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LES VOITURES ÉLECTRIQUES
Synthèse réalisée avec l’aide de
LE KART BIMOTEUR DE L’IUT DE TROYES
Avec le soutien de la Délégation Régionale à la Recherche et à la
Technologie, de la Région Champagne Ardenne et du FEDER.
Association E-KART-TROYES
Association d’intérêt général N° 0103010138
régie par la loi de 1901
Président : JF SAUTREAU
Siége social : IUT de TROYES, 9 rue de Québec,
10026 TROYES CEDEX Tel : 0325424613 ou 0325755487
e-mail : [email protected]
Site : www.e-kart-troyes.fr
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SOMMAIRE
Avertissements - Résumé
Pages
3
Première partie : La voiture électrique
Pages
4
-
1 Introduction
2 Historique
3 Aujourd’hui en France
4 Les voitures récentes
5 Projets initialement prévus pour 2008 mais non confirmés
6 Prospective et projets à court terme
7 Recharge et réseau de distribution
8 Prospective
9 Fin de vie et recyclage
10 Écologie
11 Annexes : Un peu de technique
4
4
5
5
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7
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8
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- Annexe 1 : Principe de fonctionnement d’une voiture électrique
- Annexe 2 : Principe de fonctionnement d’une voiture hybride
- Annexe 3 : Quelques sites intéressants
Deuxième partie : Le kart bimoteur de l’IUT de TROYES
-
1 Introduction
2 Conception
- 2.1
Partie mécanique
- 2.2
Partie électrique
-
-
10
10
11
2.2.1 Le variateur de vitesse
2.2.2 L’électronique de mesure et d’affichage
3 Les essais sur piste
4 Aspect financier
- 4.1 Coût de développement
- 4.2 Financement
5 Conclusions
6 quelques sites intéressants
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LES VOITURES ÉLECTRIQUES
LE KART BIMOTEUR DE L’IUT DE TROYES
Synthèse par Denis Hoang du travail collectif de l’équipe « Kart jaune ».
Avertissements
Ce document n’est pas, compte tenu du nombre de pages limité, un dossier complet décrivant en détail tous les
types de véhicules électriques existant. Il se compose de deux parties : la première traite des voitures électriques
en général et la seconde décrit les différentes étapes de conception, de réalisation, de mise au point et
d’optimisation de notre kart électrique. Il s’agit d’un document de présentation générale dont l’objectif est plus de
donner l’envie au lecteur de découvrir plus en détail les véhicules électriques. Il peut motiver les plus jeunes à entreprendre ou à poursuivre des études scientifiques afin de découvrir et de comprendre tous les fondements théoriques qui ont permis d’aboutir à la réalisation de ces véhicules. Ce document accompagne et complète
l’information donnée aux personnes qui découvrent notre kart lors des différentes manifestations mises en place. Il
peut susciter des questions auxquelles s’efforceront de répondre les étudiants concepteurs de notre kart électrique.
Résumé
Dans la première partie, l’auteur fait une présentation générale, puis parle rapidement de l’historique des voitures
électriques. Il détaille ensuite les voitures récentes et les projets qui n’ont pas vu le jour. Il présente ensuite les
perspectives à court terme et les projets qui sont sur le point de voir le jour. Il évoque ensuite les problèmes liés à
la recharge et aux réseaux de distribution d’énergie. L’article se termine par une réflexion sur l’écologie, la fin de
vie des véhicules et leur recyclage, ainsi que les voies d’avenir telles qu’on peut les imaginer aujourd’hui.
Deux annexes, un peu plus techniques, présentent les principes de fonctionnement des voitures hybrides puis des
voitures électriques.
Dans la deuxième partie l’auteur présente en premier lieu, de façon générale, notre kart, ses performances et ses
objectifs. Il détaille ensuite la conception et l’optimisation de la partie mécanique à l’aide du logiciel « catia ».
Puis vient la description de la partie électrique du kart : conception d’un variateur réversible 48 volts 500 Ampères
asservi en courant puis conception du tableau de bord permettant l’affichage de la vitesse, des tensions aux
bornes des batteries, de la température et du courant dans le moteur.
Il termine par un rapide bilan financier et une conclusion, puis oriente le lecteur vers des sites internet offrant une
information complémentaire.
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Première partie : la voiture électrique
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Introduction
Une voiture électrique est une automobile mue par la force électromotrice de moteurs électriques, alimentée par
une batterie d'accumulateurs.
En l'état actuel de la technologie les batteries (voir fig 1 et fig ) permettent difficilement d'assurer une autonomie
suffisante, et nécessite des temps de recharges long (quelques heures). Certains véhicules électriques sont donc
munis de générateurs électriques internes : moteur thermique classique assurant selon la situation une partie de la
traction ou une fonction de groupe électrogène (véhicule "hybride", voir annexe 2 ), pile à combustible(voir fig 2) ou
éventuellement des panneaux solaires intégrés à la carrosserie pour des véhicules spécialement économes
(voir fig 3).
Fig 1 : Batterie lithium ion
Fig 2 : Pile à combustible
Fig 3 : Véhicule solaire
La généralisation de ce type de véhicules impliquerait le développement d'équipements collectifs connexes pour la
recharge hors de chez soi : stations de recharge (ou d'échange de batteries vides contre des pleines), centrales
électriques supplémentaires pour fournir l'énergie électrique se substituant aux carburants actuels, développement
massif de l'industrie des batteries, etc. L'industrie automobile (et industries connexes) devrait se modifier profondément.
