DRRT LE NOUVEAU KART BIMOTEUR DE L’IUT DE TROYES Synthèse par Denis Hoang du travail collectif de l’équipe 10A « Kart jaune ». [email protected] Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 SOMMAIRE Avertissements - Résumé Pages 2 - 1 Introduction 3 - 2 Conception mécanique 4 - - 2.1 Mécanique version 2008 et 2009 2.2 Nouveautés 2010: mise en place d’un différentiel 3 Conception électrique et électronique - 3.1 Le variateur de vitesse - 3.1.1 Versions 2008 et 2009 - 3.1.2 Nouveauté 2010 : mise en place d’un variateur réversible - 4 6 7 7 3.2 Nouveauté 2011 : mise en place d’un nouveau système de mesure, d’affichage et de transmission des informations au stand. - 4 Les essais sur piste 13 - 5 Aspect financier : création de l’association « E-KART-TROYES » 5.1 Coût de développement 5.2 Financement 13 13 13 6.1 Recharge par panneaux solaires 6.2 Site internet 14 14 14 - - 6 Conclusions - - 7 Quelques sites intéressants 14 Avertissements Ce document n’est pas, compte tenu du nombre de pages limité, un dossier complet décrivant en détail toutes 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 notre kart. 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 ce véhicule. 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 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. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 2 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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 nouveau 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 2010, dont les épreuves de vitesse, d’endurance et d’accélération ne nécessitent pas une telle vitesse de pointe. Alors double vainqueur du challenge et afin de conserver une longueur d'avance sur ses concurrents, l’IUT de Troyes a déployé les grands moyens en développant en 2008 un 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. Cela leur a permis de remporter à nouveau le challenge en 2008 (voir ci-dessous). L’équipe victorieuse en 2008 Privée du challenge en 2009 pour cause de triple victoire consécutive, l’équipe troyenne revient à la charge cette année avec plusieurs innovations destinées à améliorer les performances en vitesse et en endurance. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 3 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 2 Conception mécanique 2.1 Mécanique versions 2008 et 2009 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. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 4 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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 © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 5 10 12 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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. 2.2 Nouveautés 2010 : mise en place d’un différentiel. Notre kart étant équipé de 2 moteurs il nous est apparu intéressant de développer un système différentiel permettant à chacune des roues motrices de tourner à sa propre vitesse dans les virages. En effet, sur un kart classique les roues sont solidaires, donc elles glissent en permanence dans les courbes, favorisant ainsi la perte d’adhérence. Ce système mécanique dont la photo est représentée ci-dessous n’est pas autosuffisant pour réaliser la fonction de différentiel. Son fonctionnement n’est satisfaisant que complété par la gestion électronique que procurent les variateurs de vitesse alimentant les moteurs. Les premiers essais que nous avons effectués sont pleinement satisfaisants et nous sommes réellement convaincus de l’amélioration qu’apporte ce système électromécanique. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 6 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 Montage du différentiel 3 Ensemble mécanique monté Conception électrique et électronique 3.1 Le variateur de vitesse 3.1.1 Versions 2008 et 2009 Pour pouvoir exploiter pleinement les deux moteurs, il est indispensable d’utiliser 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 nous même un variateur capable de fournir 400A avec une régulation de courant qui assure la même intensité dans chaque moteur. - utiliser un variateur de vitesse industriel et l’équiper d’une carte de régulation « maison ». C’est vers cette deuxième solution que nous nous étions orientés, essentiellement pour des raisons d’encombrement. En effet, il faut implanter deux variateurs et comme il y a déjà deux moteurs, la place est comptée. Nous avons donc implanté une régulation de courant « maison » sur un variateur ALTRAX qui rappelons le, n’assure que la limitation du courant. Cette solution très compacte 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. 3.1.2 Nouveauté 2010 : mise en place d’un variateur réversible Nous avions développé en 2009 un variateur 2 quadrants pour équiper notre deuxième kart (le rouge) 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. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 7 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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 t i Pendant les phases de freinage une part importante de l’énergie cinétique accumulée par le kart 1 . M. V 2 ) est transformée en énergie électrique par la machine à courant continu (moteur) qui fonctionne ( WC 2 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. