ATELIER SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE DU LYCEE EVARISTE GALOIS (Noisy-le-Grand 93)

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1 ATELIER SCIENTIFIQUE ET TECHNIQUE DU LYCEE EVARISTE GALOIS (Noisy-le-Grand 93) Travaux réalisés par Jérémy Bonneau, Aurélien Cibert et Anthony Ronssin, élèves de terminale STI Electrotechnique Composition de notre vélo à assistance électrique : Batterie Moteur synchrone Variateur de vitesse

2 Schéma de principe du moto-variateur Potentiomètre de la poignée (règle le du hacheur) Moteur Synchrone Hacheur Ib Ub Moteur synchrone «Aiguilleur de courant» Commande Information position rotor (capteurs à effet Hall) Moto-Variateur Onduleur à transistors MOSFET

3 Mise en œuvre du moteur Brushless Le moteur Brushless est équivalent à un moteur à courant continu sans l ensemble collecteur-ballais qui est remplacé par un commutateur de courant électronique (onduleur). Pour pouvoir fonctionner il est nécessaire de connaître la position du rotor. C est le rôle des 3 capteurs a effet hall (Ha,Hb,Hc). En fonction de la position du rotor, le composant Nec 1246c commande le commutateur de courant de sorte que le champ tournant créé au stator attire en permanence les aimants du rotor. Moteur Synchrone Signaux des capteurs et courant dans l enroulement «a» ia Ha Hb Hc i T1-T2' T1-T3' T2-T3' T2-T1' T3-T1' T3-T2' T1 T2 T3 ia Table de commande des transistors (la pin7» permet d inverser le sens de rotation du moteur) : Ha Hb Hc Ha Hb Hc T1' T2' T3' T1 T2 T3 Commande NEC 1246 Information position rotor (capteurs à effet Hall) T3' T2' T1'

4 La variation de vitesse Tension entre phases du moteur (10V/div) Courant dans le moteur (2A/div) Zoom T Un hacheur «découpe» la tension d alimentation du moteur à une fréquence de 14,7 khz. Il permet de moduler l énergie électrique fournie au moteur suivant la demande du cycliste. En jouant sur le potentiomètre de la poignée, on fait varier le rapport cyclique et donc la tension moyenne à l entrée de l onduleur. La vitesse varie alors comme dans une association Hacheur+MCC.

5 La caractéristique couple-vitesse de notre vélo Pour relever cette caractéristique, il a fallu concevoir un banc, capable de simuler une charge et ainsi d appliquer un couple résistant à la roue. Ce dernier est composé d un support où repose la roue motrice du vélo, et d un moteur à courant continu à excitation séparée. Schéma du montage effectué: Roue du Velo Réducteur Rr Rouleau d entrainement Rb Ib Moteur Synchrone M.C.C VARIATEUR Ub - Rr: Rayon de la roue du vélo: Rr=32.5 cm - Rb: Rayon du rouleau du banc: Rb=3.5 cm - Rapport de réduction: r=0.111 Im Charge Energie électrique issue de la batterie Moto-variateur Réducteur Charge

6 Les grandeurs relevées sont les suivantes: - la vitesse de rotation de la MCC à l aide d un tachymètre ; - le courant d induit de la MCC Imcc nous permettant d en déduire le couple par la relation Tem=Ki x Imcc. Il a fallu aussi faire attention au rapport des diamètres de la roue du vélo et du rouleau fixé sur l arbre de la MCC ce qui implique un rapport réducteur r=0.111, mentionné précédemment. Pour obtenir les valeurs ramenées au moteur-roue, la vitesse est donc multipliée par r et le couple divisé par r pour avoir Tm. Les caractéristiques obtenues : Couple (N.m) Caracteristiques du couple en fonction de la vitesse angulaire de la roue Moteur 1 Moteur 2 Moteur 2 constructeur Moteur 1 constructeur Linéaire (Moteur 2) Linéaire (Moteur 1) T = -1,4269xW + 36,104 T = -0,8551xW + 30,923 Notre moteur est en fait constitué de deux enroulements séparés, comme si il y avait deux moteurs en un. On fera fonctionner l un ou l autre selon que l on souhaite un fort couple ou une grande vitesse. Ces caractéristiques s apparentent bien à celles d un moteur à courant continu. Le constructeur Crystalyte donne les caractéristiques de chacun des moteurs (isolé dans son propre carter) avec les références 406 pour le moteur 1 et 409 pour le moteur 2. Nos mesures montrent que notre moteur, vendu sous appellation 406/409, ne tient pas les performances annoncées. Vitesse angulaire (rd/s)