2
Historique
Le premier véhicule électrique, un train miniature, est construit par Thomas Davenport en 1834. En 1835, Sibrandus Stratingh met au point une voiture électrique expérimentale à échelle réduite. D'autres prototypes de voitures
électriques ont probablement été construits avant, mais il faudra attendre l'amélioration du fonctionnement des batteries par Gaston Plante en 1865 puis Camille Faure en 1881 pour que les voitures électriques prennent réellement leur essor.
En novembre 1881, Gustave Trouvé présente une automobile électrique à l'Exposition internationale d'Électricité
de Paris. À la fin du XIXe siècle, trois modes de propulsion se partagent le marché naissant de la voiture automobile : le moteur à explosion ou « moteur à essence », le moteur électrique et le moteur à vapeur. La voiture électrique connaît un succès certain dans la dernière décennie du XIXe siècle, tant en Europe (et notamment en
France) qu'aux États-Unis. Il s'agit principalement de flottes de taxis pour le service urbain, en lieu et place des
fiacres et autres voitures de louages à cheval.
Ces voitures étaient munies de batteries au plomb pesant plusieurs centaines de kilogrammes qui étaient rechargées la nuit
dans des stations spécialisées. On compte également quelques
véhicules marquants : c'est ainsi une voiture électrique, la Jamais Contente (voir ci-contre) de l'ingénieur belge Camille Jenatzy, qui dépasse pour la première fois les 100 km/h en atteignant 105,88 km/h le 1er mai 1899.
L'automobile à essence a cependant fini par supplanter la voiture électrique.
On retrouve aujourd'hui, dans l'explication de cet échec, des analyses divergentes. Les uns affirment que la technologie de la voiture à essence doit son succès à sa supériorité économique et technique : la voiture à essence
offre plus d'autonomie, est moins difficile à entretenir, etc. Les autres, moins nombreux, critiquent cette explication
et affirment que le destin de ces technologies repose essentiellement sur des facteurs culturels plutôt que techniques. Au début du siècle, la technologie de la voiture électrique aurait peut-être pu se constituer en industrie
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viable, au moins sur certains secteurs (pour le transport urbain par exemple), mais de fait ce ne fut pas le cas.
Quoi qu'il en soit, l'idée qu'elle reste une alternative ou un complément viable et prometteur aux véhicules à essence n'a jamais complètement disparu : Les espoirs placés dans la technologie des voitures électriques ne date
en effet pas d’aujourd’hui. À la fin des années 1960, la voiture électrique connaît ainsi un regain d'intérêt, grâce notamment au développement de la pile à combustible, et est par exemple présentée à la télévision comme une
technologie pouvant s'imposer à relativement brève échéance. Aujourd'hui à nouveau, on voit apparaître dans la
presse des articles annonçant l'émergence prochaine de cette technologie, sous la pression de l'augmentation du
prix du pétrole et du développement des préoccupations environnementales, et grâce aux derniers progrès techniques.
3
Aujourd'hui en France
Aujourd'hui la majorité des voitures électriques est possédée par
des entreprises ou par des collectivités territoriales : le principal
possesseur de voitures électriques en France est La Poste qui a
décidé de tester de nouveaux véhicules électriques : des Cleanova
II, basées sur le Renault Kangoo (voir fig 4) La distribution du courrier est particulièrement exigeante pour les véhicules : ces derniers
subissent une utilisation urbaine intensive et alternent en permanence départs et arrêts. Leur consommation de carburant est ainsi
couramment le double de celle d'un véhicule utilisé « normalement.
fig 4 : Cleanova II
La Poste exploite aujourd'hui un parc automobile de près de 50 000 véhicules légers et utilitaires et pourrait à
terme utiliser uniquement des véhicules électriques. Leur silence et l'absence de vibrations sont notamment très
appréciés des facteurs. La loi française sur l'air impose à certains acteurs (collectivités territoriales et entreprises
publiques) un taux de renouvellement de 20 % en véhicules propres, qu'ils fonctionnent à l'électricité ou bien au
gaz naturel ou au GPL. La notion de véhicule « propre » est néanmoins contestée par les écologistes qui rappellent qu'un véhicule est toujours polluant, que ce soit du fait de l'utilisation de combustible ou de celui des matériaux
utilisés pour construire le véhicule.
Selon Frédéric Marillier, chargé de campagne Énergie pour l'ONG Greenpeace France, « sur plus de 2millions de
véhicules particuliers neufs immatriculés en 2006 en France, seuls 14 sont électriques. »
4
Les voitures récentes
La compagnie californienne Tesla Motors vend depuis 2008 une petite voiture sport La Tesla Roadster (voir fig 5).
C’est une voiture électrique dont l'énergie provient uniquement d'une batterie au lithium. Malgré son prix de
110 000 € elle rivalise facilement avec des voitures trois fois plus chères. Zéro émission, 450 km d'autonomie, 250
chevaux, de 0 à 100 km/h en moins de 4 secondes et une vitesse de pointe égale à 200 km/h, elle se recharge en
quelques heures. Plus récemment la firme a présenté sa berline familiale de luxe, le Model S. Avec un prix de base
de 50 000 $, jusqu'à 480 km d'autonomie, recharge rapide en 45 minutes et recharge complète en 4h, de 0
à100 km/h en moins de 6 secondes et jusqu'à 7 personnes (5 adultes deux enfants) avec toujours zéro émission.
