Etude de la charge et décharge d`un accu lipo fer Thunder sky
2
Introduction
page
Etudes du marché des batteries li po
Etudes des super condensateurs sur un karting
Etude du moteur DC 72V.
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…
3
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
tension
Nbr
élément
série et //
poids/élém
Prix pour
72V/60A.H
Poids et nbr
élément total
Fiabilité/20
Année de
vente
COVEL 60A.H
LiFePO4 3C
22
?
3200 €
50 kg
2010
polyquest 5.8A.H
/3,6V/0.21 kg
Li po 25C
4,2V à 3,6V
18serie,12//
75 à 64 V
15 €
0.21 kg
15 €*18*12
3240 €
0.2kg*18*12=
43,2 kg, 192el
18/20, 2009
e-solex 15A.H
550 €/36V/5kg
Li po ?C
4,2V à 3,6V
2serie,4//
55 €
0,5 kg
4400 €
5kg*2*4=
40 kg
17/20, 2009
Lifebatt 10A.H
72V/12,6 kg
Lithium 3C
4.1V à 3,5V
20 serie,6//
80Và 68V
1654 €*6
9924 €
12,6kg*6=
76 kg
16/20, 2008
ACCUWATT 10,4A.H
15V/1,4Kg/4Sen//
Lithium 3C
4.1V à 3,5V
5serie,6//
Donc 24en
//
724 €*5*6
21000 €
42 kg
OPTIMA 35A.H
12V/18 kg
Plomb 20C
14V à 11V
6 series
180 €*6
1080 €
108 kg
12/20, 2003
Thunder Sky
90 A.H
LiFePO4 3C
22 serie
135 €*20
3kg
2700 €
60 kg
18/20, 2009
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.
4
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 supportent un nombre de charges et
de décharges 1000 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).
2. Fig : Diagramme de la puissance en fonction
de la capacité énergétique en 2010
3. Tableau : Pour faire un accumulateur 72V/ 60A.H, le bilan prix, poids, en 2011 est le suivant :
Marque
Type et
tension
Courant
Charge et
décharge
Prix et
énergie
En W.H
Poids et nbr
élément,
volume
H*l*L
Fiabilité/20
Cycle de
charge
OPTIMA 55A.H
12V/
Plomb 20C
14V à 11V
110 A
600 A
1080 €
2520 WH
108 kg 6S
40 dcm3
3650
Thunder Sky
3.2V / 90 A.H
LiFePO4
3C
100 A
300 A/15min
1600A/1min
2100 €
6480 WH
46 kg 20 S
2.3 kg*20=46
220*145*61*20S
38 dcm3
500 à
2500
Maxwell
http://www.maxwell.com
94 F/75V
50 A
1600 A/1s
4472 €
80 W.H
25 Kg 30 S
515*263*220
30 dcm3
1 000 000
5
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.
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 :
2
min
2
maxSC
)Joule( VVC
2
1
W
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 :
maxmin V
3
1
V
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 :
max_SCminmax IVP
=
maxmax VitesseF
=
2
max_SC
max
2
maxSC IP
VC
2
1
W
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.
Première problématique
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
maxmoy V
2
1
V
equ. 4
Mais, on utilisera que la moitie des possibilités
énergétique du super condo.
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 :
100002s/m27kg300
P2
)Vit(m
)s(t 2
max
2
max
11s
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.
Hacheur 1
Batterie
Hacheur 2
Super
condensateurs
bus DC
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
1
/
20
100%