7 La batterie Nous nous sommes orientés vers la technologie Ni-MH qui offre un très bon compromis capacité, poids et prix. EXPERIMENTATION : TEST DE LA CAPACITE REELLE DE NOTRE BATTERIE Nous souhaitons évaluer la capacité réelle de la batterie et vérifier celle indiquée par le fabricant : 9Ah; 36V. La capacité d une batterie est la quantité d'électricité (mesurée en Ah) que celle-ci peut restituer pour un cycle de décharge complet. C est la grandeur qui déterminera l autonomie de notre vélo. Il existe 2 textes (normes) internationaux qui fixent certaines des règles régissant les tests et la commercialisation des accumulateurs : - CEI (traduite en Europe EN et en France NF EN ) pour le Ni-Cd. - CEI (traduite en Europe EN et en France NF EN ) pour le Ni-MH. L'article 4 fixe les conditions d essais pour mesurer la capacité : La charge pour tous les essais doit être effectuée à +20 C +/-5 C à un courant constant au taux de 1/10ème de la capacité (0,1xIn) pendant 16h, l'élément ayant été au préalable déchargé à la même température à 0,2xIn jusqu'à 1,0V. L'élément doit ensuite être mis au repos au moins 1h et au plus 4h. La décharge permettant de mesurer la capacité se fait alors comme vu ci-dessus au taux de 0,2xIn à 20 C +/-5 C jusqu'à la tension finale de 1,0V par élément.

8 Dans notre cas, nous devons donc procéder à la décharge de notre batterie (préalablement chargée) à un courant de décharge égal à 1,8A (0,2 x 9A) jusqu à une tension de 30V (30 éléments x 1,0V). Régulateur de courant Le montage effectué est le suivant : Batterie Ib R.I.T Ub Rh rm Voie 1 Ordinateur + Logiciel Synchronie La courbe obtenue: Releve de Ub et Ib en fontion du Temps Sonde différentielle 1/10 Voie 2 Carte d acquisition 50 6 Tension Ub (Volts) Temps t (heures) 4, Courant Ib (Ampères) Il aura donc fallu 4H 51mn pour décharger notre batterie. La capacité réelle est alors de 8,75 Ah (4.86h x 1,8A). La capacité donnée par le constructeur est de 9 Ah. Ce qui correspond avec notre mesure. Tension Ub Tension seuil Courant Ib

9 Récupération d énergie? Peut-on recharger la batterie de son vélo lors d une ballade? Pour répondre à cette question, nous avons entraîné la roue du vélo par le biais du moteur à courant continu du banc de charge. Et oui, on a pu relever une inversion du courant dans la batterie (la batterie ne fournit plus d énergie mais en reçoit). Ceci se produit lorsque la FEM induite devient assez importante pour permettre la conduction des diodes en antiparallèle sur chaque transistor MOSFET. Le hacheur lui aussi est réversible en courant: le courant s inverse et hop direction batterie! Vraiment lors d une simple ballade? La récupération est possible mais néanmoins difficilement réalisable sur le terrain. En effet, sur le plat, il faut pédaler sacrément fort pour obtenir un courant de recharge significatif sauf peut-être pour Mme Jeannie Longueau!

10 Fonctionnement moteur Courant batterie (positif) Signal capteur à effet Hall Tension d un enroulement Courant dans 1 enroulement Fonctionnement Génératrice Signal capteur à effet Hall Tension d un enroulement Courant dans 1 enroulement Courant batterie (négatif)

11 Comparaison de la récupération d énergie entre le moteur 1 et le moteur 2 *Moteur 1 : récupération d énergie à partir de V = 50 km/h À V = 60 Km/h on observe un courant batterie égal à 6,2 A Tension batterie ( 41 V ) Tension d un enroulement moteur Courant batterie (Imoy =-5.5 A) *Moteur 2 : récupération d énergie à partir de V = 33 Km/h À V = 40 Km/h on observe un courant batterie égal à 5,80 A Tension batterie (41 V ) Tension d un enroulement moteur Courant batterie (Imoy = -5 A) Le moteur 2 présente, à vitesse égale, une FEM induite plus importante que le moteur 1. La récupération d énergie est plus importante et plus facilement réalisable avec ce moteur. En effet 50 Km/h (avec le moteur 1) est une vitesse qui n est pas facile à atteindre!