INSTITUT UNIVERSITAI

DEPARTEMENT GENIE EL

13, Avenue François Mitterrand, 02880 CUFFIES SOISSONS

: 03 23 76 40 10

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 arnaud.sivert@u-picardie.fr

1

IQUE INDUSTRIELLE

picardie.fr

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…

1. Introduction

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 élec

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 m

demandée au moteur

2. Etude du marché des batteriesNous avons fait une pré-étude sur

coutait trop cher à notre gout en 2009.

Marque Type et

tension

Nbr

élément

série et //

COVEL 60A.H LiFePO4 3C 22

polyquest 5.8A.H

/3,6V/0.21 kg

Li po 25C

4,2V à 3,6V

18serie,12//

75 à 64 V

e-solex 15A.H

550 €/36V/5kg

Li po ?C

4,2V à 3,6V

2serie,4//

Lifebatt 10A.H

72V/12,6 kg

Lithium 3C

4.1V à 3,5V

20 seri

80Và 68V

ACCUWATT 10,4A.H

15V/1,4Kg/4Sen// Lithium 3C

4.1V à 3,5V

5serie,6//

Donc 24en

//

OPTIMA 35A.H

12V/18 kg

Plomb 20C

14V à 11V

6 series

Thunder Sky 90 A.H

LiFePO4 3C 22 serie

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.

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

réussi à aller aussi vite que les kartings thermiques (

avons le record du tour dur le circuit national

notre point négatif est le châssis.

En effet, nous avons un châssis lourd (180kg), et du à celui

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

recharge à 40A ou à 80 A aux stands.

ner en légèreté avec un

des freins présent à l’avant.

Ce châssis nous ferait gagner 40Kg. Aussi, une nouvelle

technologie de batterie serait primordiale afin d’augmenter

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

cédents et d’avoir moins de frottement sol donc, plus

L’objectif est de passer aussi en 72V à la place

de 48V pour diminuer le courant pour une même puissance

Etude du marché des batteries étude sur des nouvelles batteries qui sont commercialisé depuis 2008, mais qui

. En 2010, les prix ont fortement baissés :

Nbr

élément

série et //

poids/élém

Prix pour

72V/60A.H

Poids et nbr

élément tot

22 ? 3200 € 50 kg

18serie,12//

75 à 64 V

15 €

0.21 kg

15 €*18*12

3240 €

0.2kg*18*12=

43,2 kg, 192el

2serie,4// 55 €

0,5 kg

4400 € 5kg*2*4=

40 kg

20 serie,6//

80Và 68V

1654 €*6 9924 € 12,6kg*6=

76 kg

5serie,6//

Donc 24en

//

724 €*5*6 21000 € 42 kg

6 series 180 €*6 1080 € 108 kg

22 serie 135 €*20

3kg

2700 € 60 kg

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

3

en 2010 d’un karting 2 moteurs (40CV=30 kW)

nominal) et que nous avons

réussi à aller aussi vite que les kartings thermiques (D’ailleurs, nous

national de Bucy-le-long) ,

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

es nouvelles batteries qui sont commercialisé depuis 2008, mais qui

Poids et nbr

élément total

Fiabilité/20

Année de

vente

50 kg 2010

0.2kg*18*12=

43,2 kg, 192el

18/20, 2009

5kg*2*4=

0 kg

17/20, 2009

12,6kg*6=

76 kg

16/20, 2008

42 kg

108 kg

12/20, 2003

kg 18/20, 2009

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

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 :

( )2min

2maxSC)Joule( VVC

21

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 V3

1V = 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

max2maxSC I

PVC

2

1W 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 V2

1V = 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

2max

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

Supercondensateurs

bu

s D

C

6

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 :

=⋅

⋅=⋅

∆⋅=20072

263600

IV

W3600)s(t

DCbusDCBus

)h.W( 6.5s

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 :

2420072

V

IVmaxI

min

DCbusDCBusSC

⋅=⋅

= =600A

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

7

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 mΩ

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 (or, orange )

33KΩ à 25 °C avec un beta de ?

2KΩ à 120 °C

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 pur privilégier soit l’accélération ou la

vitesse maximale.

