VOITURE QUI SE RECHARGE PAR INDUCTION

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1 VOITURE QUI SE RECHARGE PAR INDUCTION DUSHIMIMANA Guillaume VAN GOETHEM Maxime RÉSUMÉ Ce rapport est un compte rendu du projet effectué lors de notre bureau d étude. Le but est de réaliser une voiture qui se recharge par induction. Le projet a été subdivisé en deux parties, la réalisation de la voiture et la réalisation de la recharge par induction. La conception de la voiture consiste à réaliser le châssis et les engrenages, monter les pneus, mettre en place les moteurs et réaliser les circuits de commande des moteurs. La recharge par induction comprend la fabrication des inductances et la mise au point d un circuit d oscillation, d un circuit de redressement et d un circuit de recharge. Mots-clefs : Induction, recharge, voiture, résonance. 1. INTRODUCTION Au cours de ces dernières années nous avons vu apparaitre sur le marché de l électronique des kits de recharge par induction utilisés pour charger les téléphones, tablettes, ordinateurs portables et autres appareils. Ces kits sont constitués de deux parties, une partie émettrice et une partie réceptrice. Les appareils électroniques devenant de plus en plus performant, il n en va pas de même pour la capacité des batteries, ces appareils deviennent donc de moins en moins autonomes en termes d énergie. L utilité d une recharge sans fil prend alors toute son importance, un utilisateur d appareils électroniques ne serait plus obligé de trouver une prise électrique pour recharger sa batterie. Le rendement de l induction peut varier entre 50 et 90% à condition qu on se trouve à une certaine distance de l émetteur. On utilise des circuits résonants pour augmenter la distance et l efficacité du transfert d énergie. Le couplage inductif n utilisant pas la résonance nécessite d avoir des bobines ayant des noyaux pour augmenter l inductance et la distance nécessaire pour le transfert de puissance entre le primaire et le secondaire est fortement réduite. Nous avons pour objectif de construire une voiture se rechargeant par induction. Le projet a été subdivisé en deux parties : 1. La construction de la voiture : Nous dessinerons le châssis et les engrenages permettant le mouvement de la voiture. Nous réaliserons aussi des circuits permettant le contrôle de la voiture à distance. 2. Induction et recharge : Nous mettrons en œuvre les circuits permettant d émettre et de recevoir de l énergie par induction et les relierons à un circuit de recharge. 2. DESCRIPTION DES DIFFÉRENTES PARTIES DU PROJET 2.1. Construction de la voiture Nous souhaitons construire une voiture télécommandée. Nous dessinons le châssis de la voiture avec un logiciel de dessin que nous imprimerons grâce à l imprimante 3D. Ci-dessous nous avons une représentation schématique de la commande la voiture. Bouton Encodeur Transmetteur Pour transmettre une commande on utilise des boutons en entrée d un encodeur qui sérialise ces commandes pour permettre qu elles soient transmises. Les données sérialisées sont ensuite envoyées dans un émetteur radiofréquence qui les transmet grâce à une antenne. Receveur Decodeur Contrôleur de moteur La réception est réalisée grâce à une antenne qui est reliée à un module de réception radiofréquence accordé à la même fréquence que l émetteur, les données reçues sont envoyées dans un décodeur qui commande le contrôleur de moteur. Grace au contrôle des deux moteurs nous pourrons diriger la voiture dans 4 directions, en utilisant des engrenages. Les dessins du châssis et des engrenages sont réalisés avec le logiciel SolidWorks Réalisation de l induction Une tension est induite électromagnétiquement dans une bobine lorsque ces spires sont placées dans le flux d un champ magnétique variable. 1

