Projet Pluritechnique encadré

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1 Projet Pluritechnique encadré VELO A ASSISTANCE ELECTRIQUE (VAE) Année CZEKALA Hugo MAGNOLINI Romain DUPUY Alexandre 1

2 Introduction.. Page 3 1. Analyse fonctionnelle Pages Diagramme des inter-acteurs. Page Bête à cornes. Page Présentation de système. Pages Composants du VAE. Page La console.. Pages Présentation des solutions constructives... Pages Assistance au pédalage.. Page Diagramme FAST. Page Chaîne d énergie Pages Capteur d effort... Pages Capteur de vitesse Pages Structure interne du VAE Page Respect de la législation.. Pages Réalisation de l étiquette énergétique du VAE. Pages Calcul des émissions de gaz à effet de serre. Pages Estimation de la consommation d énergie en litre équivalent essence.. Pages Elaboration de l étiquette énergétique... Pages Batteries. Pages Bien choisir la batterie... Page Les batteries au Plomb.. Pages Les batteries au Nickel.. Pages Les batteries au Lithium Page Autonomie d une batterie.. Pages Quelle batterie pour le VAE?... Pages Conclusion. Pages Conclusion Page 38 Utilisation de l interface... Pages Matériel Tacks... Pages Utilisation de l interface LabView «VAE interactif» (logiciel).. Pages

3 Thème : Vélo à assistance électrique Intitulé du sujet développé : Contribution du vélo à assistance électrique au développement durable. Problématique : Comment réduire les émissions de gaz à effet de serre du vélo à assistance électrique en fonction de sa consommation énergétique. Modèle étudié : Matra I-Step City Elément du cahier des charges fonctionnel : FP1 Transporter l utilisateur FC1 Faciliter la maintenance FC2 Faciliter le transport/le stockage FC3 S adapter au réseau EDF FC4 Respecter l environnement FC5 Résister à l environnement FC6 Respecter les normes en vigueur 3

4 1.1. Diagramme des inter-acteurs FP1 FC1 FC2 FC3 FC4 FC5 FC6 Transporter l utilisateur Faciliter la maintenance Faciliter le transport/le stockage S adapter au réseau EDF Respecter l environnement Résister à l environnement Respecter les normes en vigueur 4

5 1.2. Bête à cornes 1.3. Présentation du Système - le vélo à assistance électrique permet à l utilisateur d obtenir une aide au pédalage réglable. - une fonction régénération permet à l utilisateur de recharger la batterie en pédalant. Cette fonction demande un effort plus important. Ces deux fonctions sont réglables et dépendent de quatre modes : 5

6 Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Assistance/Régénération Distance moyenne effectué avec une batterie pleine 25% 70 Km 50% 45 Km 100% 35 Km 200% 25 Km 1.4. Composants du VAE : Fourche aluminium 9 vitesses Shimano Deore Potence réglable à déclanchement rapide V-Brakes Shimano Deore LX Selle mousse Royal Nuvola Pneus renforcés 700c Continental 37mm 1.5. La console C est un ordinateur de bord doté d un écran LCD qui : indique le niveau de charge de la batterie permet de régler le niveau d assistance ou de régénération 6

7 indique le niveau d énergie utilisée ou régénérée permet d allumer les phares affiche la vitesse en km/h 1.6. Présentation des solutions constructives Le système à assistance électrique Matra Sport s adapte sur l architecture d un vélo classique. 7

8 Le système d assistance au pédalage se compose : d une chaîne de contrôle et de traitement des informations munie d un microcontrôleur. d une chaîne de transmission de puissance assurant l assistance, munie d un moteur électrique à courant continu et d un système d adaptation de mouvements. 8

9 1.7. Assistance au pédalage L assistance au pédalage se greffe sur une architecture de vélo classique : Dans notre cas, l implantation du moyeu électrique se fait au niveau du moyeu arrière : 9

