenté est atteint très vite la tension de seuil de l’élément. - La résistance interne en décharge est bien plus grande que celle de la décharge. La chute de tension de l’élément due à la résistance interne n’est pas négligeable. - Sur les li-ion (qui ont une tension de seuil de 4.1V), on peut les charger à 4,2V sans dommage à 1C. Mais l’énergie entre 4.1V et 4.2V est une perte. Par contre touts les éléments sont rechargés à 100%. Nous avons choisis 18 éléments des batteries de 90A.H thundersky que nous avons séparé en 2 groupes de 9 éléments. Notre chargeur 30A charge à courant constat, l’accu puis dés qu’un élément atteint (3,6V seuil) la charge est à tension constante. On peut voir sur la figure suivante que la régulation de courant est autour de 25A. Des que la tension de seuil d’un élément est atteint le courant diminue pour que cette tension ne Current 25A soit jamais dépassée. Voltage accu Etant donné qu’il y a toujours des dissymétries de charge et de capacité énergétique alors la tension de chaque élément diminue de façon Voltage 9 cells différente. Il n’y a que 8A.H de charge à tension Capacity energy en A.H constante. Donc si on arrête de charger des que l’on atteint 3.6V les 8.Charge de 9 éléments à 25A batteries seront rechargées à 90 % Voltage accu Voltage 9 cells Lors de l’arrêt de la charge, la tension de chaque élément ne reste pas constante à leurs valeurs. Elle diminue pour atteindre 3,35V. Par conséquent, on ne peut pas se fier à la tension pour savoir si l’élément est bien chargé. 9.Tension des 9 éléments après la charge 15 Après avoir chargé à 100% l’accu et une attente d’une heure, on recharge la batterie à 25A. Dans ce cas, la tension des éléments atteint très rapidement la tension de seuil est le courant de charge décroit rapidement. 10. Charge lorsque l’accu est déjà à 100% Diminution de la tension de l’élément Oscillation de courant Si on charge avec équilibrer chaque élément de l’accu à 100 %, la régulation de courant oscille, car la tension de l’élément qui a atteint 3.6V a tendance à diminuer à 3,4V. Donc, le courant oscille de 1 à 4A en fonction de la diminution de la tension de la figure 9. On peut voir que la tension des éléments des autres éléments augmente très légèrement en fonction de la capacité énergétique. 11. Équilibrage lorsque l’accu est déjà à 100% Par conséquent il faut charger chaque élément de façon séparée et il faut arrêter la charge de l’élément qui a atteint sa tension de seuil. Nous utilisons une alimentation à découpage flyback isolé de PC 220VAC=> 5VDC/10A dont le prix est de 10 Euros TTC qui a une limitation de courant. On a modifié le retour de la régulation de tension pour régler la sortie à 3.6V. Pour recharger chaque élément de batterie séparément, nous avons utilisé 9 alimentations pour équilibrer un pack. Mais quel est la tension de seuil des batteries thundersky ? Car normalement les lipo fer ont une tension de Seuil de 3,6V et les différentes documentations thundersky indiquent toutes 4,2V. 16 A partir des courbes précédentes, l’élément thundersky à 3.6V serait chargé seulement à 60 %. Ce serait dommage. Mais si on modifie la tension de seuil du chargeur à 3.95V, cette tension est atteinte en 1 A.H. Cell 4 Donc on ne gagne rien en capacité energetique On peut observer sur la figure précédente que la cellule 4, a une tension très inferieures à toutes les autres car il y a une différence de 28 A.H. En effet après un équilibrage, il y avait cette différence d’énergies Pour vérifier la capacité énergétique, on va décharger les batteries jusqu’a 2.5V pour savoir quels est la capacité énergétique des batteries après les avoir chargés à 3.6V La décharge est de 920 W.H avec une Decharge à 20A ARRET de decharge tension de 12,5V en moyenne. Donc la capacité énergétique est de 75A.H. Donc proche de 90 A.H, sachant que l’on ne s’est pas arrêter à 2.5V par élément comme dans les courbes de thundersky. La chute de tension entre la décharge de 20A et 75 A est de 13.1-12.7=0.4V Decharge à 75A Donc la résistance interne est de 2 mΩ/élément. Ce qui n’est négligeable On peut remarquer que des que l’on arrête la décharge la tension remonte à 3.1V par cellule. Nous avons rechargé les batteries et on a pu constater que la capacité énergétique de charge et de décharge sont très proches. 