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 300A 44/25 90

60V 300A 44/21 76

60V 300A 44/17

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

8

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 :

3

1

3roue

22

eargchmoteur

MasseRayon)60

2(N

)CoupleCouple(cetanDisducteurRe

⋅⋅π⋅⋅

−⋅= (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. 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 :

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

48B

24V

12V

48V

Reverse

12V

24V Reverse

48B

switch 6

48V Forward

KM1A1 A2

KM2A1 A2

B1

1

2

B2

1

2

B3

1

2

B4

1

2

Potentiomètre accélération1 2

3

K1A1 A2

KM4A1 A2

Moteur Lynch

M

1

2

Moteur ventillateur

M1 2

Moteur Lynch

M

1

2

K1

Valeur 1

23

4

567

8

9

10

11

12 B-15

13

A

14

Valeur 1

23

4

567

8

9

10

11

12 B-15

13

A

14

S5

1

2

5A12

5A12

400A12

1

2

3

4

400A12

KM41 2

KM1

1

2

3

4

KM2

1

2

3

4

5A12

5A12

Fast switch1411

12

securite frein meca

48V/200A

400A pendant 10 minute

B+

B+

SW202400A

Millipak

Millipakpump

pump

GEII CUFFIES

seat switch

9

6. Schéma de câblage avec 2 POWERpaks à un seul quadrant (1Q)

Nous avons un powerpaK pump

Entrée du vario activation

Broche 1 Alimentation 80V commandé par l’arrêt d’urgence NC

Broche 2 « 0 » logique Inter levage 3

Broche 3 « 0 » logique Inter levage 4

Broche 4 « 0 » logique Levage bloqué (lift inhibit)

Broche 5 « 0 » logique Direction assistée (power steer trigger)

Broche 6 « 0 » logique Inter siège (coupe la PWM par sécurité)

Broche 8 Cooling fan drive

Broche 10 [0V à 5 V] Entrée analogique (pédale accélérateur)

Broche 12 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

Nous allons passer au paramétrage des 2 variateurs

80V

12V

30V

80V

GND

80V (96V Max)

broche 4

broche 10

blanc

blanc

vert

vert

GND

1

23

4

567

8

9

10

11

12 B-15

13

A

14

1

23

4

567

8

9

10

11

12 B-15

13

A

14

300A12

B1

1

2

B2

1

2

B3

1

2

B4

1

2

B5

1

2

B6

1

2

B7

1

2

B8

1

2

B9

1

2

B10

1

2

B11

1

2

B12

1

2

B13

1

2

B14

1

2

B15

1

2

B16

1

2

B17

1

2

B18

1

2

B19

1

2

SD300AU1

1

2

300A12

10A

1

2

AU2

1

2

LD1

A

K

B20

1

2

1

2

S8capteur de frein

AU2

5A

1

2

AU2

1

2

SD300AU1

SD300

A1

A2

LD124V

A

K

S8capteur de frein

F4

1

2

Feu a led

X1

X2

LD224V

A

K

B+

B+

Millipak

Millipakpump

pump

seat switch

pédale d'acceleration

1,8K ohms

blanc

rouge

vert

noir

GND

20 e

lem

ents

thun

ders

ky

11

7. 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.

On peut visualiser l’etat du vario, courant, vitesse, température …

Accel2zero permet au moteur

de ne pas tourner pour une

certaine position de

l’accélérateur

12

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.

Pas de potentiomètre sur Accel 1 donc il ya 5V et 0%

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

imposé par la limitation de courant.

Le courant total est imposé par la charge mécanique

IT=I1+I2=C(N.m)/K

Le courant de chaque moteur a pour équation :

x

xxbattx R

E-•U=I

α

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.

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.

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.

U1=

E1=k.ω=E2

R1

I1=

U2= R2

I2=

14

8. 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.

8. Charge de 9 éléments à 25A

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.

Il n’y a que 8A.H de charge à tension

constante. Donc si on arrête de

charger des que l’on atteint 3.6V les

batteries seront rechargées à 90 %

9. Tension des 9 éléments après la charge

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.

Current 25A

Voltage accu

Capacity energy en A.H

Voltage 9 cells

Voltage accu

Voltage 9 cells

15

10. Charge lorsque l’accu est déjà à 100%

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.

11. Équilibrage lorsque l’accu est déjà à 100%

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.

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.

Oscillation de courant

Diminution de la tension de l’élément

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.

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

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

Donc la résistance interne est de 2

mΩ/element. Ce qui n’est negligeable

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.