10 1.8. Diagramme FAST 10

11 1.9. La chaîne d énergie Le système d assistance électrique au pédalage est un système de transmission mécanique à deux entrées et une sortie. La puissance motrice disponible au niveau de la roue arrière est la somme de deux puissances : la puissance musculaire fournie par le cycliste et une puissance électrique apportée par le moteur électrique. La somme de ces deux puissances se réalise au niveau de l axe de la roue. Il y a donc deux chaines d énergies qui aboutissent sur cet axe, celle qui part du cycliste celle qui part de la batterie. La première chaîne est représentée par le schéma synoptique ci dessous, elle part du cycliste qui agit sur le plateau à l avant, ensuite le transfert d énergie passe par une transmission «roue dentée + chaîne». La roue libre ensuite bloque le transfert de l énergie de la roue vers le cycliste et évite ainsi qu en descente les pédales ne tournent (la roue libre est placée sur la cassette arrière). 11

12 La deuxième chaine part de la batterie qui fournit l énergie au moteur via un convertisseur place comme le moteur sur l axe de la roue arrière (ce convertisseur d énergie est aussi appelé variateur de vitesse électronique). Le moteur entraine la roue arrière : 12

13 Chaîne d énergie finale : On a ici : Le couple Cc fourni par le cycliste Le couple Cm fourni par le moteur Le couple de transmission Ct fourni par le pignon Le couple sur la roue Cr 13

14 1.10. Capteur d effort Sur le système d assistance électrique de notre VAE est présent un capteur d effort. Ce capteur est présent dans le moyeu de la roue arrière est permet de détecter l effort exercé sur le pédalier. De cette manière, le moteur est capable de savoir quand l assistance doit démarrer et quand elle doit se couper. Le capteur d effort présent sur notre VAE est une jauge de déformation. Le but des extensomètres à fils résistants ou jauges de déformation (strain gauge) est de traduire la déformation d'une pièce en variation de résistance électrique (plus les extensomètres s'étirent, plus leurs résistances augmentent). Elles consistent en des spires rapprochées et sont généralement fabriquées à partir d'une mince feuille métallique (quelques µm d'épaisseur) et d'un isolant électrique, que l'on traite comme un circuit imprimé (par lithographie ou par attaque à l'acide). Une contrainte est l'état de pression dans lequel se trouve un matériau lorsqu'on lui applique une ou plusieurs forces. Il s'agit d'une réaction distribuée de la matière, les atomes se réorganisent pour compenser les forces extérieures. Une contrainte est une force divisée par une surface, elle est donc homogène à une pression et exprimée en pascals. 14

15 On peut distinguer différents types de déformations : La déformation élastique, qui est réversible La déformation plastique, qui est irréversible Le fluage qui est une déformation irréversible qui augmente avec le temps sous l'effet d'une contrainte constante. La vitesse de fluage augmente généralement lorsque la température du matériau augmente. Mesure de l effort Piézorésistance La piézorésistance est le changement de conductivité d'un matériau dû à une contrainte mécanique. La piézorésistance dans les semi-conducteurs a été découverte sur un cristal de silicium en Explication : La résistance électrique d'une jauge cylindrique est donnée par : avec : ρ, résistivité du conducteur ; sa longueur ; A l'aire de sa section ; 15

16 D, le diamètre de la section. Donc après déformation de la jauge, on obtient : On peut alors exprimer la variation relative de la résistance par : Avec k, la sensibilité d'un appareil piézorésistant, dépend principalement du constituant de la jauge, la variation relative de longueur et R la résistance. Piézorésistance des métaux La piézorésistance d'un capteur métallique est due au changement de géométrie dû à la contrainte mécanique. Ce facteur géométrique du capteur se représente par la variable k : où représente le coefficient de Poisson du matériau. 16

17 Même si les variations sont relativement faibles, elles permettent d'utiliser ces capteurs (jauge de contrainte) sur une large gamme d'utilisation. Piézorésistance dans les semi-conducteurs La variable k d'un semi-conducteur peut-être cent fois supérieure à celle des métaux. Les semi-conducteurs généralement utilisés sont le germanium et le silicium (amorphe ou cristallisé). Une contrainte appliquée sur du silicium va modifier sa conductibilité pour deux raisons : sa variation géométrique mais aussi sur la conductibilité intrinsèque du matériau. Il en résulte une amplitude bien plus importante que pour des capteurs métalliques. Piézorésistance des capteurs en silicium La piézorésistance des semi-conducteurs a été utilisée avec un grand nombre de matériaux (germanium, silicium polycristalin ou amorphe ). Le silicium étant aujourd'hui largement utilisé dans les circuits intégrés, l'utilisation des capteurs à base de silicium est largement répandue et permet une bonne intégration des jauges de contraintes avec les circuits bipolaires ou CMOS. Cela a permis une grande gamme d'utilisation de la piézorésistance. Beaucoup d'appareils commerciaux comme les capteurs d'accélération utilisent des capteurs en silicium. 17

