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Université du Québec à Chicoutimi MODULE D’INGÉNIERIE
Génie électrique 6GIN333‐Projet de conception
Rapport final
Polytrak Électrique
Préparé par M. Raphael Rousseau Fournier
M. Pierre‐Luc Jean
Pour M. Yvon Martel Polytrak
16 Septembre 2010
CONSEILLER : Mohand Ouhrouche, ING., Ph.D. COORDONNATEUR, Jacques Paradis, ING.
Approbation du rapport d’étape pour diffusion Nom du conseiller : Mohand Ouhrouche Date : Signature :
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Résumé de projet Polytrak Électrique
Résumé de
la problém
atique
+ Objectif
Le Polytrak est un véhicule électrique tout terrain conçu pour fonctionner en hiver, comme en été. Il est de type traction et bâtit à partir d’un boitier d’aluminium contenant toutes les composantes de la motorisation, le tout surmonté d’un guidon et d’une chenille en caoutchouc. Le but du promoteur est donc de concevoir un véhicule ayant une autonomie intéressante au point de vue récréatif, et ce, peut importe la température. Le problème principal du concept préliminaire est que les batteries subissent une perte de performance appréciable par temps froids.
Les objectifs à atteindre dans ce projet étant la conception de tout l’aspect électrique
du véhicule, et de l’optimisation des différentes composantes comme le moteur et son contrôleur, la banque de batteries et son chargeur. Les contraintes à surveiller sont :
• L’aspect économique de la conception puisque la machine est destinée à un
marché majoritairement récréatif, le coût de production devenant donc un point critique.
• L’autonomie des batteries • La température maintenue des batteries • L’espace restreint dans le compartiment • La puissance de traction désirée
Résumé du
travail réalisé Premièrement, des recherches théoriques sur les différents types de moteurs, de batteries et
de chargeurs ont été réalisées. Puis, une sélection a été faite au niveau du couplage variateur/motorisation, ainsi que les 2 meilleurs types de batterie. Des tests à basse température ont été effectués pour déterminer laquelle se comporte le mieux. Ensuite des recherches et des calculs ont été faits au niveau de la conservation/génération de chaleur dans le compartiment batteries. Pour terminer, la spécification de tout le contrôle du système et le filage requis a été listé, avec la fourniture d’un plan de filage des équipements.
Résumé de
s conclusion
s
Les batteries lithium‐ion seraient parfaites, mais elles ne respectent pas les restrictions économiques qui ne nous ont été imposées par le promoteur, ni par le cadre du projet. Les tests effectués en conditions hivernales simulées ont permis d’observer l’évolution des batteries au fur et à mesure qu’elles se déchargent, et des solutions ont été apportées afin de contrer les faiblesses des accumulateurs engendrés par le climat. Le choix s’est arrêté sur la batterie Big‐Red de Trans‐Canada, le meilleur rapport puissance/prix ressortant des tests. Il a été calculé qu’un élément de 100 W de chauffage était nécessaire pour le maintien des batteries. Le compartiment batterie devrait aussi être un peu plus grand. Par exemple, un centimètre additionnel tout autour des banques permettrait l’insertion d’un isolant styromousse, qui préserverait la chaleur des batteries, améliorant par le fait même l’autonomie puisque le câble chauffant ne serait pratiquement pas utilisé.
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Sommaire
Liste des tableaux et figures ............................................................................................. 4
1. Introduction .............................................................................................................. 5
2. Présentation du projet ............................................................................................. 6
2.1 Description de l’entreprise ................................................................................. 6
2.2 Description de l’équipe de travail ...................................................................... 6
2.3 Problématique et état de l’art reliés au projet .................................................. 6
2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet ....................................................... 7
3. Aspects techniques et éléments de conception ........................................................... 8
3.1 Éléments de conception ..................................................................................... 9 Batteries .......................................................................................................... 9 Description des tests au froid ....................................................................... 12 Calcul de la charge à utiliser ......................................................................... 13 Résultats des tests ........................................................................................ 14 Analyse des tests .......................................................................................... 16 Moteurs ........................................................................................................ 17 Choix du moteur ........................................................................................... 18 Chargeurs ...................................................................................................... 20 Variateur ....................................................................................................... 22 Chauffe‐batterie ........................................................................................... 23 Calcul de conduction thermique .................................................................. 24 Protection ..................................................................................................... 25 Câblage ......................................................................................................... 25
4. Bilan des activités ........................................................................................................ 26
4.1 Arrimage formation pratique ........................................................................... 26
4.2 Travail d’équipe ................................................................................................ 26
4.3Respect de l’échéancier ..................................................................................... 26
4.4 Analyse et discussion ........................................................................................ 28
Conclusion ....................................................................................................................... 29
Bibliographie ................................................................................................................... 30 Plans du véhicule ............................................................................................................ 31
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Liste des tableaux et figures Figure 1 : Big‐Red D31‐280 ................................................................................................................................... 11 Figure 2 : Motomaster 10‐2472‐0 ......................................................................................................................... 11 Figure 3 : Résultats du test #1............................................................................................................................... 14 Figure 4 : Résultats du test #2............................................................................................................................... 15 Figure 5 : Ensemble du banc de test ..................................................................................................................... 16 Figure 6 : Courbe de puissance du moteur ........................................................................................................... 19 Figure 7 : Le moteur choisi .................................................................................................................................... 19 Figure 8 : Courbe de charge .................................................................................................................................. 21 Figure 9 : Courbe de charge complète .................................................................................................................. 21 Figure 10 : Courbe d’entretien .............................................................................................................................. 21 Figure 11:Les quadrants d'un variateur ................................................................................................................ 23 Figure 12 : Contrôleur de température ................................................................................................................ 25 Figure 13 : Fiche technique ................................................................................................................................... 25 Figure 14 : Sonde de température ........................................................................................................................ 25 Figure 15 : Câble multibrin torsadé AWC ............................................................................................................ 25 Figure 16: Diagramme de Gant ............................................................................................................................. 27 Figure 17 : Plan du Polytrack [Connexions externes] ........................................................................................... 31 Figure 18 : Plan du Polytrack [Connexions internes] ............................................................................................ 32 Figure 19: Plan du Banc de test ............................................................................................................................ 33 Figure 20 : Voltmètre de la batterie ..................................................................................................................... 34 Figure 21: Ampèremètre de la batterie ................................................................................................................ 34 Figure 22:Thermomètre RTD ................................................................................................................................ 35 Figure 23: Intérieur du congélateur ...................................................................................................................... 35
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1. Introduction
Le Polytrak est un véhicule de type traction bâti à partir d’un boitier d’aluminium contenant toutes les composantes électriques de la motorisation, le tout surmonté d’un guidon et d’une chenille en caoutchouc. Le véhicule est fonctionnel été comme hiver, dans les conditions les plus rigoureuses qui soient.
Les contraintes météorologiques amènent des limitations non négligeables en ce qui a trait au choix du
type de batterie et du moteur électrique propulsant le véhicule. L’utilisation de banques de batteries par temps très froid amène une perte importante de performance en termes d’énergie délivrée. Des tests effectués en conditions hivernales simulées ont permis d’observer l’évolution des batteries au fur et à mesure qu’elles se déchargent, et des solutions ont été apportées afin d’y remédier partiellement.
