JE CONSTRUIS MON VÉHICULE ÉLECTRIQUE
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Transcript JE CONSTRUIS MON VÉHICULE ÉLECTRIQUE
Je construis
mon véhicule
électrique
Retrouvez aussi :
Électrotechnique
et énergie électrique
2e édition
Luc Lasne
304 pages
Dunod, 2013
Aide-mémoire
d’électrotechnique
Pierre Mayé
320 pages
Dunod/L’Usine Nouvelle, 2012
Arduino, Applications
avancées
Christian Tavernier
224 pages
Dunod, 2012
Arduino, Maîtrisez
sa programmation
et ses cartes d’interface
Christian Tavernier
232 pages
Dunod, 2011
Thierry Lequeu
Arnaud Sivert
Je construis
mon véhicule
électrique
© Dunod, Paris, 2013
ISBN 978-2-10-058944-9
TABLE DES MATIÈRES
Chapitre
pa g e
Avant-propos
1
Introduction
7
1
2
3
4
5
Relations entre électricité, mécanique, et cinématique 1.1 Force et puissance motrice
1.2 Force accélératrice et force decélératrice
1.3 Relation force, couple, vitesse, puissance
1.4 Force, puissance, couple et intensité équivalent
thermique
1.5 Indice de protection du matériel électrique
1.6 Les dangers de l’électricité
1.7 Caractéristique dynamique d’un véhicule
11
12
13
17
19
21
22
23
Les moteurs et les variateurs
2.1 Les différentes technologies de moteurs
et de variateurs
2.2 Choix de la transmission
28
36
Le stockage de l’énergie
3.1 Les accumulateurs électriques
3.2 Modèle et caractéristiques d’une batterie
3.3 Les super-condensateurs
3.4 Les chargeurs de batterie
39
40
48
56
60
Les accélérateurs et l’instrumentation
4.1 Les différents types d’accélérateur
4.2 L’instrumentation
4.3 Mesure de la température du matériel
71
72
73
79
Application vélo à assistance et cycle motorisé
5.1 Le vélo électrique au quotidien
5.2 Puissance demandée par un vélo
5.3 Les moteurs de 250 W à 4 KW
81
82
84
86
V
27
Je construis mon véhicule électrique
6
5.4Les moteurs outrunner de 250 W à 14 kW
et les variateurs
5.5 Les roues, rayonnages et transmissions
5.6 Les variateurs et les accumulateurs
5.7 Câblage d’un vélo électrique
5.8 Bilan et estimation du prix de l’énergie entre
un vélo électrique et un 50 cm3
5.9Synthèse sur la réalisation d’un cycle électrique
107
109
Application au kart électrique
6.1 Caractéristiques des karts thermiques
6.2 Puissance demandée par un kart électrique
6.3 Couple à l’accélération
6.4 Transmission
6.5 Batteries pour karting
6.6Les motorisations pour kartings électriques
6.7 Paramétrage du variateur
6.8 Dynamique d’un karting
111
112
112
113
114
115
117
126
130
Index
135
VI
89
90
91
104
Avant-propos
Bref historique
Les véhicules électriques existent depuis le début du XXe siècle. Ils
avaient à l’époque des performances comparables à celles des
véhicules thermiques.
Mais l’évolution des moteurs thermiques a été beaucoup plus
rapide que celle des accumulateurs électriques. Par conséquent,
les véhicules électriques n’ont rapidement plus été viables d’un
point de vue économique. Les moteurs à combustion interne et à
essence ont donc acquis une position largement dominante sur le
marché pendant tout le XXe siècle1. Les véhicules avec moteur
électrique autonome ont été spécialisés dans des applications
telles que chariots élévateurs, machines de nettoyages industriels,
chariots filoguidés…
Depuis 2007, grâce aux dernières innovations dans le domaine
des accumulateurs et grâce à la flambée du prix du pétrole, les
véhicules électriques redeviennent intéressant économiquement.
Figure 0.1
À gauche, La jamais
contente de 1899
50 kW, 200 V,
avec deux moteurs,
100 km/h Max.
1. On peut lire un bel historique des moteurs sur www.kartelec.com
1
Je construis mon véhicule électrique
Figure 0.2
Peugeot de 1941,
2,5 kW, 48 V, vitesse
Max 30 km/h
Construire son véhicule électrique !