Elle devrait sortir fin 2011, début 2012. Il se murmure qu'un autre modèle plus abordable est en préparation, avec
un prix de 20 000 $ à 30 000 $.
Fig : 5 La Tesla roadster
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La société indienne « Reva Electric Car Company » produit depuis 2001 la REVA, une petite voiture électrique 2+2
places, d'une vitesse de pointe de 80 km/h et d'une autonomie nominale de 80 km. Vendue en Angleterre depuis
2003 sous le nom de G-Wiz, la REVA (voir fig 6) est maintenant disponible dans différents pays Européens. Deux
modèles sont disponibles depuis 2009 : la « REVAi », à batteries au plomb, et la « REVA L-ion » à batteries lithium-ion, dont l'autonomie nominale est de 120 km.
Toyota va faire tester par EDF une nouvelle voiture hybride (voir fig 7) en vue d'une future commercialisation. Cette
voiture essence hybride sera rechargeable sur une prise électrique domestique. Ce qui permettra pour les petits
trajets de rouler exclusivement à l'électricité, la propulsion essence étant dans ce cas réservée aux trajets plus
longs. Les tests en utilisation normale ont débuté à l'automne 2007.
Fig : 6 La Réva
Fig : 7 La Toyota
Fig : 8 La iMiev
Lors du salon de Tokyo de la rentrée de cette dite année, Mitsubishi a présenté sa iMiev sport (iMiev pour : Mitsubishi Inovative Electric Vehicle, voir fig 8) et Subaru son concept car G4e. Ces deux voitures « tout électrique » ont
une autonomie de 200 km.
Le premier camion tout électrique pour les livraisons en ville est déjà en service en Angleterre. Comme à Londres
la circulation dans le centre est soumise à péage sauf pour les véhicules électriques, le constructeur Smith Newton
a conçu ce camion à cet effet. Il a une autonomie de 80 km et une charge utile de 3,4 tonnes.
En octobre 2008, la société Michelin (voir fig 9) a présenté son système Active Wheel de motorisation électrique,
qui intègre la propulsion du véhicule à la roue, mais également une suspension active. (le concept du moteur roue
électrique est né en 1990 sur la voiture Lohner-Porsche (voir fig 10) et a déjà été perfectionné entre autres par
Pierre Couture d'Hydro Québec.
Fig : 9 Le système Active Wheel
5
Fig : 10 La Lohner-Porsche
Projets initialement prévus pour 2008 mais non confirmés
En mai 2008, Fiat devait sortir de premiers prototypes d'une voiture solaire (dont les batteries pourront être rechargées en partie par des panneaux solaires souples en toiture). Elle devait avoir trois places et une autonomie de
200 km.
La Think City de Think Global devait être lancée en 2008 au Danemark et en Suède, puis en Allemagne, au
Royaume-Uni, en Italie et au Pays-Bas courant 2009 selon l'annonce qui a été faite au salon de Genève 2008.
Cette voiture une 2+2 atteindrait les 110 km/h pour une accélération de 0 à 50 km/h en 6.5 sec. et de 0 à 80 km/h
en 16 sec. Une pleine recharge de la batterie durant la nuit permettrait une autonomie de conduite urbaine de
210 km.
Autre projet français, la Lumeneo Smera, citadine dévoilée au Salon de Genève 2008. Cette voiture associe les
avantages de l'électricité avec un pack de batteries Lithium et deux moteurs de 20 cv chacun à une structure 2
places en ligne s'inclinant pour être très agile et passer dans les embouteillages. Autonomie annoncée 150Km
grâce à un poids contenu de 400Kg. Commercialisation en cours à partir de 24 500 euros et livraisons en juin
2009.
L'Allemagne, faute de budget suffisant a repoussé son plan de développement de l'électro mobilité qui devait être
validé le 5 août 2009 (Il devait notamment encourager la vente de 100.000 voitures électriques hybrides par une
prime d'achat de 5,000 € par voiture).
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Prospective et projets à court terme
Pour 2009, sont annoncées par l'entreprise française Bolloré, la Bluecar et la Bolloré-Pininfarina (voir fig 11).
Prévue pour 2010 (initialement 2009), la Zenn Motor Company annonce l'arrivée de la CityZenn avec une autonomie de 250 à 400 km et une vitesse maximale de 125 km/h. La CityZenn sera vendue entre 25 000 et 30 000 $.
Cette voiture utilisera le supercondensateur EESU de la compagnie états-unienne EEStor qui permettra une autonomie de plus de 250 km pour 5 minutes de recharge. (Il est à noter que le développement du supercondensateur
EESU est actuellement très controversé).
L'entreprise de construction automobile américaine General Motors commercialisera d'ici à 2010 un véhicule à moteur électrique et générateur d'appoint thermique, la Chevrolet Volt.
L'Alliance Renault-Nissan également prévoit le lancement de véhicules électriques; en particulier l'usine Renault de
Flins doit assembler en 2012, en grande série, un véhicule urbain polyvalent destiné au grand public, dessiné mono énergie dès la conception initiale; Ce véhicule est préfiguré par le concept-car Zoé (voir fig 12) qui doit être présenté en octobre 2009.
Fig 12 : Le concept-car Zoé
Fig 11 : La Bolloré- Pininfarina
Un projet d'ingénierie « Oscar » prévoit la construction d'un véhicule électrique « Open Source ».