2 Lorsqu on applique une tension sur une bobine, un courant y circule et crée un champ magnétique. Lors du passage d une valeur minimale à une valeur maximale le champ a un mouvement par rapport à la bobine, une force dite contre-électromotrice est induite dans la bobine, le courant induit s oppose au courant de la source. Ceci s arrête lorsque le courant devient stationnaire. Si la tension de la source retombe à zéro, le champ magnétique décroit et induit dans la bobine un courant qui a le même sens que celui de la source. La capacité d une bobine à induire une force électromotrice est l inductance, dont l unité de mesure est le henry(h). La valeur de cette inductance est déterminée par le nombre de spire, l aire de la section de la bobine, la longueur de la bobine et le noyau. La formule suivante permet de calculer l inductance à partir des quatre facteurs déterminants : L 2 N Aµ l L : Inductance (H). N : Nombre de spires A : Aire de la section de la bobine (m²) µ : Perméabilité du matériau l : Longueur de la bobine(m) Aussi bien qu une bobine est capable d induire une tension en elle-même, elle est capable d induire une tension dans une autre bobine se trouvant à proximité, c est l inductance mutuelle. L induction dépend de la variation de champ magnétique, un courant continu ne permettra pas l apparition d une tension induite, car le champ magnétique est stationnaire. Il faut absolument une tension alternative qui produira un champ magnétique variable, induisant une tension variant au même rythme. La valeur de la force électromotrice est donnée par la loi de Faraday, qui dit que la force électromotrice induite est proportionnelle à la variation du flux magnétique au cours du temps, la formule suivante donne sa valeur : d E. dt E : Force électromotrice issu de l induction (V) Θ : Flux magnétique (Wb) Un circuit résonant est composé d au moins une inductance et une capacité, sa fréquence de résonance est donnée par la formule : 1 f 2 LC Sans l utilisation d un circuit oscillant nous obtenons un très faible courant au secondaire, tellement faible qu on ne peut pas le mesurer. Le circuit que nous utilisons pour l oscillation utilise une mise en parallèle d une inductance et d une capacité. Le circuit oscillera uniquement à la fréquence de résonance, la réception doit avoir la même fréquence de résonance. Au primaire nous utilisons un circuit oscillateur pour générer une tension alternative à partir d une tension continue, le champ magnétique récolté à partir de la bobine va induire un courant au secondaire. On pourra alors redresser la tension en utilisant un pont de diode et ensuite charger la batterie Charge de la batterie On peut classifier les batteries selon différents critères : Selon le fait qu elle soit rechargeable ou non Selon les matériaux qui la compose. Une batterie est constituée de l empilement de plusieurs cellules constituées elles-mêmes de deux électrodes et d un électrolyte. Une électrode est constituée d un matériau plus oxydant que l autre électrode. Les électrons passent à travers l électrolyte, qui est souvent un acide, et s accumulent sur une électrode. Si on relie les deux électrodes par une charge on permettra le déplacement des électrons à partir de l électrode qui a un excèdent d électron grâce à l attraction qui existe entre charges négative et positive, il y aura alors circulation d un courant. Les batteries qui ne sont pas rechargeable sont constituées de cellules dites primaires, la décharge s effectue jusqu à ce que l anode soit complètement dissoute par la migration des électrons. Les batteries rechargeable sont constituée de cellules dites secondaire, l anode de ce type de batterie ne se dissout pas lors de la décharge, elle change simplement d état chimique. On peut restaurer l état initial de la batterie en appliquant un courant inverse, c est la recharge. Ce courant va forcer le retour des électrons déplacés. La tension de recharge est généralement proche de 115% de la tension de la batterie. La capacité d une batterie se mesure en ampère-heure(ah), elle indique le nombre d ampères que la batterie peut fournir pendant une heure ou le nombre d heures pendant lequel la batterie peut fournir un ampère. Un circuit de recharge d une batterie est donc principalement constitué d une source de tension ayant courant qui varie selon le type de batterie. Les circuits supplémentaires qu on peut trouver dans un chargeur peuvent servir à connaitre l état de la batterie, décharger la batterie, limiter le temps de charge, sélectionner le courant de charge, Nous utilisons des batteries alcalines au nickelhydrure métallique (NiMH). Le circuit de recharge que nous avons construit permet de régler le courant de charge ente une plage de 50mA et 400mA. 2

3 3. MATEIRIELS ET METHODES 3.1. Construction de la voiture Partie Electronique Nous désirons réaliser une voiture télécommandée, pour cela il faut un circuit d émission et un circuit de réception. Le circuit d émission est constitué quatre boutons tactiles, ils permettront de commander 2 moteurs dans deux sens. Le changement d état d un des boutons est transmis à un encodeur dont la sortie est reliée à un module de transmission RF. Le transmetteur RF envoi l information sérialisée vers le récepteur. Le circuit d émission lui est constitué d une antenne, d un module de réception RF qui est accordé à la même fréquence que le module de transmission précédent, d un décodeur et d un contrôleur de moteur. Les données sérialisée reçues sont envoyées par le module de réception RF dans le décodeur. L information décodée est envoyée dans le contrôleur de moteur qui est capable de fournir un courant bidirectionnel permettant ainsi de tourner le moteur dans un sens ou l autre Partie Mécanique Nous nous sommes également attelés à la conception du châssis de la voiture. Nous souhaitions y monter : - La bobine d induction - Les différents circuits (redresseur, circuit de réception, ) - Les moteurs - Les roues Nous avons utilisés le logiciel SolidWorks pour concevoir le châssis dont la représentation est la suivante : Figure 3 Châssis de la voiture Sur ce châssis nous avons prévu des emplacements pour la batterie de la voiture, les moteurs et pour un axe qui sera solidaire aux roues arrières. Il a été également placé sur le châssis des encoches et un bossage sur l avant de la pièce. Un axe solidaire aux roues arrières se placera à l arrière du châssis et grâce à un engrenage sera entrainé par un moteur. Le bossage à l avant du châssis servira à l insertion de la pièce suivante : Figure 1 Schéma électrique de l émission Figure 4 Direction de la voiture Figure 2 Schéma électrique de réception Les composants ont été montés selon les schémas électriques ci-dessus. Cette pièce, solidarisée avec le moteur avant par un engrenage pourra se déplacer librement de gauche à droite (tout en étant limitée par le bossage sur le châssis) et, une fois solidarisée aux roues avant, elle permettra de gérer la direction de la voiture. Les pièces permettant la solidarisation à la roue sont les suivantes 3