18 1.11. Capteur de vitesse Le moteur du VAE est piloté par un contrôleur électronique comportant, entre autres, les éléments suivants : 3 Capteurs à effet Hall (un par phase) ayant pour fonction de donner la position et la vitesse du moteur, Capteur à effet Hall (1 des 3) du moteur d assistance : Les Capteurs à Effet Hall : Un capteur à effet hall donne un signal lorsqu' il détecte un champ magnétique ou une pièce métallique. La tension de Hall (du nom de celui qui remarqua le phénomène en 1879) et amplifié dans le capteur. Si un courant Io traverse un barreau en matériau conducteur ou semi-conducteur, et si un champ magnétique d'induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension Vh, proportionnelle au champ magnétique et au courant Io, apparaît sur les faces latérales du barreau. 18

19 Les électrons sont déviés par le champ magnétique, créant une différence de potentiel appelée tension de Hall. Le champ magnétique déforme la trajectoire des électrons car il engendre une force de LORENTZ ( e ). La Constante de HALL étant inversement proportionnelle à la densité des porteurs, la tension de HALL est beaucoup plus importante dans les semi-conducteurs que dans les métaux. Quelques spécifications techniques de composants existants: - Tension d alimentation : 5 V (4,5 à 6 V) - Densité du flux magnétique : sans limite - Sensibilité à 5V - min : 0,75 mv/gauss - max 1,72 mv/gauss - Courant d alimentation : 9 ma - Résistance de sortie : 50 ohms 19

20 1.12. Structure interne du VAE 20

21 1.13. Respect de la législation Le vélo à assistance électrique est considéré légalement comme une bicyclette classique. Les directives européennes indique qu'un VAE doit respecter certaines caractéristiques. La mise en route du moteur est conditionnée uniquement par le pédalage et doit se couper dès que l'on arrête de pédaler. Il faut donc obligatoirement un capteur de pédalage. L'assistance doit se couper à 25 km/h. La puissance nominale du moteur doit être de 250 watts maximum. Pas de poignée d'accélération, d'interrupteur, de bouton ou autre dispositif qui permette au vélo d'avancer tout seul (Un réglage d'assistance (25%, 50% etc...) est cependant possible). Il faut donc bien être en présence d une ASSISTANCE et non d une PROPULSION. A noter que la présence de "capteurs de freinage" coupant automatiquement l'assistance au moindre coup de frein n'est pas obligatoire. Tout moyen présent sur le vélo qui permettrait à celui-ci d avancer sans pédalage (poignée d accélération, 21

22 gâchette, ) ferait sortir le vélo de la catégorie des vélos à assistance électrique. Notre vélo est conforme à la législation. Nous voulons réaliser l étiquette énergétique du vélo. Nous devrons pour caractériser l étiquette, définir deux paramètres : Les émissions de gaz à effet de serre (CO2) du V.A.E. Sa consommation énergétique ramenée en litre équivalent essence. Données : Energie Consommée (Wh) Energie Récupérée (Wh) 7.5 Energie Totale (Wh) 8.75 La batterie est rechargée sur un réseau électrique via un chargeur. Lors de son utilisation le chargeur à un rendement de 90%. 22

23 2.1. Calcul des émissions de gaz à effet de serre L énergie consommée pour recharger la batterie est d origine électrique. Il est donc nécessaire de déterminer l émission de CO2 par KWh. Le site de la RTE nous permet d obtenir plusieurs informations : Production de l énergie en France lors de la recharge de la batterie : Puissance totale électrique produite en France le 29/02/2012 à 19H (MW) Emission de CO2 en France lors de la recharge de la batterie : Emission de CO2 en France le 29/02/2012 à 19H (Tonnes par heure) 6545 Détermination des émissions de CO2 du VAE : Comme vu précédemment, en une heure, 6545 tonnes de CO2 sont émises pour MW consommés. 23