17 10. Courbe électrique et Consommation énergétique du karting Pour vérifier les pertes de la transmission et la bonne commande des deux moteurs, nous faisons un essai à vide en mesurant la tension moteur et leur courant. En attendant, la réalisation de notre instrumentation pour mesurer les 2 courants moteurs, nous utilisons 2 pinces ampère métrique qui enregistre ces données avec une période d’échantillonnage minimale de 1 s. Apres plusieurs essais en modifiant les tensions de courroies et de commande dans le variateur voila nos résultats pour un galet moteur de 40 dents et de transmission de 80 dents. 50V 10A 12. Fig. Essai à Vide, en haut tension et courant du moteur droit en bas tension et courant moteur gauche Au premier démarrage, on peut voir sur la figure précédente que le moteur droit à fourni plus de courant. Puis en régime établi, les deux moteurs fournissaient pratiquement le même courant. Au deuxième démarrage, c’est le moteur gauche qui a fournit plus de courant. La tension aux bornes du moteur atteint 48V très rapidement, puis lors de la décélération la tension diminue progressivement en fonction de la vitesse. Lors des décélérations les deux tensions sont pratiquement identiques donc le coefficient de la force électromotrice (speed constant) est bien identique pour les deux moteurs. On peut voir sur la figure suivante le moteur en charge avec plusieurs accélérations. Les deux mesures du moteur droit et gauche ont été mises l’un sur l’autre pour mieux observer les différences de commande entre les deux moteurs. 18 13. Fig. Essai en charge, tension et courant des moteurs droit et gauche A partir de la figure précédente, les tensions entre les deux moteurs et les courants sont quasi identique, donc les deux moteurs sont bien commandés. A partir, de la troisième accélération, on peut mesurer qu’il faut 4 secondes pour atteindre 48V donc le régime établi de vitesse. La vitesse peut être est déterminée par l’équation suivante en attendant le capteur de vitesse : Vitesse (km / h) = [( U - R • I)]• k v • Rayon roue • 2 • Dent moteur • 3.6 60 Dents transmission (equ 2) rayon roue=0,125 m Vitesse max théorique serait de 76 km/h La pince ampérométrique a un temps d’échantillonnage de 1s, il n’y a pas de rampe d’accélération (0,1s), donc il est difficile d’observer le courant maximum fournit par le variateur. 11. Nomenclature et cout du karting Le budget est important car l’argent c’est le nerf de la compétition. Mais se restreindre à une certaine valeur permet de ne pas réaliser un prototype qui ne pourrait pas être exploité commercialement dans le futur, ni d’être réparé faute de budget en cas de problème. Le cout de notre karting est de : Désignation 2 moteurs AGNI 119 renforce 72V 1 variateur powerpak pump 95V, 600A 1 doongle bus can 18 elements de batteries lipofe thundersky 90A.H 4 elements de batteries lipofe thundersky 90 A.H 2 chargeurs unitaires de 10 éléments 30A 4 alimentations 220V AC 24V DC 40A Pédale d’accélération Châssis avec frein hydraulique avant et arrière Petit matériel 2 chargeurs maison 30A avec équilibreurs un contacteur simple avec AU prix 3000 neuf 550 €, l’autre a été offert par SEVCON 450 € 2100 euros occasion 450 euros en attente 300 euros 220 euros 65 Euros offert par SEVCON 1000 Euros 500 euros 400 euros 180 euros offert 19 Un phare arrière de matrice de led pour le freinage 50 Euros microcontrôleur ATMEGA Une instrumentation 600 A et mesure vitesse et 150 € tension Cout total 8835 € Le budget est important mais ce karting pourra être utilisé plusieurs années car nous pensons avoir choisi la meilleure technologie en 2011. Il faut savoir que Sodikart vend des karting 4 fois moins puissant que le notre pour un prix de 9000 Euros. 