Construire un véhicule électrique, c’est faire un compromis entre
la puissance, la consommation d’énergie, le poids, le volume,
l’autonomie… et le coût.
Pour tous les véhicules électriques, le point noir se trouve au
niveau des batteries qui coûtent encore relativement cher et qui
ont une durée de vie limitée avec une fiabilité approximative.
En conséquence l’autonomie des véhicules électriques est encore
relativement faible par rapport à celle des véhicules à essence. La
recharge électrique prend généralement plus d’une heure, même
s’il existe aussi des possibilités de faire un échange rapide avec un
autre jeu de batteries.
En revanche, l’énorme avantage des véhicules électriques est que
l’énergie électrique est à peu près cinq fois moins chère que l’essence
(en 2012), et que cet écart se creuse un peu plus chaque année.
Aujourd’hui, il est facile de réaliser son propre véhicule électrique
grâce au web où l’on pourra trouver tout le matériel nécessaire.
Ces dernières années, de nombreux fournisseurs se sont spéciali
sés dans la vente de kits à monter soi-même. On regrettera malgré
tout qu’ils fournissent très peu de justifications permettant de gui
der le choix de l’internaute. De nombreux blogs et forums existent
aussi pour vous aider, mais ils sont loin de donner un guide com
plet pour la réalisation d’un véhicule électrique. Autre inconvé
nient, il y a de fortes chances d’avoir des réponses en anglais
même en formulant des questions en français.
Par ailleurs, la réalisation d’un véhicule électrique demande de
sérieuses connaissances en mécanique, en électrique, et en ther
mie. Choisir un moteur ou un variateur en adéquation avec un
cahier des charges n’est pas facile pour tout le monde. De même,
le choix d’un accumulateur qui nécessite de sélectionner le nombre
d’éléments, la capacité énergétique, l’autonomie, le volume, le
2
Avant-propos
poids, le prix, l’indice de protection, la durée de vie, le montage de
l’accumulateur, est souvent un casse-tête…
Les objectifs de ce livre
Le but de ce livre est de vous aider à faire ces choix pour que vous
puissiez réaliser vous-même votre véhicule à partir de vos objectifs.
Il regroupe l’ensemble des informations techniques qui vous per
mettront de construire votre propre véhicule électrique que ce soit
pour un usage quotidien, pour des challenges ou pour des courses.
Tous les aspects mécaniques, électriques, paramétrage, chargeurs,
sont traités afin de permettre à chacun de faire des choix et de
concevoir son véhicule en fonction de son cahier des charges.
Ce livre vous aidera à dimensionner, à modéliser, à paramétrer,
puis à réaliser et à valider votre véhicule. Il vous permettra aussi
d’en faire la maintenance et de l’optimiser.
Fruit d’une expérience de plusieurs années des auteurs et de leurs
étudiants, cet ouvrage rassemble de nombreux conseils, astuces,
exemples pratiques et expériences personnelles.
Les auteurs ont pris le parti d’utiliser certains termes techniques
anglais ce qui permet de comprendre les datasheets et les docu
ments des fournisseurs étrangers.
© Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit.
À qui s’adresse ce livre ?
Ce livre s’adresse à tous ceux qui veulent réaliser un véhicule élec
trique, qu’ils soient collégiens ou lycéens (Bac pro mécanique,
électrique, STI2D, S science de l’ingénieur), étudiants en BTS ou
IUT (GEII, génie électrique, mécanique) ou élèves ingénieurs, car
le véhicule électrique sera l’un des véhicules de notre futur.
Ce livre est aussi dédié à tous les autodidactes et amateurs qui ont
le projet de réaliser leur propre véhicule électrique sans être spé
cialiste de ce domaine.
Les compétitions et les associations
Il existe de nombreux regroupements, challenges, ou salons qui
permettent d’essayer des engins électriques et de dialoguer avec
des passionnés qui ont réalisé leurs prototypes.
L’objectif de ces manifestations est en général de partager un
savoir-faire et de comparer les choix technologiques de chacun.