Des voitures électriques « intelligentes », interagissant elles-mêmes avec un réseau électrique intelligent et alimentés par des énergies renouvelables est une des solutions qui pourraient permettre en 2050 qu'il n'y ait plus de véhicules fonctionnant avec des carburants fossiles en ville (c'est l'objectif du plan allemand de développement de
l'électro mobilité). Des interactions avec l'utilisation de l'hydrogène étant également envisagées.
7
Recharge et réseau de distribution
L'auto électrique demande une refonte importante du système de distribution d'énergie pour devenir une alternative viable aux véhicules à moteur à combustion.
Dans le cas des accumulateurs, des prises électriques privées (garage) ou publiques (voirie) peuvent permettre le
rechargement, mais le temps nécessaire est important. Une solution possible à ce problème de temps de recharge, est l'utilisation de batteries interchangeables, comme c'est déjà le cas des chariots élévateurs utilisés jour
et nuit. Le changement de batterie se fait dans un temps comparable a celui d'un plein de carburant et des essais
sont en cours au Japon et en France (chez Renault-Nissan) pour un changement automatique des batteries. Ce
système impose une refonte de la structure des voitures et des stations essence ou garages qui rendraient ce service. Pour une mise à disposition du public, il faut créer des normes sur les batteries et le contrôle de leur qualité.
Selon la viabilité, ce système pourrait être disponible en station-service ou seulement pour des flottes importantes
(services, poste, taxis) ayant leur propre point de service.
Dans le cas des piles à combustibles, il faut repenser tout le système de distribution de carburant pour inclure l'hydrogène à la station service.
Dans tout les cas, il faudra disposer d'une quantité considérable d'énergie pour remplacer les actuels carburants,
avec ce que cela implique comme développement de la production (de préférence renouvelable et propre). En
France par exemple, 54 millions de tonnes d'équivalent pétrole étaient utilisés pour les transports, leur remplacement par de l'électricité supposerait la livraison aux consommateurs d'au moins 200 TWh, soit presque la moitié de
l'actuelle production électrique.
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Écologie
A l'utilisation, une voiture électrique ne produit pas de gaz polluants ni gaz à effet de serre, est peu bruyante, ne
consomme pas d'énergie à l'arrêt (ce qui est important en contexte urbain).
Cependant, cela reste un objet technique source potentielle de pollutions dans le cadre de sa fabrication, et c'est
évidemment un véhicule routier avec ce que cela implique comme impact environnemental (nécessité d'un réseau
de routes, parkings et autres infrastructures, coûteux, consommateur d'espace…).
Spécifiquement, le véhicule électrique pose la question écologique à propos des accumulateurs (production, recyclage, et élimination) et, selon le cas, de la pile à combustible et de son carburant, ou de la production d'électricité
supplémentaire.
La nature et l'ampleur de ces pollutions dépendent principalement du type d'énergie primaire utilisé pour produire
l'électricité (ou le carburant pour la pile à combustible) destiné au véhicule. Le bilan écologique est très différent
selon la propreté de l'énergie primaire utilisée, sachant que tout le spectre est possible (charbon, éolien, gaz, hydraulique, nucléaire, pétrole, solaire...) et que cela peut dépendre tant de la saison que du mode de recharge (rapide de jour ou lente de nuit, en hiver ou en été, la production électrique sollicitée n'est pas la même). Dans le cas
d’une production d’électricité par le nucléaire, on estime qu’il faudra construire une nouvelle tranche de centrale
par million de voitures mises en service.
9
Fin de vie et recyclage
En fin de vie, la dépollution et le recyclage pour les deux systèmes (pile à combustible et accumulateurs), n'est
écologiquement pas neutre. Les composantes fonctionnelles doivent être recyclées, ce qui comporte un coût autant en énergie qu'en recyclage de matières potentiellement polluantes. Recyclage indispensable dans tous les cas
dû aux matériaux utilisés pour la construction des deux systèmes. Dans le cas des accumulateurs : plomb, nickel
et autres métaux lourds. Métaux et produits chimiques pour les piles à combustible.
Il faut ajouter que les batteries vieillissant rapidement, elles s'usent très vite donc nécessitent un remplacement
(par conséquent un recyclage) fréquent.
10
Prospective
Des voitures électriques (et bus) sans batteries (OLEV (OnLine electric vehicle) ont été testées en Corée en 2009.
Leur moteur est alimenté par induction à partir d'une « voie magnétique » alimentée par un réseau de câbles enfouis à quelques cm sous la surface de la route. En juillet 2009, le prototype de bus fonctionnait à 60 % de la puissance initiale avec un écart à la ligne de 12 cm. Selon les auteurs de ce projet, il faudrait quand même l'équivalent
de deux centrales nucléaires pour ainsi faire rouler 50 % de toutes les voitures de Corée (6 millions de véhicules),
ce qui permettrait 35 millions de barils, et 3 milliards de $ économisés par an (au prix de 80 $ le baril). Les routes
et surface des bâtiments proches pourraient un jour produire de l'électricité photovoltaïque pour alimenter de tels
systèmes.
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Annexes : un peu de technique
Annexe 1 : Principe de fonctionnement d’une voiture électrique
Une voiture électrique (voir fig 13) est naturellement motorisée par un moteur électrique, le plus souvent il s’agit
d’un moteur à courant alternatif. La source d’énergie électrique est constituée par un ensemble d’accumulateurs
appelé couramment batterie (en réalité on devrait dire batterie d’accumulateurs).