12. Conclusions Notre karting à 2 moteurs fonctionne mais à ce jour on a pas eut le temps de faire beaucoup d’essais. Nous ne l’avons pas beaucoup testé de même pour les chargeurs. Nous attendons encore les 4 éléments batteries pour avoir un peu plus de vitesse. Nous avons aussi des soucis de freinage hydraulique et une garde au sol de notre chassis un peu basse. Il n’est pas facile de faire des choix entre les différents moteurs, un vario ou 2 varios, le nombre d’éléments de batterie, le choix des valeurs pignon et transmission, le choix des technologies, manager un budget…tout est affaire de compromis Il faut avoir une grande expérience pour faire les bons choix. Pour l’instant malgré la pratique de notre enseignant Arnaud Sivert , chaque choix est vérifier, essayer pour trouver les bons choix. Le challenge permet aux enseignants d’engranger cette expérience. Mais, il faudrait que toutes les équipes partages leurs travaux ce qui permettrait d’avancer et de faire valoir la renommée du karting électrique. De nombreux essais sont encore à réaliser mais notre objectif primaire, de faire un karting 2 moteurs avec des batteries lipo pour le challenge à Vierzon est atteint. De plus, on va participer à la course Clovis réaliser par la FFSA le 15 aout 2011 et rivaliser avec les kartings thermiques. Mais, Il faut un certain temps pour piloter le karting à cause de son accélération importante. 13. Bibliographies Nous ne pouvons citer tous les noms des étudiants qui ont travaillé sur le sujet, donc on a nome seulement 2 ou 3 noms. [0] Historique et bilan de nos différentes études sur des véhicules électriques (8 p) (2011) [1] Etude transmission, moteur E-teck & Didacticiel V1 Millipak SEVCON (36p) Mahut (2009) [2] Instrumentation, émission hertzien des mesures et gestion des batteries du karting (43p). Parain, Reveret (2009) [21] Article paru dans Le GESI N°72 Décembre 2008 (40p) (Revue des départements du génie électrique) [22] Emissions des données de l’instrumentation par module Xbee (40p). HURIAUX FOUILLEUL (2009) [3] Chronomètre à barrière infrarouge Dopsent , Lemaire (20p) (2009) [4]Variateur GEN4 V1 Babron, Doussault (32p) (2010) [5] Châssis Karting à 2 moteurs, Claudon, norman, sylvain (30p) (2010) [51] Karting à 2 moteurs& 2 variateurs Sivert, Claudon, Doussault (30p) (2010) [52] Karting à 2 motors&vario 80V lipofer Sivert, Claudon, vicenzi, luzurier (20p) (2011) [6] Sécurité du karting, Détecteur de personne Elineau (20p) (2010) [7] Testeur de batterie à lampes (12V, 30A) Charlot, Mikusiak (40p) (2010) [71] Testeur de batterie à ventilateur de voiture (12V, 35A) Fiston (40p) (2010) 20 [72] chargeur avec equilibreur pour batterie lipo 20A, 24 elements Butt, duhenoy (juin 2011) [8] 4xChargeur unitaire 14V/20A (42p) malinowski, mikusiak (2010) [9] Réalisation d’un scooter électrique V1 Lenglain, Cissoko (74p) (2010) [10] Vélo électrique et étude de batterie li-ion, li-po Carré, Jakubowski (29p) (2010) [11] hacheur pour trottinette électrique frolich et drault (2010) [12] Création de site web www.e-kart.fr et www.AEGEII.fr Lajeunesse, Gaviot (29p) (2010) [121] amelioration de site web www.e-kart.fr et www.AEGEII.fr Paulin, perthuisont (20 p) (2011) [13] Article magazine Elektor « Nos élèves ingénieurs et pilotes » A.Sivert et T.Lequeu (2 p) (juin 2010) 21