Le Polytrak est utilisable aisément par un pilote non professionnel, mais permet quand même
d’atteindre un niveau de performance acceptable et agréable. L’aspect technologique et économique de la conception a été mis en plan puisque la machine est destinée à un marché majoritairement récréatif, le coût de production devenant donc un critère de conception non négligeable.
Les objectifs à atteindre au cours de la conception étaient donc simplement de concevoir tout le
système de motorisation, d’alimentation et de contrôle électrique du véhicule, et d’effectuer l’optimisation des différentes composantes en fonction de leur coût respectif. Le document suivant fera donc état du choix et de l’intégration des différentes composantes électriques du véhicule. Des détails sur le moteur et son contrôleur, sur la banque de batteries, et sur la méthode de chauffe‐batterie seront présentés. Les différents raisonnements et ce qui à motiver les choix retenus par rapport a d’autres possibilités seront aussi approfondis.
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2. Présentation du projet
2.1 Description de l’entreprise L’entreprise Polytrak est une micro‐compagnie créée en août 2009 par M. Yvon Martel,
technicien d’expérience en génie mécanique. L’entreprise a pour mission de développer et éventuellement commercialiser l’idée du promoteur portant le même nom que la compagnie, le Polytrak. Seul actionnaire et sans employés, Polytrak se rapporte à un seul homme.
2.2 Description de l’équipe de travail L’équipe développant Polytrak est composée, excluant M. Yvon Martel, promoteur, de deux
techniciens et étudiants en génie mécanique, Michael Lavoie et Michael Martel, ainsi que deux techniciens et étudiants en génie électrique, Pierre‐Luc Jean et Raphael Rousseau‐Fournier. Ces étudiants sont tous à mi‐chemin dans leur parcours universitaire, et n’ont pas d’expérience préalable dans le domaine de la conception automobile.
2.3 Problématique et état de l’art reliés au projet L’ère étant au respect de l’écosystème, aucun moyen de transport efficace et 100% écologique
ne son commercialisé à l’heure actuelle pour les déplacements en neige profonde. La motoneige consomme de l’essence et la raquette demande un grand effort physique pour une efficacité discutable. Le Polytrak est donc une première dans le milieu des véhicules récréatifs verts, tout terrain, et toutes conditions climatiques. De nombreuses percées technologiques en matière de véhicules hybrides ont été relevées depuis les dernières années dans le monde de l’automobile. Les systèmes sont de plus en plus efficaces, et les voitures de plus en plus abordables. Les constructeurs automobiles investissent des sommes astronomiques dans la recherche et le développement de nouveaux produits efficaces en vue de se propulser devant la concurrence. Certaines batteries ont d’ailleurs vu le jour dans le but unique d’être utilisées dans les voitures électriques, tel que le système ESS de la Tesla, construite par Tesla Motors et financé par le géant Paypal. Ce système est constitué d’une batterie lithium‐ion unique en son genre, puisque chacune de ses 6831 cellules délivrant un total de 53KWh est doublement protégée par 2 fusibles, et gérée individuellement par un puissant microprocesseur, permettant d’user chaque cellule équitablement et d’apporter des corrections sur l’alimentation en temps réel. Les voitures complètement électriques sont par contre encore peu nombreuses comparées aux hybrides, et aucune de ses voitures sans combustible ne sont adaptées pour les conditions climatiques hivernales du Québec. C’est d’ailleurs pourquoi il n’existe que des compagnies de conversion de voiture à essence vers des voitures électriques, et qu’aucun grand constructeur ne sont implantées. Certaines recherches d’un composé électrolytique qui ne serait pas influencé par la température sont en cours, mais la recherche avance à très petits pas puisque le marché de la voiture électrique est majoritairement situé en Europe, qui est largement plus avancée en matière du respect de l’environnement que l’Amérique du Nord. Les températures étant moins extrêmes sur ce continent, les constructeurs de batteries ne font donc pas de la recherche sur les températures froides leur priorité.
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C’est pourquoi les tests effectués en conditions climatiques hivernales simulées ont été nécessaires, la documentation était quasi inexistante.
2.4 Objectifs généraux et spécifiques du projet
L’objectif général du projet était de faire la conception de toutes les composantes électriques du Polytrak, et d’optimiser les performances selon un budget serré. Suite aux recherches pour trouver une batterie qui répond aux attentes, il a été constaté que la sélection de trois types de batteries à électrolyte différent afin de procéder à une étude thermique, ne pouvait pas entrer dans le cadre du projet pour trois raisons économiques. La première étant le prix d’achat de ces équipements, qui dépasse de loin le budget alloué par le module d’ingénierie à la réalisation d’un projet de conception. Ensuite, l’achat de ces différents types de batteries nécessiterait aussi l’achat de trois types de chargeurs adaptés à la batterie; ce qui augmente encore le budget nécessaire. Finalement, l’achat unique d’une banque de batteries de haute efficacité dépassant les 4000 dollars, cette seule composante dépasse le prix de détail que le promoteur désire fixer pour commercialiser le prototype, soit entre 6000 et 8000 dollars, avec un budget d’équipements de 3000 dollars.
Il a donc été convenu que, malgré des performances en deçà de celles initialement visées, deux types de batteries au plomb seraient utilisées pour les tests, soit une batterie à décharge profonde, et une batterie de démarrage traditionnel. La batterie à décharge profonde étant toute désignée pour ce type d’application, celle à démarrage à quand même été étudiée, puisque les constructeurs misent beaucoup sur l’efficacité de ces batteries par temps froid, assurant le démarrage des moteurs de voiture en hiver.
Ces batteries au plomb sont les moins performantes, mais moins coûteuses que les diverses batteries à électrolyte nouveau genre. Avec des solutions alternatives telles que la réchauffe du compartiment batteries, des performances acceptables devaient être obtenues en fonction du budget. La quantité de chaleur requise afin de maintenir une température de batterie optimale soit 10 , a été calculée, afin de bien mesurer la puissance de chauffage à installer dans le boitier. L’isolant prévu en début de projet a été annulé, faute d’espace dans le compartiment batterie. L’espace d’air entre les batteries et la structure du véhicule agira comme isolant, puisque des turbulences et un changement d’air minimal sont à prévoir dans ledit compartiment, étant pratiquement étanche.
Il a aussi été décidé, suite aux tests sur les batteries et aux raisons qui seront exposées plus loin,
de chauffer les batteries a partir de leur propre énergie, puisqu’il est préférable de priorisé le retour à la maison sans panne complète, plutôt que la petite perte d’autonomie sacrifiée. L’inertie thermique de la batterie a été surévaluée en début de projet, et la préservation de leur chaleur est plus critique que l’on croyait. C’est pourquoi les batteries ne seront pas chauffées seulement lors de la charge tel que planifié en avant‐projet. La ventilation du compartiment a aussi été écartée, n’ayant pas d’utilité autre que l’évacuation des possibles dégagements de gaz des batteries en surcharge. L’utilisation d’un bon chargeur intelligent qui gère la charge en temps réel, en fonction des lectures qu’il prend sur les batteries, empêchera ce phénomène d’émission.