Fig 13
Cette batterie (voir ci contre) peut être constituée principalement de plomb (lead acid), de
cadmium-nickel (NiCd), de nickel métal hydrure (NiMH) ou de lithium (Li-ion). La batterie
au plomb est la plus ancienne et la moins
coûteuse. Malheureusement c’est celle dont
les performances sont les plus médiocres en
terme de rapport énergie stockée sur poids
(exprimé en Wh/Kg). Le poids est bien évidemment un ennemi lorsque les batteries
sont à bord d’un véhicule. Cela pénalise les
performances et augmente la consommation
d’énergie. La batterie à base de lithium apparaît comme la plus intéressante malgré son
coût élevé (le lithium est un métal rare). La
société Bolloré qui a conçu la « Blue car »
conjointement avec Pininfarina déclare avoir
mis au point une autre technologie à partir de
lithium dont le rapport, énergie stockée sur
poids, est cinq fois meilleur que celui de la
batterie à base de plomb. L’avenir nous dira ci
cette technologie séduisante « Lithium Métal
Polymère » tient ses promesses.
Énergie massique stockable en fonction du type d’accumulateur
Fig 14
C’est l’électronique qui gère les échanges d’énergie entre la batterie et le moteur électrique. Un dispositif appelé
« variateur de vitesse » (voir fig 13) dose la puissance délivrée au moteur en fonction des ordres donnés par le
conducteur du véhicule.
Lorsqu’il enfonce l’accélérateur, le véhicule doit accélérer, il faut alors délivrer plus de puissance au moteur. Lorsqu’il « lève le pied » la voiture doit ralentir (ou même freiner) il faut donc que le moteur se transforme en génératrice afin de réinjecter de l’énergie dans les batteries. On appelle ce mode de fonctionnement, « freinage par récu© IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 – Page 9
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pération d’énergie ». Lors d’une utilisation urbaine ce fonctionnement est particulièrement intéressant car on freine
très souvent. C’est ici que la voiture électrique montre son écrasante supériorité par rapport à un véhicule exclusivement thermique car, non seulement on récupère une bonne partie de l’énergie cinétique lors des ralentissements, mais en plus, lorsqu’elle est à l’arrêt (à un feu rouge par exemple), cette voiture ne consomme aucune
énergie.
Le principal souci est la recharge des batteries car l’autonomie est limitée à quelques centaines de kilomètres pour
l’instant. Ce ne doit pas poser de problème pour une utilisation exclusivement urbaine, mais la voiture électrique ne
décollera vraiment que lorsque le problème de l’autonomie sera résolu. Messieurs les chercheurs vous avez encore du pain sur la planche !
Annexe 2 : Principe de fonctionnement d’une voiture hybride
Voici une technique qui peut, dans un premier temps, concurrencer la motorisation purement électrique car elle
s’affranchit des problèmes d’autonomie. Avec l'hybride (voir fig 15), inutile de recharger les batteries
d’accumulateurs sur une prise secteur ni de chercher un carburant disponible dans quelques rares stationsservice, le plein de super suffit. Mais avant d'envisager un tel achat, il est nécessaire de bien comprendre le fonctionnement de ce véhicule innovant pour en saisir tous les avantages et les inconvénients.
Le principe de la motorisation hybride est de faire fonctionner deux moteurs, l'un électrique, l'autre à combustion, à
tour de rôle ou simultanément selon les besoins de la conduite. Le premier est sollicité pour de petits efforts et le
second intervient lorsque les besoins de traction sont plus importants. Le moteur électrique est alimenté par des
batteries, elles-mêmes rechargées par des alternateurs lorsque le véhicule décélère. Dans le détail, on distingue
cinq phases de fonctionnement :
Deux moteurs, deux énergies :
- lorsque le véhicule est immobile, les deux moteurs sont à l'arrêt : le moteur thermique ne
tourne pas, il n'émet aucun gaz.
- au démarrage, le moteur électrique assure seul
la propulsion, jusqu'à environ 30 km/h.
- passée cette vitesse, le moteur thermique redémarre et prend le relais, seul ou accompagné
du moteur électrique.
- lors d'une accélération franche, les deux moteurs sont en action pour obtenir le maximum de
puissance disponible.
- au freinage ou lors d'une décélération, des alternateurs rechargent les batteries du véhicule.
fig 15
Ce type de voiture peut être utilisé indifféremment sur autoroute, sur route ou en ville, mais c’est en utilisation
mixte (route + ville) qu’elle prouve sa supériorité sur un véhicule exclusivement thermique (dans ce cas sa consommation est sensiblement moindre).
Ce qu’on peut regretter par contre et c’est là l’inconvénient majeur, c’est l’utilisation de carburant fossile pour
rouler et recharger les batteries. Cela ne va évidemment pas dans le sens d’une réduction massive des dégagements de gaz à effet de serre.
Annexe 3 : quelques sites intéressants :
Site web : http://www enerzine.com
Site web : http://www.clean-auto.com
Site web : http://www.batteryuniversity.com
Site web : http://www.bluecar.fr
Site web : http://www.batscap.com
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Deuxième partie : le kart bimoteur de l’IUT de Troyes
1
Introduction
Électrique dites vous? Et pourtant ça décoiffe et en plus il respecte l'environnement !
Balayant les idées reçues, quand aux performances d'un véhicule électrique, l'IUT de Troyes, triple vainqueur du challenge E-kart dévoile son kart électrique animé par deux moteurs à courant continu.
Initialement destinés à propulser calmement des voiturettes de golf (sans réveiller le Yorkshire de madame sommeillant à l'arrière), les deux moteurs E-tek ont bel et bien été radicalement détournés de leur application initiale.