3
Je construis mon véhicule électrique
Festival national de karting électrique
Depuis 2006, le Festival national de Vierzon regroupe vélo élec
trique, robot, karting électrique1. Ce challenge dure trois jours, et
a lieu fin mai. Le but est de comparer les prototypes au cours de
différentes épreuves sur circuit. De nombreuses écoles participent
mais il y a aussi des fabricants de karting électriques2. Ces épreuves
sont :
• l’endurance de 2 heures avec 2 kartings (pendant qu’un karting
charge l’autre roule),
• l’endurance de 4 heures avec 2 à 4 kartings,
• le start et stop de 50 m,
• le meilleur temps au tour des sessions sur les 3 jours,
• la course de 10 minutes.
Pour les écoles un dossier pédagogique doit être fourni et il sera
évalué par un jury.
L’organisation de ce festival est assurée par l’association ASTECH3
avec de nombreux membres d’anciens ingénieurs de chez Matra
qui ont pour but de promouvoir et de vulgariser les sciences et les
technologies.
Ce rassemblement de Vierzon regroupe aussi l’Association e-Kart
dont de nombreux membres sont enseignants en IUT, lycées ou
écoles d’ingénieurs, mais aussi ingénieurs dans l’industrie
(Peugeot, ADS-technologies4, Optima, Sevcon…).
Challenge éco-marathon
Les éco-marathons sont des compétitions de véhicules dont le but
est de parcourir la plus longue distance avec un minimum d’éner
gie. Ces compétitions sont réservées aux étudiants de tous les
niveaux (du collège jusqu’aux grandes écoles) et de tous les pays.
Ces éco-marathons sont ouverts à tous types d’énergies (moteurs
à combustion, piles à combustible (hydrogène), moteurs élec
triques avec batteries ou solaires).
1. www.e-kart.fr
2. Par exemple www.speedomax.fr
3. www.cartec-inno.com
4. www.ecolostation.com
4
Avant-propos
Il existe des éco-marathon en France1, en Belgique2 et aux Pays-
Bas3. Ces différents challenges, dont les règlements sont pratique
ment identiques, ont pour but de proposer des épreuves éducatives
à caractère environnemental qui encouragent l’épanouissement
de projets concrets issus des enseignements techniques et profes
sionnels.
L’objectif des concurrents de ce challenge est de parcourir 25 km à
une vitesse minimale de 30 km/h en consommant le moins d’éner
gie possible.
Il y a deux catégories (prototypes à trois roues minimums et éco-
citadin à quatre roues). Un dossier pédagogique doit être fourni
et évalué par un jury. Les participants sont de tous cursus comme
le montre la figure suivante pour la France.
Figure 0.3
Nombre
de participants
au challenge
Educeco en 2012.
Autres épreuves
© Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit.
Il existe aussi la traversée des Alpes, organisée par Jean Marc
Dubié4, ouverte à tous les véhicules qui ne sont pas « ther
miques ».
Il y a également tous les rassemblements cyclotourismes où l’on
voit de plus en plus de vélo électrique. Il en est de même, pour
les rassemblements de vélo couché5 (Sologne, Normandie,
Trans’Ardennaise, circuit du Mans, velos’Aisne…) où il y a de
nombreux véhicules électriques.
Enfin, il existe un Rallyes Solaires en Savoie pour les prototypes
mélangeant l’utilisation des batteries et la recharge par panneaux
solaires.
1. www.educeco.net,
2. www.slto.be/ecomarathon
3. l’éco-marathon Shell
4. pile-au-methanol.com
savoie-technolac.com/236-course-de-vehicules-solaires.htm
5. velorizontal.bbfr.net/forum
5
Je construis mon véhicule électrique
Remerciements
Les auteurs remercient leurs collègues enseignants pour les cor
rections faites à ce manuscrit, notamment Emmanuel Franc du
lycée Leonard de Vinci de Soissons qui a participé à la réalisation
d’un prototype pour l’éco-marathon, ainsi que José Claudon
enseignant à l’IUT de Génie Mécanique de Saint-Quentin de l’IUT
de l’Aisne qui a collaboré à la réalisation de plusieurs kartings
électriques.
6
Je construis mon véhicule électrique
L’énergie consommée par un véhicule dépend aussi du type de
pneus, de la granulométrie de la route, mais surtout des frotte
ments de l’air. Plus un véhicule ira vite et plus il dépensera de
l’énergie. Pour une distance de 20 km, un cycliste à 20 km/h dépen
sera 175 W.H, alors qu’un cycliste à 45 km/h dépensera 511 W.H.