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3. Aspects techniques et éléments de conception
En confiant le mandat de conception, le promoteur s’attend à un certain nombre d’objectifs atteints a la fin du projet. La performance, l’utilité et le respect des budgets étaient les principaux points à respecter. Il était aussi important de respecter ces aspects techniques :
• Un groupe de batterie pouvant délivrer une puissance acceptable pendant au moins deux heures devait pouvoir être intégré dans le compartiment désigné.
o Une étude sur les différents types d’accumulateurs et un test à basse température ont donc permis de se diriger vers un modèle de batterie, tout en tenant compte du prix et de l’espacement disponible.
• Un moteur ayant une puissance suffisante pour mouvoir le véhicule et son conducteur de façon aisée dans une neige profonde, tout en ayant la capacité de gravir une pente douce, devait être installé.
o Une étude sur les différents types de moteurs, sur les variateurs et sur le rapport puissance/prix ont permis de faire une sélection adapté aux besoins du véhicule. Les contrôles du moteur (accélérateur, en/hors, etc..) ont aussi été choisis suite a l’étude des entrées/sorties du contrôleur sélectionné avec le moteur.
• Afin d’appuyer la performance des batteries par temps extrêmement froid, un système de chauffage de compartiment devait être élaboré pour tenir les accumulateurs à une température optimale, évitant les pannes indésirables et les éventuels bris due au gel.
o Des calculs ont été faits pour calibrer la puissance d’un élément chauffant, qui a été installé sur la surface des batteries, et contrôlé par un thermostat RTD.
• Pour recharger a tout endroit le véhicule, l’utilisateur doit pouvoir utiliser une simple prise de courant domestique. Le temps de charge devait être diminué le plus possible, tout en tenant compte du maintient de la qualité de la batterie.
o Différentes sortes et grosseurs de chargeurs ont été envisagées. Les critères de sélection étant simple, le plus puissant chargeur possible en tenant compte du prix, de l’espace disponible, et de la tension de chargement devait être choisi. Un chargeur de petite taille a donc été intégré dans le compartiment, mais la vitesse de chargement était problématique vu l’espace restreignant la taille. Un second chargeur, plus massif et externe à donc été envisagé, et deviendra éventuellement une option lors de la commercialisation du véhicule
• La totalité des systèmes devaient fonctionner en relation, et les contrôles doivent être le plus simple possible pour l’utilisateur autant occasionnel qu’expérimenté.
o L’intégralité du circuit électrique incluant la sélection des pièces de protection a donc été schématisé afin d’assurer un système unique au lieu de plusieurs systèmes difficilement gérable.
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3.1 Éléments de conception
Batteries Données techniques sur les différents types de batteries Les batteries utilisables pour l’application de véhicules électriques sont nombreuses. Étant de type 2, soit rechargeables, il y en a de toutes les tailles, à tous les prix. Les grandes familles couramment utilisées sont les suivantes, selon leurs électrolytes : à base de plomb, à base de Nickel (NiCd et NiMh), et à base de lithium (Li‐Ion). Batterie à base de Plomb Les batteries au plomb sont les plus connues d’entre tous les types de batteries, puisqu’elles sont utilisées comme alimentation du démarreur et des systèmes auxiliaire de toutes les voitures à combustion de série. Ayant une très faible énergie massique, c’est sa capacité à fournir un courant élevé qui fait d’elle une option intéressante pour le démarrage des voitures. Majoritairement de type scellé, elles sont pratiquement sans entretien.
À pleine charge et en circuit ouvert, une batterie de 12V a une tension théorique approximative de 12.65V, selon le type et la qualité. Une chute de tension de 0.65 Volts est observable lorsque rendue à 20% de sa charge, et de 1.25 Volts lorsqu’elle est complètement déchargée. C’est à partir de cette chute de tension qu’on peut évaluer le niveau de charge de la batterie, mais la donnée est de moins en moins fiable à mesure que la batterie s’use.
Le temps de charge d’une batterie déchargée à 80% est estimé à 10 heures pour conserver une durée
de vie optimale, mais le temps est toujours fonction de la quantité d’énergie débitée par le chargeur utilisé. Certains chargeurs rapides peuvent charger une batterie en moins de 2 heures, mais une usure prématurée est à prévoir. De plus, les fabricants recommandent de ne pas décharger la batterie complètement, puisque des dommages irréversibles par sulfatation permanente des électrodes peuvent en résulter. Batteries à base de Nickel NiCd Ce type de batterie est très utilisé dans les petits formats pour l’alimentation d’équipements électroniques, mais est aussi utilisé en banque pour de plus grandes charges. Ils ont l’avantage de ne pas perdre de tension lorsqu’elles se déchargent, la performance n’étant pas diminuée a mesure quelle est utilisée. On ne peut par contre pas vérifier la charge par simple vérification de la différence de potentiel. Une banque de 12V est constituée de 10 cellules de 1.2V. Ayant moins de capacité énergétique que ces rivales NIMH et Li‐ion, elle a une capacité de décharge ponctuelle plus élevée, les autres types subissant des dommages si elles doivent débiter un aussi grand ampérage. Elle a un faible taux de décharge au repos, et elles sont particulièrement tolérantes en matière de décharge complète, pouvant être rangée déchargée pendant une très longue période de temps avant de montrer des signes de dommages.
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Sa charge est plus difficile qu’avec une batterie au plomb puisque sa résistance interne diminue à mesure que la température augmente lorsque la batterie atteint sa pleine charge. Une tension constante appliquée ferait augmenter le courant jusqu'à la destruction de la batterie. Certains chargeurs utilisent justement ce phénomène, coupant l’alimentation lorsque la température de la batterie augmente considérablement. La recharge complète prend de 14 à 16 heures, mais 80% de la charge peut être prise en seulement 1 heure, un avantage considérable sur ces adversaires. Ce type de batterie possède par contre une mémoire, et le fait d’utiliser régulièrement la batterie dans une plage de charge donnée la limitera a jamais à cette plage. NiMh Pouvant contenir jusqu'à trois fois la quantité d’énergie d’une pile nickel Cadmium, plusieurs constructeurs de voiture hybrides tel qu’Honda(Insight), Toyota(Prius) et Ford(Escape) ont vu en elle beaucoup d’avantages. Ces piles peuvent avoir un bon débit d’ampérage, tout en ayant une capacité remarquable de stockage énergétique. L’indice de charge complété peut être fait avec une différence de potentiel, car la polarité de la batterie branchée à un chargeur changera lorsqu’elle est pleine. Le chargeur détecte cette inversion de polarité et met fin à la charge. Certains chargeurs peuvent aussi détecter une différence dans le taux de variation de température de la batterie, qui indique une charge complétée. Il y a par contre problèmes lorsque plusieurs batteries sont mises en série sans protection. Si une pile est plus déchargée que les autres à la base, elle sera vide avant les autres. Un changement de pole sera observé et un courant inverse envoyé par les piles encore chargées traversera la pile à plat, l’endommageant. La décharge naturelle est élevée, mais une température plus faible diminue le phénomène. Batteries à base de Lithium Li‐ion En matière de technologie, ces batteries sont les plus avancées. Ils ont une énergie massique largement supérieure à ses compétiteurs, soit jusqu'à 360Wh/Litre, comparativement à 75WH/Litre pour le plomb et 150WH/Litre pour les NiCd. Malheureusement, ses coûts astronomiques ne font pas un candidat possible pour l’application des véhicules électriques abordables. Sélection des batteries
Plusieurs critères ont entré en jeu pour la sélection des bonnes batteries à étudier. La tension, l’ampérage instantané, l’énergie emmagasinable, l’entretien, la dimension en sont que quelques‐uns. Pour des questions de câblage, il a été déterminé que la tension d’alimentation du moteur (24 à 48V) allait être maximale, soit de 48V. L’espace disponible dans le boitier permet d’installer jusqu'à 4 batteries de dimension standard. La tension a donc été choisie à 12 Volts par batteries, en série, pour un total de 48Vcc. Les batteries de type scellées ont une capacité énergétique inférieure aux batteries remplissables. Voulant optimiser l’autonomie, des batteries avec entretien ont donc été choisis.