En effet, grâce à une électronique de commande et de puissance particulièrement performante, ces moteurs sont
poussés bien au delà de leurs limites habituelles de fonctionnement. Le résultat est une puissance crête de l'ordre
de 42 chevaux pour l'ensemble, disponible pendant suffisamment de temps pour effectuer des épreuves d'accélérations (50 mètres départ arrêté) ou de vitesse (record du tour sur une piste de 400 mètres par exemple).
Étant donné sa puissance, cet engin démoniaque serait, paraît-il, capable selon ses concepteurs, de rouler à près
de 180 km/h en ligne droite si on l'équipait d'une transmission adaptée pour battre des records de vitesse pure.
Mais tel n’est pas son objectif, du moins pour l'instant. En effet ce prototype a pour vocation de participer au challenge E-kart 2009, dont les épreuves de vitesse, d’endurance et d’accélération ne nécessitent pas une telle vitesse
de pointe.
Triple vainqueur du challenge (voir fig 17) et afin
de conserver une longueur
d'avance sur ses concurrents, l’IUT de Troyes a
déployé
les
grands
moyens en développant ce
nouveau Kart équipé de 2
moteurs (voir ci-contre),
doublant ainsi la puissance, tout en minimisant
les apports de matières,
dans le but de minimiser le
poids de l’engin et donc
d’optimiser
le
rapport
poids/puissance.
Fig 16 : le kart bimoteur
Fig 17 : L’équipe victorieuse en 2008
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Conception
2.1
Partie mécanique
Nous utilisons, par souci de rigidité et de robustesse car ce kart électrique embarque pas moins
de 80 kg de batteries au plomb, un châssis type
« kart de location » développé à l’origine pour des
karts thermiques. Sa masse « tout nu » est conséquente puisqu’elle atteint 36Kg.
Il a même fallut le renforcer aux endroits critiques afin de limiter les contraintes et ainsi accroître sa fiabilité.
Du poids a été gagné essentiellement
en allégeant les accessoires.
Pour se faire, un logiciel extrêmement
puissant a été utilisé. Il s'agit de
« Catia », développé par la société
Dassaut pour la conception de l’avion
de combat « Rafale » puis, utilisé ensuite, pour la conception des « Airbus ». Ci-contre la modélisation informatique du châssis.
.
La simulation (voir ci-dessous), fait apparaître des zones (en rouge), où la contrainte est proche des limites de rupture. Tout l'art du mécanicien consiste à placer des renforts aux endroits stratégiques afin de gagner en robustesse
tout en limitant l'apport de matière afin de ne pas pénaliser les performances dynamiques par excès de poids.
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Autres exemples (voir ci-dessous la simulation puis la réalisation), les couronnes et les pignons de transmission on
été ajourés puis testés, les pédaliers de frein et d'accélérateur ont été considérablement allégé. Le disque de frein
a perdu en épaisseur, de plus il a été ajouré, ce qui permet un meilleur refroidissement et d’utiliser un capteur magnétique a proximité du disque, pour la mesure de vitesse.
Couronnes et pignons de
transmission
Disque de frein percé utilisé
pour la mesure de vitesse
Pédaliers de frein et
d’accélérateur
Au total, le poids a été réduit de 10% tout en conservant une excellente rigidité de façon à préserver la bonne tenue de route.
Le choix des rapports de transmission
s’est fait en analysant le comportement
(accélération, vitesse, distance totale
parcourue) du kart dans différentes situations. La mise en équations du problème a permis de déterminer le temps
t1 nécessaire pour effectuer les 50m
306. M. R12
50
Cmax i
60 .R1
sachant que M est la masse du kart, R1
le rayon du pignon moteur, et Cmaxi le
couple moteur maximal disponible.
Nous avons pu vérifier à l’aide du tableur « Excel » (voir ci-contre) la validité de ce résultat et ainsi choisir pour
chaque épreuve le meilleur couple pignon couronne.
départ arrêté : t1
180
160
140
120
100
Vitesse
Distance
80
Piste
60
40
20
0
0
2
4
6
8
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10
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Ce Kart utilise 2 moteurs refroidis par un seul ventilateur, placé au centre. Là encore le logiciel « Catia » a permis
de prédéterminer l’emplacement de chacun des éléments, tout en facilitant la conception des pièces de raccordement (voir ci-dessous).
Il a été d’une aide précieuse pour déterminer la répartition des masses et donc le comportement dynamique du
kart.
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2.2
Partie électrique
2.2.1 Le variateur de vitesse
Pour pouvoir exploiter pleinement les deux moteurs, il a été indispensable de développer deux variateurs de vitesse (1 par moteur) asservis en courant à une même consigne fixée par la pédale d’accélérateur.
Deux solutions sont envisageables :
- réaliser un variateur deux quadrants donc capable de recharger les batteries à chaque freinage (nous reviendrons plus loin en détail sur ce fonctionnement particulier).
- réaliser un variateur un seul quadrant, plus simple mais incapable de recharger les batteries.
L’avantage du variateur deux quadrants est évident. Il est particulièrement utile dans une épreuve d’endurance car
il permet de prolonger l’autonomie du kart. Le principal inconvénient de ce type de variateur est sa plus grande difficulté de mise au point.
Rappels sur le fonctionnement d’un hacheur réversible (variateur 2 quadrants)
Fonctionnement en moteur
Fonctionnement en génératrice
Vmoyen et i sont tous deux positif (le couple est positif).