Decharge à 20A

Decharge à 75A

ARRET de decharge

Cell 4

9. Courbe électrique et Consommation

Pour vérifier les pertes de la transmission

en mesurant la tension moteur et leur courant.

mesurer les 2 courants moteurs, nous utilisons

période d’échantillonnage minimale de 1 s.

commande dans le variateur voila nos résultats

12. Fig. Essai à

en bas tension et courant moteur gauche

Au premier démarrage, on peut voir sur la figure

régime établi, les deux moteurs fournissai

moteur gauche qui a fournit plus de courant

lors de la décélération la tension diminue

deux tensions sont pratiquement identique

bien identique pour les deux moteurs.

On peut voir sur la figure suivante le moteur en charge avec plusieurs

droit et gauche ont été mises l’un sur l’

moteurs.

10A

50V

Consommation énergétique du karting

les pertes de la transmission et la bonne commande des deux moteurs, nous faisons un

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 enregi

e de 1 s. Apres plusieurs essais en modifiant les tensions de courroies et de

résultats pour un galet moteur de 40 dents et de transmission de 80 dents

Essai à Vide, en haut tension et courant du moteur droit en bas tension et courant moteur gauche

peut voir sur la figure précédente que le moteur droit à fourni

eux moteurs fournissaient pratiquement le même courant. Au deuxième

moteur gauche qui a fournit plus de courant. La tension aux bornes du moteur atteint 48V

diminue progressivement en fonction de la vitesse.

sont pratiquement identiques donc le coefficient de la force électromotrice

la figure suivante le moteur en charge avec plusieurs accélérations. Les deux mesures

l’un sur l’autre pour mieux observer les différences de commande

17

du karting

, nous faisons un essai à vide

de notre instrumentation pour

qui enregistre ces données avec une

Apres plusieurs essais en modifiant les tensions de courroies et de

pour un galet moteur de 40 dents et de transmission de 80 dents.

sion et courant du moteur droit

que le moteur droit à fourni plus de courant. Puis en

deuxième démarrage, c’est le

. La tension aux bornes du moteur atteint 48V très rapidement, puis

tion de la vitesse. Lors des décélérations les

électromotrice (speed constant) est

Les deux mesures du moteur

de commande entre les deux

13. Fig. Essai en

A partir de la figure précédente, les tensions entre les deux moteurs et les cou

deux moteurs sont bien commandés.

A partir, de la troisième accélération, on peut mesurer qu’il

établi de vitesse. La vitesse peut être est

[ ] Rayon•k•)I•R-U(=)h/km(Vitesse v

Vitesse max théorique serait de 76 km/h

La pince ampérométrique a un temps

est difficile d’observer le courant maximum fournit par le variateur.

10. Nomenclature et cout du karting

Le budget est important car l’argent c’est le nerf de la compétition. Ma

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

4 elements de batteries lipofe thundersky

2 chargeurs unitaires de 10 éléments 3

4 alimentations 220V AC 24V DC 40A

Pédale d’accélération

Châssis avec frein hydraulique avant et

Petit matériel

2 chargeurs maison 30A avec équilibreurs

un contacteur simple avec AU

Essai en charge, tension et courant des moteurs droit et

es tensions entre les deux moteurs et les courants sont quasi

, on peut mesurer qu’il faut 4 secondes pour attei

est déterminée par l’équation suivante en attendant le capteur de vitesse

6.3•Dents

Dent

60

•2•Rayon

ontransmissi

moteurroue

π (equ 2)

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.

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.

prix

3000 neuf

1 variateur powerpak pump 95V, 600A 550 €, l’autre a été offert par SEVCON

450 €

18 elements de batteries lipofe thundersky 90A.H 2100 euros occasion

thundersky 90 A.H 450 euros en attente

30A 300 euros

220 euros

65 Euros offert par SEVCON

avec frein hydraulique avant et arrière 1000 Euros

500 euros

équilibreurs 400 euros

180 euros offert

18

et gauche

rants sont quasi identique, donc les

pour atteindre 48V donc le régime

endant le capteur de vitesse :

rayon roue=0,125 m

d’échantillonnage de 1s, il n’y a pas de rampe d’accélération (0,1s), donc il

is 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

, l’autre a été offert par SEVCON

19

Un phare arrière de matrice de led pour le freinage 50 Euros microcontrôleur ATMEGA

Une instrumentation 600 A et mesure vitesse et

tension

150 €

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.

11. 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.

12. 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)