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Batterie 1 : Big‐Red DC31‐280 du manufacturier Trans‐Canada Cette batterie est une batterie à décharge profonde de 140Ah. Elle peut fournir une pointe de 1000A instantanée à 12V, mesure 330mm X 173mm X 254mm et pèse 67 livres. Cette batterie est a priori la candidate idéale pour remplir les taches exigées puisqu’elle possède une grande quantité d’énergie, et elle est régulièrement utilisée pour l’alimentation des voiturettes de golf. Son prix de détail est de 160$.
Figure 1 : Big‐Red D31‐2801
Batterie 2 : 10‐2472‐0 du manufacturier Motomaster Cette batterie est une batterie à démarrage de 100Ah. Elle peut fournir une pointe de 720A instantanée à 12V, mesure 260mm X 173mm X 254mm et pèse 48 livres. Elle n’est pas adaptée pour l’utilisation de décharge complète, et son nombre de cycle de vie en sera grandement diminué. Elle a quand même été sélectionnée, afin de vérifier si sa dite résistance au froid supérieure vantée par le manufacturier est réellement supérieure aux batteries à décharge profonde. Son prix de détail est de 100$.
Figure 2 : Motomaster 10‐2472‐02
1 http://www.batteriesxpert.com/SiteInternet/BatteriesExpert/Navigation/PAGEHTML/Batterie.htm 2 http://www.canadiantire.ca/
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Description des tests au froid Les tests ont été effectués selon des conditions qui reflètent la réalité le plus possible. Chacune leur tour, les batteries ont été déposés dans un congélateur avec une température intérieure de ‐18 degré Celsius, afin de reproduire des températures hivernales. Un onduleur a été utilisé puisque des charges à 120V sont plus accessibles et moins imposantes. L’entrée et la sortie de l’onduleur ont été surveillées pour avoir en temps réel la tension et l’ampérage, afin de suivre l’évolution de la puissance délivrée. Une sonde de température RTD à aussi été installée sur la surface de la batterie testée. Tableau 1 : Liste de matériel
Équipement Détails Donnée recueilli Analyseur de puissance TES3600 Voltage et Ampérage à la
charge Multimètre TES2610 Voltage des batteries Pince ampèremétrique DC Fluke I410 Ampérage des batteries Multimètre GreenLee DM‐210 Ampérage des batteries (avec
pince Fluke I410) Multimètre Fluke 902 Température des batteries
(avec fil RTD) Onduleur StatPower Prowatt2100 Convertisseur CC‐CA Charge (Luminaires) Test #1
900W (2X 450W à 120V) N/A
Charge (Luminaires) Test #2
450W à 120V N/A
Câbles à surcharger pour connections batterie
N/A N/A
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Calcul de la charge à utiliser Formule : P = V*I = R*I2 = V2/R P = Puissance de la charge V = Tension à la charge I = Courant à la charge R = Résistance de la charge Charge requise: Le rendement du moteur choisi est, selon la fiche technique fournie par le fabriquant, de 91%. La puissance d’entrée doit donc être : n = Psortie / Pentrée = Psortie / (Psortie + pertes) Pentrée = Psortie / n = (6hp * 746W/hp) / 0.90 Pentrée = 4973W Les pertes sont donc de : Pertes = Pentrée – Psortie = (4973W) – (6hp * 746W/hp) Pertes = 497W Le courant d’entrée devra donc être de : Ientrée = (Psortie(6hp) + Pertes) / 48V
Ientrée = (4476W + 497W) / 48V = 103.6A Les batteries sont en série, ils devront donc tous débiter 103.6A lorsqu’à plein régime moteur. En utilisation normale, on estime à 60% la puissance moyenne d’utilisation. Imoy = 0.6 * 103.6A = 62.2A Les tests ont été faits sur une seule batterie de chaque type, donc à 12V. P = V*Imoy = 12V * 62.2A = 746W L’utilisation d’un onduleur à permis d’utiliser des charges à 120V, qui sont plus accessibles et de plus petites taille, vu le courant grandement diminué. Par contre, l’onduleur utilisé possède selon les fiches techniques, un rendement de 90%. 746W / 0.9 = 671W Une charge de 671W aurait donc été idéale pour faire le test batteries à 60%. Une charge totale de 900W a été utilisé, soit 2 luminaires de 450W chacun. Cette charge représente 80% de la puissance à pleine charge. Une charge de 450W a aussi été utilisée pour le second test. Cette charge représente 40% de la puissance à pleine charge.