De 0 à α1T le courant est prélevé sur U (donc U fournit de l’énergie), et de α1T à T le courant circule dans
la diode de roue libre D2.
Vmoyen est positive mais i est négatif (le couple est
alors négatif).
De 0 à α2T le courant circule dans T2, puis de α2T à
T le courant circule dans la diode de roue libre D1,
il est réinjecté dans U
(donc U reçoit de l’énergie).
iu < 0
iu >0
D1
U
T1
COMMANDE
COMMANDE
D1
Lm
U
i>0
V
Lm
i <0
V
R
D2
R
D2
T2
T1
L
E
L
E
T2
de 0 à
de
de 0 à
àT
de
T1
àT
T2
on
on
off
off
t
.T
0
T
V
.T
0
t
T
U
U
V
i
0
0
.T T
t
.T
T
i
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t
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1
. M. V 2 )
2
est transformée en énergie électrique par la machine à courant continu (moteur) qui fonctionne alors en génératrice. Le rôle du hacheur sera donc de réinjecter cette énergie sur les batteries afin de les recharger. Pendant cette
phase, le hacheur est élévateur de tension car sa source d’énergie est maintenant la génératrice à courant continu
(sa f.e.m E, à mi-vitesse, vaut 25Volts par exemple) et le récepteur est constitué par la batterie, dont la tension est
voisine de 50Volts.
La première version de notre hacheur utilisait des transistors MOS 100V - 500Ampères. Nous nous sommes très
rapidement rendu compte que, compte tenu des surtensions liées aux inductances parasites de câblage (quand on
coupe 400A en 0,4 S dans un conducteur qui fait seulement 5cm on assiste à une surtension égale à 100Volts),
cette technologie ne nous permettrait pas d’aboutir (voir photo ci-dessous). Nous avons donc décidé d’abandonner
les MOS 100V – 500A pour des IGBT 600V - 600A certes, moins rapides et qui se saturent moins bien, mais qui
tiendront sans problème les surtensions irréductibles. Les conséquences de ce choix sont des pertes par commutation et par conduction plus élevées, donc un radiateur nettement plus volumineux.
Pendant les phases de freinage une part importante de l’énergie cinétique accumulée par le kart ( WC
Autre problème, le 48Volts délivré par les batteries parvient au variateur à l’aide de câbles dont l’inductance naturelle vaut plus de 2 H, ce qui théoriquement ferait apparaître, lors de chaque commutation, plus de 2000Volts
aux bornes des transistors assurant le découpage. Il est donc indispensable de placer au plus près du hacheur un
condensateur de découplage de forte capacité. Notre première version n’utilisait qu’un seul condensateur de découplage de la tension d’alimentation (dont la valeur était de 22000 F). Nous avons constaté un échauffement tout
à fait excessif de ce condensateur dès les premiers essais. Une petite étude théorique rapide a montré que le courant efficace qui le parcours vaut iCef f
iM .
.(1
) dans lequel iM est le courant moyen circulant dans le moteur
et le rapport cyclique. Comme nous espérions monter ce courant dans le moteur jusqu’à 400A, dans les conditions les plus défavorables (pour = 1/2) ce courant iCeff atteint 200A. Une recherche chez les principaux fabricants
de condensateurs (BC Components et EPCOS) nous a montré qu’il fallait utiliser soit 4 condensateurs de
22000 F, soit 6 condensateurs de 10000 F en parallèle.
Nous avons donc développé une version à 6 condensateurs car les bornes permettant leur connexion étant sousdimensionnées, nous présentions un échauffement excessif au niveau des connexions. Nous avions raison de
nous inquiéter car les essais nous ont donnés raison.
Faute de trouver les composants chez les revendeurs habituels nous nous sommes directement adressé à un petit
fabriquant de condensateur (la société KENDEIL) qui a accepté de nous fabriquer des 15000 F - 100Volts sur cahier des charges (sous réserve que nous en commandions au minimum 8) avec des bornes correctement dimensionnées (voir photos ci-dessous). Nous avons donc conçu une troisième version.
Condensateurs BC et KENDEIL
Détail des bornes : il n’y a pas photo
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Surtension destructrice de MOS lors de
l’ouverture
Hacheur version 1 : MOS 100V – 500A
et 1 condensateur BC de 22000 F
Hacheur version 2 : IGBT 600V – 600A
et 6 condensateurs EPCOS de 15000 F
Hacheur version 3 : IGBT 600V – 600A et 4 condensateurs
KENDEIL de 15000 F lors des essais
Afin de rendre le pilotage de notre kart semblable à celui d’un kart thermique, nous avons mis en œuvre, en plus
de la commande à rapport cyclique variable, une boucle de régulation de courant assurant un couple dans la MCC
directement proportionnel à la position de la pédale d’accélérateur. De plus, le pilote peut à tout moment modifier le
courant maximum autorisé afin de doser au mieux la consommation de la MCC en fonctionnement moteur et la
réinjection d’énergie en fonctionnement génératrice. Ceci est rendu possible grâce à deux potentiomètres, placés
sous le volant, qui permettent ainsi de fixer l’accélération et la décélération maximale (pédale à fond ou complètement relâchée).