24 Calcul : 6545 x 106 / x 106 = gramme de Co2 émis par w consommé et par heure. Taux d émission de CO2 par Watt en France (gramme de CO2 par Watt et par heure) 0,096 Comme vu précédemment 10 Km correspond à une consommation de 8,75 Wh. Le rendement du chargeur est de 90% donc 9,7 Wh nécessaire pour la recharge. Rejet de CO2 dans l atmosphère : 9,7 x = 0,93 gr de CO2 sur le trajet (10 Km) Taux d émission de CO2 du VAE pour le trajet de 10 Km (gramme de CO2) 0,93 Taux d émission de CO2 du VAE par kilomètre parcouru : 10 Km 0,93 gr de CO2 1 Km? Donc 0,93 / 10 = 0,093 gr de CO2 Taux d émission de CO2 du VAE par Km (gramme de CO2) 0,093 24

25 2.2. Estimation de la consommation d énergie en litre équivalent essence Un vélo électrique tout comme une voiture électrique ne consomme pas d essence ni de gasoil mais ce n est pas pour autant qu il ne consomme pas d énergie. Données : Energie fournie par le réseau de distribution pour recharger la batterie sur un trajet de 10 Km (Wh) 9,7 25

26 Calculs : 97,5 Wh de consommation au 100 Km 1 litre d essence est équivaut à 9630 W Donc le vélo à une consommation en litres d équivalent essence aux 100 Km de : 97,5/9630 = 0,01 litre 2.3. Elaboration de l étiquette énergétique Nous avons calculé les émissions de CO2 ainsi que la consommation du VAE, nous pouvons maintenant élaborer l étiquette énergétique : Informations répertoriées sur l étiquette énergétique : - La marque - Le modèle - L énergie - La consommation en litre équivalent essence - Le CO2 rejeté en g/km : 26

27 27

28 Batterie du VAE : Batterie PL LiMn V / 9.6Ah / 268Wh - 2.8Kg Type de Batterie : Lithium Manganèse Tension : 25.9V Autonomie : 65km pour un cycliste de 70kg sur plat et sans vent Durée de vie : >500 cycles (5 ans) Capacité (Ah) : 9.6Ah Capacité (Wh): 248Wh Temps de charge : 3h (80%)-6h (100%) Poids : 2.8kg Garantie : 1 an Batteries compatibles avec le VAE : PL 250Light - LiMn V / 6.4Ah / 142Wh - 1.4Kg PL LiMn V / 9.6Ah / 268Wh - 2.8Kg PL 250 HT - LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.0Kg PL 250 HT RR60 - LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.2Kg PL LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.0Kg PL 500 HS - LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.0Kg 28

29 3.1. Bien choisir la batterie 3 types de batterie : Batteries au Plomb Pb Batteries au Nickel Ni Batteries au Lithium Li Chaque type de batterie à ses avantages et ses inconvénients. Pour savoir quelle batterie est la mieux adaptée, il est nécessaire de comparer plusieurs éléments : Le prix Le poids L effet mémoire (la batterie garde en mémoire un niveau de charge qu elle ne dépasse plus) L autodécharge (décharge de la batterie même quand elle n est pas utilisée) La durée de vie 3.2. Les batteries au Plomb Les batteries au plomb gélifié Pb sont les plus répandues et ont quelques avantages : Faible prix Pas d effet mémoire Elles sont faciles à trouver dans le commerce 29

30 Toutefois, elles présentent quelques inconvénients : Poids élevé Sensibilité au froid Légère autodécharge Il ne faut pas les décharger complètement Elles délivrent de moins en moins de puissance à mesure qu elles se déchargent Durée de vie de seulement 300 à 400 cycles de recharge 3.3. Les batteries au Nickel Les batteries nickel-métal Ni-Mh se situe à mi-chemin entre les batteries au plomb et celles au lithium. Leurs avantages sont : Poids moins élevé que celui des batteries au plomb, Puissance potentiellement supérieur à celle des batteries au plomb, Pas d effet mémoire, Durée de vie d environ 500 cycles de charge. 30