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Résultats des tests Tableau 2 : Test #1 (Charge de 900W)
BIG RED DC31‐280 [140AH]
Temps [Min] Batterie Charge Puissance
Rendement de l'onduleur Température batterie [°C] V A V A Batterie Charge
Circuit ouvert 12.56 0 0 0 0 0 ‐ 3 0 10.57 68.6 0 0 725.102 0 ‐ 3 5 10.63 64.7 83.2 6.5 687.761 540.8 0.786319666 2.4 10 10.63 58 67 6.2 616.54 415.4 0.673760016 2 15 10.64 52.5 72.5 6 558.6 435 0.778732546 1.6 20 10.61 48.2 68.5 5.8 511.402 397.3 0.776883939 1.5 25 10.6 45 65.6 5.7 477 373.92 0.783899371 1.2 30 10.59 41.2 61.7 5.5 436.308 339.35 0.77777625 1.1 35 10.57 37.3 57.9 5.3 394.261 306.87 0.778342266 1.6 40 10.59 33.1 53.6 5.1 350.529 273.36 0.779849884 1.4 45 10.6 27.1 50.2 4.7 287.26 235.94 0.821346515 1.2
Circuit ouvert 12.1 0 0 0 0 0 ‐ 1.2
MOTOMASTER 10‐2472‐0 [100AH]
Temps [Min] Batterie Charge Puissance
Rendement de l'onduleur Température batterie [°C] V A V A Batterie Charge
Circuit ouvert 12.44 0 0 0 0 0 ‐ 3
0 10.65 65.6 86.2 6.5 698.64 560.3 0.801986717 3 5 10.68 65.1 84 6.4 695.268 537.6 0.773227015 0.6 10 10.72 57.2 77.7 6.1 613.184 473.97 0.772965374 0.6 15 10.71 51.7 71.9 5.9 553.707 424.21 0.766127212 ‐0.9 20 10.69 46.9 67.5 5.7 501.361 384.75 0.767411107 ‐0.9 25 10.62 40.5 67.2 5.4 430.11 362.88 0.843691149 ‐1.1 30 10.78 11.6 N/A N/A 125.048 N/A N/A ‐0.6
Circuit ouvert 12.06 0 0 0 0 0 ‐ ‐0.6
Figure 3 : Résultats du test #1
0100200300400500600700800
0 10 20 30 40 50
Puissance en
Watts
Minutes
Poly. (BIG RED DC31‐280 [140AH])
Poly. (MOTOMASTER 10‐2472‐0 [100AH])
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Tableau 3 : Test #2 (Charge de 450W)
BIG RED DC31‐280 [140AH]
Temps [Min] Batterie Charge Puissance
Rendement de l'onduleur Température batterie [°C]V A V A Batterie Charge
Circuit ouvert 13.3 0 0 0 0 0 ‐ 18.8
0 11.7 42.4 107.4 3.9 496.08 418.86 0.844339623 18.85 11.57 42.3 107.4 3.8 489.411 408.12 0.833900341 18.510 11.39 42.4 106.2 3.8 482.936 403.56 0.835638677 18.315 11.26 42 105 3.8 472.92 399 0.843694494 18.420 10.99 41.25 104.3 3.75 453.3375 391.125 0.862767805 18.725 10.72 40.5 103.6 3.7 434.16 383.32 0.882900313 1930 10.5 34.8 98.4 3.5 365.4 344.4 0.942528736 18.5
Circuit ouvert 12.03 0 0 0 0 0 ‐ 18.5
MOTOMASTER 10‐2472‐0 [100AH]
Temps [Min] Batterie Charge Puissance
Rendement de l'onduleur Température batterie [°C]V A V A Batterie Charge
Circuit ouvert 12.72 0 0 0 0 0 ‐ 15.40 11.59 42.9 106.9 3.8 497.211 406.22 0.81699721 15.45 11.47 42.5 105.7 3.8 487.475 401.66 0.823960203 13.610 11.32 42 104.2 3.8 475.44 395.96 0.832828538 12.715 11.17 42 102.8 3.7 469.14 380.36 0.810760114 12.320 11.01 41.6 101.3 3.7 458.016 374.81 0.818333857 12.325 10.79 40.6 99.3 3.7 438.074 367.41 0.838693919 11.730 10.47 34.7 87.2 3.5 363.309 305.2 0.840056261 11.635 10.54 15 50.4 2.7 158.1 136.08 0.860721063 10.9
Circuit ouvert 12.13 0 0 0 0 0 ‐ 10.9
Figure 4 : Résultats du test #2
0
100
200
300
400
500
600
0 10 20 30 40
Puissance en
Watts
Minutes
BIG RED DC31‐280 [140AH]
MOTOMASTER 10‐2472‐0 [100AH]
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Analyse des tests
C’est par l’observation des graphiques des puissances que l’on note une nette différence entre les deux batteries. La Big‐Red semble plus adapté pour l’utilisation demandée. La puissance est plus régulière, il y a moins de perte au fil du temps, et l’autonomie est légèrement supérieure. Les tests ont du être abrégés et les batteries n’ont pas pu être déchargées complètement car l’onduleur, qui possède des protections électroniques, cessait de transformer le courant lorsque sa tension d’entrée descendait sous les 10.5V, dans le but de protéger les batteries et les éventuelles charges à 120V qui pourraient s’endommager en étant sous‐alimentés. Pour le premier test, les batteries ont été préalablement refroidies, car la charge appliquée ne permettait pas une exposition assez longue au froid pour évaluer les effets. Contre toute attente, la batterie Motomaster a atteint un niveau de performance non attendu. La différence versus une batterie approuvée pour ce genre de tache ne justifie pas un écart de prix aussi élevé, voir le double du prix pour une Big‐Red. Par contre, a long terme, la batterie de démarrage s’épuisera beaucoup plus rapidement car leur cycle de vie est très faible quand elle est déchargée complètement puis rechargée, contrairement aux batteries a décharge profonde qui le tolèrent beaucoup mieux, soit plus ou moins 200 charges‐décharges pour la Motomaster, contre de 500 à 800 charges‐décharges pour la Transcanada Big‐Red. Nous observons aussi que la chute de tension aux bornes de la batterie Motomaster est beaucoup moins grande que la Big‐Red lorsqu’elle flanche (0.38V et 0.59V contre 0.46 et 1.11). C’est une caractéristique des batteries qui ne sont pas conçues pour être complètement déchargées.