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 8 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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 Surtension destructrice de MOS lors de l’ouverture Hacheur version 1 : MOS 100V – 500A et 1 condensateur BC de 22000 F © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 9 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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 : © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 10 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 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. Cette version 3 s’étant révélée particulièrement performante sur le kart rouge, nous avons décidé de développer une version 4 plus compacte pour pouvoir équiper notre kart bimoteur. C’est chose faite maintenant grâce à la réduction du nombre de condensateurs et de la taille des radiateurs. En effet, l’expérience acquise à travers les nombreux essais réalisés sur la version 3 nous a prouvés que cette évolution sera sans conséquence majeure sur ses performances. En effet, nous avons réussis à le pousser, lors des essais sur banc à 559Ampères (voir photo ci-dessous). Le nouveau hacheur « plus compact » (version 4) Hacheur version 4 implanté sur le kart Hacheur version 4 lors de la mise au point © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 11 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 3.2 Nouveauté 2011 : mise en place d’un nouveau système de mesure, d’affichage et de transmission des informations au stand. 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, le courant consommé sur les batteries, la température des moteurs et les tensions aux bornes des batteries. On trouve aussi, bien évidemment, l’indispensable tachymètre permettant de connaître instantanément la vitesse de l’engin mais aussi la distance exacte parcourue. Une radio transmission de ces informations vers les stands permet, d’une part, de connaître à distance les paramètres importants pour la gestion de chaque épreuve mais aussi d’envoyer des messages au pilote. L’afficheur placé au centre du volant destiné au pilote L’écran du PC portable situé dans les stands destiné au « team manager » Le tableau de bord dont le synoptique est représenté ci dessous, donne entière satisfaction quant à son fonctionnement. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 12 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 4 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 karts de compétition avec en plus, ce qui est très agréable, un couple linéaire et toujours présent quel que soit le régime. Je pense que le nouveau système différentiel permet d’améliorer l’adhérence, surtout dans les courbes serrées ce qui m’a permis d’améliorer le temps au tour par rapport à la première version. 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 et à sa meilleure tenue de route, notre pilote a battu le record absolu de cette piste de plus de 3 secondes. Cela récompense tous les efforts que nous avons fournis pour développer cet engin et nous rend confiant pour l’avenir. 5 Aspect financier : création de l’association « E-KART-TROYES » 5.1.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 8000 euros dont 40% pour la partie mécanique. Nous n’avons, bien évidemment pas inclus les petits composants comme les vis, les résistances et autre condensateurs de découplage. 5.2 .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. Nous participons à diverses manifestations (voir documents joints en annexe) afin de nous faire connaître et de communiquer sur les véhicules électriques. Complément incontournable, nous avons aussi développé un site internet www.ekart-troyes.fr. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 13 Association E-KART-TROYES, départements GEII et GMP de l’IUT de Troyes – le 10 mai 2011 – ©2011 Parmi les « sponsors » qui nous ont aidés cette année on peu particulièrement remercier la DRRT (Délégation Régionale à la Recherche et à la Technologie de Champagne Ardenne) et le FEDER pour les sommes importantes qu’ils nous ont accordées. De plus, quelle satisfaction de recevoir une aide financière conséquente de ces prestigieux organismes, preuve s’il en fallait de la qualité de notre travail. 6 Conclusions Recharge par panneaux solaires 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 so2 laires en nombre suffisant (12m ) 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. 6.2 Sites internet Nous sommes en train de finaliser notre site www.e-kart-troyes.fr ce qui devrait permettre à notre association d’accroître son impact sur la jeune génération en particulier, car ce sera elle qui sera en charge de gérer les difficultés engendrées par la pénurie d’énergie d’origine fossile. Nous avons rédigé à l’intention du public qui assiste aux manifestations auxquelles nous participons un document qui présente les véhicules électriques et notre kart bimoteur (voir document « Véhicules électrique.pdf »). 7 Quelques sites intéressants Site web http://www.e-kart.fr Site web http://www.e-kart-troyes.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. © IUT TROYES - association E-KART-TROYES 2011 Page 14