31 Elles possèdent aussi des inconvénients : Prix élevé, Autodécharge importante Elles délivrent de moins en moins de puissance à mesure qu elles se déchargent Les batteries au Lithium Les batteries au lithium (Li-On et Li-Po) sont les plus performantes du marché et présentent les avantages suivants : Pas d effet mémoire, Puissance supérieur à celle des autres types de batteries (Pb et Ni-Mh), Poids inférieur à celui des deux autres types de batteries (Pb et Ni-Mh), Elles délivrent pratiquement autant de puissance lorsqu elles sont presque déchargées, Durée de vie atteignant 500 à 1000 cycles de charge. Elles ont aussi quelques inconvénients notables : Coût plus élevé que les autres batteries, Légère autodécharge, Recyclage plus complexe. 31

32 3.5. Autonomie d une batterie L autonomie d une batterie dépend de plusieurs critères : le type de route la corpulence de l utilisateur la condition météorologique la puissance du moteur etc Il faut simplement retenir que : plus la tension (en volt) est élevée, plus la batterie délivrera de puissance, plus la capacité (en Ah) est élevée, plus l autonomie sera importante. Calculer l autonomie d une batterie : 32

33 Exemple : Pour une batterie 36 V, 10 Ah et un moteur de 200 Watts, cela donne : 36 x 10 = /200 = 1 heure et 48 minutes à pleine puissance Quelle batterie pour le VAE? D après ce que nous venons de voir, la batterie au lithium semble être un bon compromis. Le moteur de notre V.A.E. a une puissance de 250W. Nous pouvons calculer l autonomie maximum de chaque batterie pour une utilisation à pleine puissance : Cette batterie est limitée par sa puissance de 142 Wh : PL 250Light LiMn 22.2V / 6.4Ah / 142Wh 1.4Kg (22.2 x 6.4) / 250 = 34 min Ces batteries sont surpuissantes pour le moteur du V.A.E. : PL 250 HT - LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.0Kg PL 250 HT RR60 - LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.2Kg PL LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.0Kg PL 500 HS - LiMn - 37V / 9.6Ah / 355Wh - 4.0Kg 33

34 (37 x 9.6) / 250 = 1h et 25min Ces batteries peuvent alimenter le moteur de 250W, mais il est inutile de les choisir pour plusieurs raisons : poids important prix élevé déchets plus importants puissance supérieure à celle du moteur (pertes) Cette batterie est montée sur le V.A.E. : PL 250 LiMn 25.9V / 9.6Ah / 268Wh 2.8Kg (25.9 x 9.6) / 250 = 1h Cette batterie est le meilleur compromis pour plusieurs raisons : poids relativement faible bon rapport performance - coût utilisation de toute la puissance limitation des déchets à recycler En choisissant cette batterie, nous pouvons limiter l émission de CO2 de plusieurs manières : faibles besoins électriques pour la charge autonomie correcte, cycles de charges espacés déchets à recycler faibles 34

35 3.7. Conclusion Stocker la quantité nécessaire d énergie pour réaliser un trajet quotidien <10 Km pendant 5 ans, 5jours 35

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38 Il y a plusieurs manières de réduire l émission de gaz à effet de serre. Tout d abord, le choix de la batterie a son importance. Il convient de choisir une batterie approprié à l utilisation du vélo (occasionnelle, quotidienne, ). Selon la puissance du moteur, l autonomie de la batterie peut varier. Il faut donc prendre en compte plusieurs éléments: le type de la batterie (plomb, lithium, nickel, ), sa capacité (influence sur l autonomie),. son nombre de cycle de charge (durée de vie), le caractère recyclable des composants de la batterie. Mais nous avons montré que parmi les batteries compatibles avec notre V.A.E. celle montée est la mieux adaptée de toutes. Les fonctions du vélo permettent aussi de réduire les émissions de gaz à effet de serre : Tout d abord la fonction «Génération» du V.A.E permet au cycliste de recharger la batterie grâce à son énergie musculaire. Le fait que, conformément à la législation, l assistance au pédalage se stoppe à 25km/h 38

39 1. Matériel Tacks Grâce au matériel Tacks, nous pourront utiliser l interface du VAE. Voici le support sur lequel doit être monté le VAE : Ce support doit être accompagné d un moteur d entrainement : 39

40 Connexion des différents constituants du VAE : 2. Utilisation de l interface LabView «VAE interactif» En cliquant sur l exécutable VAE MATRA, la première fenêtre de l interface apparaît : 40

41 Cette interface permet de sélectionner différents menus : Le tableau de bord : L espion de données du bus CAN Le graphe bus CAN 41