Figure 5 : Ensemble du banc de test
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Moteurs Tableau 4 : Quelques types de moteurs
Moteur Pour Contre Notes et utilisations
Moteur a courant continu
‐ Vitesse facilement ajustable (fréquence de polarisation)
‐ Usure des balais et du collecteur
‐ Problèmes de commutation possibles
‐ Refroidissement du aux pertes joules dans le stator
‐ Puissance massique pauvre
‐Outils portatifs ‐Véhicules électrique
Moteur universel
‐ Peu couteux ‐ Courant continu
ou alternatif, au choix
‐ Mauvais rendement énergétique
Type asynchrone Électroménagers, outils
Moteur sans balais
‐ Performance supérieur car aucune perte mécanique et électrique
‐ Inertie plus faible car moins de masse
‐ Cout d’entretien très bas
‐ Coûts Tout type de véhicules électrique
Moteurs synchrones La caractéristique principale des moteurs synchrones est que le rotor est toujours en phase avec le champ tournant induit dans le stator. Le rotor est alimenté en courant continu par un système de bagues qui crée un champ magnétique du rotor qui suit le champ tournant du stator avec un retard angulaire lié à la charge. Plus la charge du moteur est grande, plus l’angle de déphasage sera important. Un convertisseur de fréquence est nécessaire au démarrage, ainsi qu’en fonctionnement normal si la fréquence d’alimentation n’est pas celle désirée. L’alimentation par batteries nécessite donc un onduleur pour créer un courant alternatif variable. Les moteurs synchrones autopilotés sont munis de capteurs de position qui détecte la position du rotor et transmet en temps réel la position au convertisseur, qui ajustera l’angle de déphasage a 90* entre les deux
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champs magnétiques, permettant de développer un couple optimal en tout temps. Pour conserver un couple moteur constant, le contrôleur fait varier la fréquence. D’un autre coté, si une vitesse constante est désirée, le contrôleur doit faire varier l’amplitude du signal. Le moteur peut être piloté par un signal rectangulaire qui nécessite un minimum de 6 acquisitions de position pour guider le champ tournant. Le pilotage sinusoïdal est beaucoup plus efficace car aucune induction brusque n’est observables, et plus le nombre d’acquisition est grand, plus le moteur sera doux. Les moteurs synchrones sans balais ont l’avantage de n’avoir aucune pièce tournante en contact direct avec une pièce statique. L’usure est donc très limitée. Ils possèdent aussi un capteur de position sur le rotor, mais celui‐ci est composé d’aimants permanents, contrairement aux rotors des moteurs autopilotés, qui sont bobinés. Ces instruments sont des capteurs à effet de Hall (inductif), ce qui est encore une fois très peu d’entretien. Il nécessite un courant continu passant par un système de commande électronique, et qui sera envoyé dans la bonne partie du stator au moment désiré. Leur efficacité remarquable et la grande plage de couple et de puissance ont fait pratiquement disparaitre l’utilisation des moteurs à courant continu. Sa capacité de fonctionnement à très bas régime est une qualité important pour l’application désirée. Ce type de moteur vient contrer les désagréments habituels des moteurs CC par le fait qu’il n’ait pas de brosses et qu’il n’ait pas de réchauffement au stator, ce qui entre autre, augmente grandement sa durée de vie. Moteurs asynchrones Le moteur asynchrone n’a aucun lien entre le rotor et le stator. Ils portent le nom d’asynchrone parce qu’il n’y a pas nécessairement de proportionnalité entre la fréquence d’oscillation du courant, et la vitesse du moteur. La vitesse de rotation est déterminée en fonction de la vitesse du champ tournant dans le stator, et il y a toujours un glissement. Le champ tournant entraine le rotor dans sa rotation. Le moteur à cage d’écureuil est constitué d’un rotor sans bobinage. Le champ tournant du stator
Choix du moteur Bien qu’étant une technologie assez récente, et malgré leur performance éprouvées, les moteurs sans balais sont tout de même bon marché. C’est une des raisons parmi tant d’autres qui on fait que le choix de motorisation pour le Polytrack s’est arrêté au moteur sans ballais. La grande durée de vie et le peut d’entretien requis concorde bien avec les facteurs requis pour ce véhicule. D’après quelques recherches, son rendement est toujours plus élevé, le rendement des moteurs sans brosses s’avère plus efficace en tout point grâce à l’inertie moins grande par rapport à d’autres moteur comportant plus de masse au niveau du rotor. De plus, les pertes mécaniques et électriques due au frottement des ballais sont évitées. Le promoteur du projet ayant préalablement procédé à des tests, il a été fixé que la puissance nécessaire au niveau de la motorisation était de 4 forces. Un moteur de +‐6 HP en continu (Facteur de 1.5) à été choisi. Le modèle choisi est le « Brushless » de « Mars motor ». Il a une efficacité de 90% et nécessite une tension triphasée sur des enroulements de 0.013 ohms. Il possède 4 paires de pôles ainsi que 3 capteurs par effet de Hall pour déduire la position du rotor à l’aide des tables de vérités.
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Modèle # ME0201013001 À la fiche technique :
• Vitesse de 70 RPM/Vdc (7.33 [Rad/Sec]/Vdc)
• 15HP maximum (300A/ 1min)
• 6HP en continue
• Couple de 0.1355818 N∙M/Ampères
Figure 6 : Courbe de puissance du moteur
3 Figure 7 : Le moteur choisi
3 http://www.evassemble.com/index.php?main_page=product_info&cPath=17_18&products_id=130
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Chargeurs Le choix du chargeur a été fait à partir de plusieurs critères de charge assurant la longévité des batteries. Une tension légèrement supérieure a la tension de la batterie appliquée directement sur ces pôles la chargera, mais jamais au maximum de sa capacité, et l’endommagement de la batterie est à prévoir si la tension est appliquée pendant un trop long moment. De plus, le courant de charge n’est pas constant puisqu’à mesure que la batterie emmagasine de l’énergie, la tension à ses pôles augmente. Le courant induit diminue donc avec le temps. C’est pourquoi un chargeur intelligent a du être choisi, afin de respecter les cycles de charges recommandés par les manufacturiers. La première phase de charge consiste à la recharge principale de la batterie, qui emmagasinera jusqu'à 80% de l’énergie qu’elle peut contenir. Cette étape consiste à appliquer une tension variable légèrement supérieure à celle de la batterie. Le chargeur intelligent adapte donc sa tension afin de maintenir une différence de potentiel fixe, fournissant alors toujours le même courant à la batterie. La différence de potentiel et la résistance interne de l’accumulateur entrainera le passage d’un courant vers la batterie, qui emmagasinera l’énergie qui lui est délivré. Cette phase se poursuit jusqu'à ce que la tension aux bornes de la pile atteigne 14.3 volts, indiquant un taux de charge de l’ordre de 80% pour les batteries VRLA (Valve Regulated Lead Acid). C’est lorsque la batterie a atteint son 80% de charge que la seconde phase de charge, soit la phase d’absorption, débute. Le chargeur détecte immédiatement cette tension puisqu’il est conçu pour ne jamais excéder 14.3V en mode charge principale, et qu’une inversion de polarité se fait observer, les 2 sources étant de tension équivalente. C’est alors que le chargeur augmente a 15V sa tension, pour un temps préétabli en fonction de certaines variables qu’il a analysé lors de la première phase tel que la vitesse d’incrémentation du voltage en fonction du temps ainsi que le temps de charge total. Cette mesure chronométrée a pour but de préserver la qualité de la batterie, l’empêchant de se surcharger, tout en atteignant une charge très près du 100% désiré. Finalement, le temps d’absorption écoulé, le chargeur tombe automatiquement en mode de maintient de la charge, aussi appelé phase flottante. Certains chargeurs plus évolués possèdent par contre d’autres modes qui aideront la préservation de la batterie, tel qu’une phase de désulfuration par impulsions, une phase de reconditionnement suite à la charge pour les batteries qui ont été complètement déchargés pendant une période prolongée, une tension de maintient constante et un maintient par pulses.