Voici, représenté ci dessous, le synoptique de cette régulation de courant (valable quel que soit le type de variateur
utilisé) puis le schéma détaillé ainsi que le circuit imprimé correspondant :
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Schéma de la carte de commande version 3
Circuit imprimé de la carte de commande version 3
Les essais effectués ont montré que cette régulation permet d’aller au maximum à 500A dans la MCC en fonctionnement moteur (limite réglable entre 100 et 500A) et -160A en fonctionnement génératrice (limite réglable entre 40 et -160A), ce qui répond parfaitement au cahier des charges qu’on s’était fixé.
La mise en place d’un ventilateur sur la version 2 qui était dimensionné pour atteindre 500A nous a montré que
nous pouvions réduire sensiblement la taille du radiateur pour la version 3 (définitive).
Les essais pour mettre en place ces 2 variateurs réversibles ont confirmés nos craintes, les emplacements réduits
dont nous disposions ne permettaient pas de les loger pour l’instant à cause essentiellement de l’encombrement
des condensateurs. Ce variateur réversible sera donc implanté sur l’autre kart (kart rouge), qui lui ne possède
qu’un seul moteur.
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Nous nous sommes donc orientés vers une autre solution, doter le variateur industriel ALTRAX d’une régulation de courant « maison » (directement inspirée de
celle du 2 quadrants) rapportée sur ce variateur (qui
rappelons le, n’assure que la limitation du courant).
Cette solution permet d’atteindre 400 Ampères par variateur, ce qui permet d’exploiter au maximum les moteurs E-tek.
Il faut noter que l’utilisation des logiciels « PSPICE » et
« PSIM » nous ont été d’une aide précieuse pendant
toute la phase de mise au point.
2.2.2 L’électronique de mesure et d’affichage
Pour assurer la réussite de fonctionnement de l’ensemble, il a été jugé utile de concentrer sur un tableau de bord,
l’ensemble des paramètres vitaux pour la survie de l’électronique de puissance, du moteur et des batteries.
On trouve donc comme informations, le courant délivré par chaque variateur, la température des moteurs et les
tensions aux bornes des batteries. On trouve aussi l’indispensable tachymètre permettant de connaître instantanément la vitesse de l’engin.
Le tableau de bord dont le synoptique est représenté ci dessous, donne entière satisfaction quant à son fonctionnement
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Vue intérieure et extérieure de la réalisation finale
3
Les essais sur piste
Nous avons d’abord essayé notre kart sur la piste thermique « outdor » de St LYE (10). Pour affiner la mise au
point de la partie mécanique, nous avons fait appel à Stéphanie Campestrini, bien connue dans le milieu du karting
pour avoir participé à plusieurs finales de championnats d’Europe. Son verdict est plutôt flatteur : « J’ai retrouvé
avec plaisir, des sensations voisines de celles que j’ai connues avec des kart de compétition avec, en plus,
ce qui est très agréable, un couple linéaire et toujours présent quel que soit le régime. Voici une bien belle
réalisation qui, je le pense, prouvera aux détracteurs du kart électrique, qu’à l’avenir, il faudra compter
avec ce nouveau type de motorisation moderne et écologique ».
A noter que, lors de ces essais sur cette piste rapide, grâce à la puissance confortable de ce kart, notre pilote a
battu le record absolu de cette piste de plus d’une seconde. Cela récompense tous les efforts que nous avons
fourni pour développer cet engin et nous rend confiant pour l’avenir.
4
Aspect financier
4.1
Coût de développement
N’ayant pas la place pour développer en détail le prix de revient de chacun des éléments de notre kart, nous nous
contenterons d’indiquer le montant global d’environ 6300 euros dont 30% pour la partie mécanique. Nous n’avons,
bien évidemment pas inclus les petits composants comme les vis, les résistances et autre condensateurs de découplage.
4.2
Financement
Une telle somme, vous l’imaginez, n’est pas supportable par le seul budget d’un département d’IUT d’autant plus
que nous avons développé un deuxième kart (équipe 10A « TROYES ROUGE »), certes doté d’un seul moteur,
mais dont l’équipement électronique est conséquent.
Nous avons donc eu l’idée de créer une association dénommée « E-KART-TROYES » dans le but de collecter les
fonds indispensables à la réalisation de ces projets.
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5
Conclusion
Nous ne pouvons pas terminer cette présentation sans parler d’un point fondamental pour nous, membre de
l’association « E-KART-TROYES », le respect de l’environnement.
Pour être parfaitement en accord avec nos objectifs nous avons acquis des panneaux solaires en nombre suffisant
afin d’assurer la recharge optimisée des batteries d’accumulateurs. De plus,en dehors des périodes de charge des
batteries, l’énergie ainsi produite nous permet de subvenir intégralement à nos besoins en électricité, pour
l’éclairage des locaux, l’alimentation des appareils électroniques, des ordinateurs etc… Cela nous rend complètement autonomes du point de vue énergétique ce qui est parfaitement cohérant avec notre démarche écologique.
Nous sommes entrain de développer un site web pour notre association afin d’accroître notre impact sur la jeune
génération en particulier car ce sera elle qui sera en charge de gérer les difficultés engendrée par la pénurie
d’énergie d’origine fossile.
6
Quelques sites intéressants
Site web http://www.e-kart.fr
Site web http://www.e-kart.fr/2009/
Site web http://www.thierry-lequeu.fr/
Site web http://www.farnell.fr/, pour les composants.
Site web http://www.radiospares.fr/, pour les composants.
Site web http://www.kendeil.com/, pour les composants.
Site web http://www.techniques-ingenieurs.fr/, pour les articles.
Site web http://www.microsemi.com/, pour les composants.
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