En 2012, le prix de l’énergie alimentaire est de l’ordre de 4.33 € kW.h
ce qui correspond à 14 € de dépense alimentaire par jour. Le prix
de l’énergie de l’essence est de 0.16 €/kW.h alors que le prix de
l’énergie électrique domestique est de 0.12 €/kW.h.
Un bilan approximatif de nos dépenses d’énergies pour nos diffé
r ents moyens de locomotions est fourni dans le tableau suivant :
Prix en €
véhicule +
assurance
Prix
pour
100 km
Moyen de locomotion
pour une utilisation
d’1 heure sur du plat
Dépense
énergétique
en W.H
Prix de
l’énergie
marche à pied à 5 km/h
110
0,50 €
10 €
course à pied à 10 km/h
220
1 €
10 €
vélo à 20 km/h
175
0,75 €
500 +0
4,75 €
vélo mobile électrique
sans pédalage à
45 km/h
300
0,025 €
6000 +0
12 €
vélo électrique droit
avec pédalage à
45 km/h
900 +250
0.11+1 €
1500 + ?
5,46 €
vélo électrique droit
sans pédalage à
45 km/h
1150
0,14 €
1500 + ?
3,30 €
scooter à moteur
thermique à 45 km/h
27 000
4,50 €
2000 +300
20 €
Voiture à moteur
thermique à 45 km/h
36 000
5,70 €
25000 +400
70 €
Généralités sur la construction
d’un véhicule électrique
Tous les véhicules électriques sont composés d’un châssis, d’un
moteur (qui peut aussi servir à freiner), d’un variateur de vitesse,
d’une réserve d’énergie (l’accumulateur), d’un chargeur de batte
rie… et d’un certain nombre d’autres choses.
Avant de réaliser un véhicule électrique, il faut se poser les ques
tions suivantes (et si possible y répondre…) :
8
Introduction
•Quelle sera la masse du véhicule ? quelle masse devra-t-il trans
porter ? sur quel type de voie ?
• Quelle vitesse maximale ce véhicule devra-t-il atteindre ? (ce
qui va conditionner la puissance du moteur).
• Quel devra être le temps d’accélération minimal ? (ce qui dimen
sionnera la puissance du variateur par rapport au moteur).
• Quelle sera la distance de freinage pour la vitesse maximale ?
• Quel est l’objectif d’autonomie du véhicule ? (ce qui fixera la
capacité énergétique de la batterie).
• Quel est le budget maximal à ne pas dépasser ?
• Quel temps de recharge maximum de l’accumulateur est-on
prêt à accepter ? (ce qui dimensionnera le chargeur mais aussi le
choix de la batterie).
• Quelle sera consommation énergétique pour parcourir 100 km ?
• Est-ce que le volume de matériel pourra être placé sur le véhi
cule ?
Trouver le compromis idéal n’est pas une chose facile, car tous ces
éléments du cahier des charges sont liés.
© Dunod – Toute reproduction non autorisée est un délit.
Par exemple, si vous voulez aller plus vite, la puissance motrice
sera plus importante, donc le moteur sera plus lourd. Il faudra
alors utiliser davantage de capacité énergétique pour votre batte
rie, voire des technologies plus performantes et votre budget en
subira les conséquences.
Le travail de l’ingénieur est de faire un compromis entre toutes ces
caractéristiques et de réajuster son cahier des charges pour ne pas
faire un véhicule utopique. Mais l’ingénieur ne peut pas tout anti
ciper, et réaliser un premier prototype permet d’avancer et de se
poser certaines questions après coup.
Par conséquent ce n’est pas grave, si vous ne maîtrisez pas tout
du premier coup.
Les questions viennent lorsque vous désirez améliorer et optimi
ser votre véhicule. En effet, pour optimiser, il faut souvent passer
par quelques équations mathématiques pour mieux comprendre
votre système.
Ces équations permettent de modéliser le système, puis de le
réguler et de faire des choix appropriés en fonction d’un cahier
des charges.
Pour optimiser une réalisation, il faut maîtriser la puissance
consommée par le véhicule en fonction de sa vitesse, les forces
9
Je construis mon véhicule électrique
accélératrices et decélératrices possibles, et bien connaître toutes
les technologies pour faire les bons choix.