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Figure 8 : Courbe de charge4
Figure 9 : Courbe de charge complète5
Figure 10 : Courbe d’entretien6
4 http://pdf.directindustry.com/pdf/victron‐energy/batteries‐vrla/12460‐23318‐_3.html 5 http://pdf.directindustry.com/pdf/victron‐energy/batteries‐vrla/12460‐23318‐_3.html 6 http://tel.archives‐ouvertes.fr/docs/00/44/36/15/PDF/these_Phuong_Nguyen_bis.pdf
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Pour ce qui est du Polytrack, une des idées du promoteur était d’avoir un chargeur externe rapide et d’avoir en surplus un chargeur interne, moins rapide, mais toujours utilisable avec un simple cordon de raccordement 120V. Le chargeur externe sera par contre disponible en option aux utilisateurs, vue son prix élevé. Chargeur externe Le critère a prioriser pour ce chargeur est le rapport puissance/prix. C’est pourquoi le modèle ET4817 de la compagnie Trans‐Canada à été sélectionné. Il délivre 17 ampères a 48 volts, est entièrement automatique (intelligent) et se détail au prix de +‐600$. Chargeur interne Le chargeur interne a été choisi en fonction de l’espace restant dans le véhicule. C’est celui qui délivre le plus d’ampérage tout en gardant des dimensions raisonnables. Tout comme le chargeur externe, il est de marque Trans‐Canada et de type intelligent, de modèle ProTour 30Q, multivoltage (12/24/36 /48Volts) qui peut délivrer un maximum de 30A (7.5A a 48V). La connection de l’alimentation du chargeur interne et les connections entre la sortie du chargeur externe et les batteries est assuré par un connecteur de la compagnie Hubbell # HBL560RUW, soit la prise femelle sur le véhicule, et la prise male sur le cordon d’alimentation.7
Variateur Pour simplifier le système, les contrôleurs comportant à la fois la commande électronique et le circuit de puissance ont été priorisé. Il en existe plusieurs types, entre‐autres :
• Les variateurs à un quadrant sont en d’autres mots unidirectionnels et ne fonctionne qu’en mode moteur.
• Les variateurs à deux quadrants, qu’en à eux, sont bidirectionnels et tout comme ceux à un seul quadrant, ne fonctionne qu’en mode moteur.
• Les variateurs à quatre quadrants, eux, permettent de régénérer ou encore freiner autant en marche avant que de reculons.
Dans le cas du Polytrack, le véhicule possèdera peu d’inertie lors des déplacements, à cause de la résistance de la chenille sur la neige. C’est pourquoi il en a été décidé que le freinage/régénérescence par variateur n’était pas nécessaire. En cas de freinage d’urgence, le frein à disque choisi par l’équipe mécanique sera suffisant. Finalement, le facteur économique est venu supporter le choix d’un variateur sans freins.
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Calcul de conduction thermique Formule : R = L / k*A R = résistance thermique L = épaisseur d’isolant K = conductivité thermique de l’isolant A = Aire de contact entre la batterie et l’isolant Q = [(Tbatt – Text)] / Rtotal Tbatt = Température de batterie désirée, soit 10 degré Celsius Text = Température de calcul extérieur, soit ‐30 degré Celsius Constantes K aluminium = 222W/mk K air a ‐20C = 0.02211W/mk Dimension du boitier (L, l, h) : 0.7112 X 0.381 X 0.3048 Dimension des 4 batteries collés (L, l, h) : 0.692 X 0.330 X 0.254 Surface sous les batteries (repose sur un plaqué de bois) : R = 0.00635m / [.04W/mk * (0.692*0.330)] R = 0.695C/W Q = [10C – (‐30C)] / 0.695C/W = 57.54W Surface sur les 2 cotés en longueur des batteries : R = [(0.7112m – 0.692m) / 2] / [0.02211W/mk * (0.692*0.254 * 2)] R = 1.23513C/W Q = [10C – (‐30C)] / 1.23513C/W = 32.385W Surface sur les 2 cotés en largeur des batteries : R = [(0.381m – 0.330m) / 2] / [0.02211W/mk * (0.330 *0.254 * 2)] R = 6.8797C/W Q = [10C – (‐30C)] / 6.8797C/W = 5.814W Surface sur le dessus de la batterie : R = [(0.3048m – 0.254m)] / [0.02211W/mk * (0.692 *0.330)] R = 10.06131938C/W Q = [10C – (‐30C)] / 10.06131938C/W = 3.976W Puissance totale de 99.71 Watts requis pour compenser les pertes thermiques des batteries dans le boitier. Un câble chauffant de 100W sera donc installé et sera contrôlée par un module CT325 de la compagnie Minco, couplé à un RTD (Resistance Température Detector) pouvant lire des températures de 2 à 200 degré Celsius. Ce module veillera donc à ce que la température des batteries ne baisse pas en bas des 10 degrés Celsius pour maintenir les qualités des batteries.
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Modèle du contrôleur #CT325PD2C1 • Peu gérer jusqu'à 240 Watts de chauffage
• +‐1% de précision
• Alimentation de 4.75 à 60Vcc
• Peu prendre une charge de 4 Acc
• Protection; l’élément ne chauffe pas en cas de disfonctionnement
Figure 12 : Contrôleur de température10
Figure 13 : Fiche technique11
Modèle du RTD #S101732PD3T40
• ‐70 à 500 Degré Celsius
• 100 Ohms
Figure 14 : Sonde de température12
Protection Il à été décidé de mettre l’alimentation de puissance en série avec une fusible et un contacteur pour des fin de sécurité. Un fusible de 250 Ampère et un contacteur SW80 de la compagnie Curtis ont été choisi pour protéger le combo variateur‐moteur.
Figure 15 : Câble multibrin torsadé AWC 13
Câblage Puisque les câbles auront à supporter beaucoup d’ampérage, ceux de type multibrin torsadés seront priorisé. Due aux grandes vibrations que le véhicule aura à subir, des câbles de la classe « Automotive » de la marque AWC, reconnus pour leurs flexibilités et leur résistance éprouvée, seront installés. Ce type de fil est conçu pour des températures jusqu'à 80°. Le calibre des câbles sont déterminés à
10 http://www.minco.com 11 http://www.minco.com 12 http://www.minco.com 13 http://www.awcwire.com/
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l’aide du tableau 2 du code électrique du Québec; du fil AWG #1 peu prendre jusqu’à 140A en courant continue. Pour ce qui est du contrôle, il est câblé en #18.
4. Bilan des activités
4.1 Arrimage formation pratique Plusieurs des matières vues dans le Bac de génie électrique ont été fort pratique dans l’élaboration du projet, tel que :
• Transfert de chaleur; Dans le cas de l’étude et des calculs du refroidissement des batteries
• Dynamique des systèmes; dans les calculs de puissance, d’ampérage et de tensions.
• Électromagnétisme ; Dans l’étude des différents type de moteurs
Malheureusement, certains de ces cours n’ont pas encore été suivis, ce qui a augmenté la difficulté lors des prises de décisions et des calculs. En revanche, plusieurs méthodes de travail acquises aux cours du baccalauréat ont été utiles.
4.2 Travail d’équipe Il a fallut être vigilant puisque ce véhicule était autant en conception mécanique qu’électrique. C’est pourquoi il a été nécessaire de communiquer et de se mettre à jours constamment avec l’équipe de génie mécanique. De plus, nous avons du adapter les équipements en fonction de l’espace disponible, puisque la structure devait être d’une dimension déterminée et l’espace s’est révélée restreint. Tout a été fait en équipe, et aucune tache n’a été séparée.
4.3Respect de l’échéancier L’échéancier initial du mi‐projet à été suivi tout au long du projet sauf pour les tests des batteries pour cause de délai de livraisons. On peut voir dans le diagramme de Gantt que la tache T5 et T4 ont été intervertis. Tâches de conception T1.1 Recherche sur les différents types de moteurs (poids, puissance, technologies utilisés, tension
d'utilisation, rendement, couts, influence des basses températures sur le rendement, etc.) T1.2 Sélection du moteur utilisé pour le couplage alimentation/motorisation, ainsi que son variateur. T2 Recherche sur les différents types de batteries (poids, énergie disponible, tension, couts,
influence des basses températures sur l'énergie disponible et sur la durée de vie, qualités écologiques, etc.) et étude des chargeurs.
T3 Recherche et élaboration des méthodes de conservation/génération de chaleur dans le compartiment batteries.
T4 Conception du schématique de contrôle du système et du filage incluant son implantation. T5 Essai pratique des conclusions tirées, à conditions climatiques réelles.
Figuree 16: Diagrammee de Gant
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7
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4.4 Analyse et discussion
La recherche bibliographique a été très approfondie en début de projet, et s'est étendue pendant plusieurs semaines. Cette recherche a semblé longue et n'est pas nécessairement reflété dans les équipements et les biens livrables du projet, mais devait être faite afin de bien déterminer les composantes, et écarter les mauvais choix. Il est donc inévitable que certains équipements mentionnés ci‐haut ne font pas partie de la conception finale du Polytrak, n'étant pas approprié pour le projet, et particulièrement pour ce qui est des types de moteurs et de batteries. La sélection des équipements, elle, s'est bien déroulée puisque les équipements optimisés étaient déjà biens ciblés suite aux recherches. De nombreux fournisseurs de marchandise ont ouvert leur catalogue de produit afin de déterminer avec précision la bonne pièce. Finalement, la phase de test sur les batteries et le moteur montre que des conclusions qui ne pouvaient être tirés par de simples recherches, faute de documentation. Plusieurs instruments de mesure ont confirmé que la batterie à décharge profonde était la seule désignée pour accomplir un tel travail lors de températures extrêmes. La disponibilité des charges en courant continu de grande puissance a contraints à utiliser l'onduleur qui a rendu les tests plus ardus. Avec une charge approprié en 12Vcc, les batteries auraient pu être poussée beaucoup plus a leur limite, et a des températures beaucoup plus basses afin de reproduire des conditions plus extrêmes que ce que le Polytrak aura à vivre en temps normal.
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Conclusion
La conception de la partie électrique du Polytrak a donc commencé par de multiples recherches sur les
différentes composantes, et l’identification des différents défis techniques qui allaient être rencontrés. Le travail de recherche a donc été d’une importance capitale, puisque la sélection et l’achat de pièces au hasard aurait donné une machine fonctionnelle, mais non‐optimisée. Le mandat confié devait tenir compte d’un certain niveau de performance, qui, d’après les tests réalisés, sera difficilement atteignable.
Le déplacement sur neige molle demande une quantité d’énergie important. Les motoneiges hors‐
sentier possèdent des moteurs à essence très performants pour se déplacer à des vitesses relativement basses. Le Polytrak pourra se mouvoir aisément en neige profonde, mais son autonomie s’en verra grandement affecté puisque le moteur demandera une quantité important de courant. Le moteur, lui, est assez puissant, mais sous‐alimenté.
Pour ce qui est de la chaleur dans le compartiment, une faire 100W de chauffage sera amplement
suffisant pour conserver une température de batteries de 10 degré Celsius par temps froid allant jusqu'à ‐30C. Il faut par contre considérer que des températures de ‐30C sont exceptionnels, et que la majorité des gens ne pratique pas de sports récréatifs a l’extérieur a ces températures.
L’utilisation de batteries plus performantes serait la solution idéale. Les batteries a décharge profonde
de 140Ah conçus pour ce genre d’application n’ont pas réussit à fournir assez de courant lorsque refroidies, pour conserver une autonomie visée de 3 heures au Polytrak, quand il demande 60% de sa pleine capacité. Sans toutefois utiliser des bases de lithium, les batteries au nickel sont plus énergétiques et moins affectés par le froid. Des restrictions économiques n’ont pas permis de tester ces accumulateurs, mais il serait recommandé de construire un prototype haut de gamme avec ces batteries, qui aurait une autonomie grandement supérieur, moyennant certains couts.
Le compartiment batterie devrait aussi être un peu plus grand. Un simple centimètre tout autour des
banques permettrait l’insertion d’un isolant styromousse, qui préserverait la chaleur des batteries. Dans un tel cas, le câble chauffant pourrait être réduit et ne serait pratiquement pas utilisé. L’énergie utilisée pour la chauffe des batteries pourrait alors être redirigé vers la propulsion. Finalement, un compartiment plus gros permettrait d’intégrer un chargeur un peu plus volumineux, mais qui débiterais plus d’ampérage, diminuant grandement le délai de charge, et permettant d’annuler le chargeur externe plus performant.
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Bibliographie VOLUMES
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COX Jim, 2003, Electric Motors, Argus Books, 130p.
WILDI Théodore, 2002, Electrical Machines, Drives, and Power Systems, Prentice Hall, 880p.
LIDEN David, 2001, Handbooke of Batteries, Third édition, McGraw‐Hill Professional, 1200p.
Wikipedia, «Lithium‐ion battery », http://en.wikipedia.org/wiki/Li‐ion, Juin 2010.
SITE WEB
Wikipedia, «Nickel‐metal hydride battery », http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel_metal_hydride_battery, Juin
2010.
Wikipedia, «Nickel‐cadmium battery», http://en.wikipedia.org/wiki/Nicd, Juin 2010.
Wikipedia, « Lead–acid battery», http://en.wikipedia.org/wiki/Lead%E2%80%93acid_battery, Juin 2010.
Centre National du Transport Avancé, « Réalisation du vélo électrique », http://www.cnta.ca/cgi‐
cs/cs.waframe.content?topic=35266&lang=1, Juin 2010
Transport Canada, « Gestion thermique pour véhicule électrique en climat froid »,
http://www.tc.gc.ca/innovation/tdc/summary/13200/13266f.htm, Juin 2010
Isidor Buchmann, « Battery University », http://www.batteryuniversity.com/index.htm, Juin 2010
Sevcon, « Dc Controlers », http://www.sevcon.com/pages/dccontrollers.html, Juin 2010
Wikipedia, « Moteur sans ballais», http://fr.wikipedia.org/wiki/Moteur_sans_balais, Juin 2010
TeamDelta, « Motor and Mounts », http://www.teamdelta.com/products/prod5.htm, Juin 2010
Above the water line, «Electrical propulsion », http://www.abovethewaterline.net/electric_propulsion.htm,
Juin 2010
Electrical Motorsports, «Power
Curve»http://www.electricmotorsport.com/store/ems_ev_parts_motors_pmac.php, Juin 2010
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Plans du véhicule Figure 17 : Plan du Polytrack [Connexions externes]
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Figure 18 : Plan du Polytrack [Connexions internes]
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Figure 19: Plan du Banc de test
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Photos Figure 20 : Voltmètre de la batterie
Figure 21: Ampèremètre de la batterie
Figure 23:Convertisseur CC‐CA
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Figure 24:Analyseur de puissance
Figure 22:Thermomètre RTD
Figure 23: Intérieur du congélateur