La première partie de ce livre vous permettra de résoudre et de
dimensionner les éléments de votre véhicule électrique. Les équa
tions qui y sont présentées vous permettront de faire le choix d’un
dimensionnement judicieux en fonction de votre cahier des
charges. De plus, elles vous permettront de vous familiariser avec
les différentes unités électriques et mécaniques et vous aideront à
dialoguer avec d’autres personnes en ayant le même vocabu
laire.
Quelques repères chiffrés
En 2012, avec 1 500 euros de budget, il est possible de réaliser faci
l ement des vélos électriques qui roulent à 60 km/h, qui ont 180 km
d’autonomie, et dont la consommation électrique revient à envi
ron 2 euros pour 1 000 kilomètres.
Il est aussi facile, pour un budget de 8 000 euros, de réaliser des
kartings qui ont des temps d’accélérations de 4 secondes pour
atteindre 100 km/h, qui peuvent rouler à 140 km/h et dont la
consommation électrique revient à environ 5 euros pour 1 000
kilomètres.
Le budget d’achat est identique à celui d’un karting de compé
tition mais il n’y a plus de maintenance du moteur thermique et la
consommation énergétique est 10 fois plus faible que celle d’un
karting thermique…
C’est la raison pour laquelle il y a de plus en plus de kartings élec
triques en location, surtout sur les pistes indoor, d’autant que les
sensations sur ces kartings électriques sont bien meilleures.
Il est aussi très facile de réaliser une moto ou un scooter électrique
qui a les mêmes caractéristiques qu’un karting de compétition
avec les mêmes moteurs et les mêmes variateurs. En revanche,
sachez qu’il vous sera très dif
ficile de trouver un assureur et
d’homologuer votre moto pour rouler sur les routes d’Europe.
10
1
Chapitre
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
pa g e
Relations entre
électriCITÉ,
mécanique,
ET cinématique
Relations entre électricité, mécanique,
et cinématique
11
Force et puissance motrice
Force accélératrice et force decélératrice
Relation force, couple, vitesse, puissance
Force, puissance, couple et intensité équivalent thermique
Indice de protection du matériel électrique
Les dangers de l’électricité
Caractéristique dynamique d’un véhicule
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Les moteurs et les variateurs
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Le stockage de l’énergie
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Les accélérateurs et l’instrumentation
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Application vélo à assistance et cycle motorisé
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6
Application au kart électrique
11
111
Je construis mon véhicule électrique
1.1 Force et puissance motrice
En régime établi de vitesse (c’est-à-dire lorsque la vitesse est
constante), la force motrice est égale à la force résistante.
Figure 1.1
Les forces agissant
sur un véhicule
La force résistante dépend du frottement provoqué lors du roule
ment (type de pneu, granulométrie de la route, perte mécanique
des roulements…). Les forces de roulement (équ. 1.1) sont consi
dérées proportionnelles à la vitesse et sont modélisées par un
coef
fi cient kf. Elles sont négligeables par rapport à la force résis
tante de l’air (équ. 1.2). Cette force résistante de l’air dépend de la
surface d’air traversée notée S, des turbulences appelées le coeffi
cient de traînée Cx, et enfin de la masse volumique de l’air notée ρ
(1,2 kg/m3). On simplifiera l’ensemble de ces données par le coef
ficient kair.
Leurs équations respectives sont :
G Roulement (O) = lg ⋅ W avec V (vitesse en m/s) FAero (N) = k air ⋅ [V (m/s) + Vv ent ] =
2
(1.1)
1
⋅ ρ ⋅ T ⋅ Dy ⋅ ( W+ W Vent) 2 (1.2)
2
La force due à la pesanteur (équ. 1.3) dépend de la masse du véhi
cule et évidemment du pourcentage de la pente de la chaussée. Le
pourcentage de cette pente correspond à hauteur effectuée divi
sée par la longueur du déplacement. Cette force correspond à
l’équation suivante :
FPente (N) = M(kg) ⋅ g ⋅pente(%) (g: gravitation 10 m s 2 ) (1.3)
Évidemment, toutes ces forces résistantes s’additionnent pour
s’opposer au mouvement.
Fresistance (N) = FRoulement + FPente + FAero 12
(1.4)