4 Figure 5 Support direction Le support de direction (Figure 5) viendra s insérer dans les trous de la pièce de direction (Figure 4), Le second axe servira de pivot en s insérant dans la pièce de la Figure 6. Dans le trou à l avant de la pièce viendra se loger le support de la roue (Figure 7). Figure 7 Support Roue La tête de la pièce ci-dessus viendra se loger dans le trou du support direction. Elle pourra y tourner librement sans pouvoir s y déloger. L extrémité en forme de croix viendra se loger dans la roue et solidarisera donc celle-ci avec l assemblage de direction visible à la Figure 8 Figure 8 Assemblage de direction Figure 6 : Pièce permettant de fixer le pivot L assemblage des éléments cités ci haut permettra de gérer la direction de la voiture grâce à un moteur ayant une roue dentée. L entrainement des roues se fera sur la partie arrière du châssis. L agencement de la pièce en Figure 5 et de la pièce en Figure7 permettra de donner un axe de rotation fixe au support de direction (Figure 5), et de fixer la direction de rotation des pneus avant de gauche à droite Réalisation de l induction Pour commencer nous avons fabriqués les bobines en utilisant un câble de cuivre dont la section a un diamètre de 1.45mm. Le rayon de la bobine de réception est de 20cm pour 6 spires et celui de la bobine d émission est de 20cm pour 6 spires. Les valeurs des inductances mesurées grâce à l inductance-mètre sont de 28µH pour le primaire et 23µH pour le secondaire. La fréquence de résonance du circuit LC du récepteur a été choisie de manière à être dans la bande passante du circuit LC du primaire. Le facteur de qualité des circuits LC étant élevé il faut que les fréquences de résonances des deux circuits soient le plus proches 4

5 possible, pour la simplicité on utilise des éléments identiques. En utilisant une capacité de 2.2µF, on obtient par calcul une fréquence de résonance de 20kHz. Pour générer une oscillation ayant une fréquence de 20kHz nous utilisons le NE555. Le NE555 est un circuit intégré qui permet de générer des impulsions de fréquence et de rapport cyclique modulables. Le calcul de la fréquence est effectué en utilisant la formule suivante : 1.44 f ( R1 2R2) C Pour le rapport cyclique on utilise la formule suivante : R1 R2 D ( R1 2R2) Figure 11 Circuit de réception 3.3. Recharge de la batterie Comme nous l avons établi précédemment la charge d une batterie se fait en appliquant un courant inverse au courant de décharge. Le risque encouru est la surcharge de la batterie, l énergie supplémentaire s évacue sous forme de chaleur et peut dilater l électrolyte et causer l explosion de la batterie. La charge peut donc se faire de manière rapide avec un courant relativement élevé ou de manière lente avec un courant plus faible. Il est préférable d utiliser une charge lente pendant une plus grande période pour préserver les batteries. Quand on utilise un courant de charge élevé il faut faire attention au temps de charge. Figure 9 NE555 Le NE555 nous sert de commande pour un transistor de puissance. Nous utilisons un MOSFET, l IRFP250 qui peut supporter des tensions allant jusqu à 200V entre le drain et la source. Figure 10 Schéma du circuit d'émission Les valeurs des composants ont été calculées pour avoir un rapport cyclique de 50% et une tension carrée de 20kHz. Entre le NE555 et l IRF250 il a été placé un étage tampon. Le circuit de réception est constitué d un circuit LC et d un pont redresseur. Nous y avons rajouté un régulateur de tension pour limiter la tension de charge à 115% de la tension de la batterie. Figure 12 Circuit de charge de la batterie La tension qui sera recueilli lors de l induction, après avoir été redressée, alimentera le circuit ci-dessus. La diode D1 empêche la batterie de se décharger dans le circuit. Le potentiomètre R3 permet de régler le courant de charge, selon le tableau suivant. Courant de charge R3 50mA mA mA mA mA 2.5 Les circuits de réception et de charge de la batterie ont été gravés sur un même circuit imprimé. 5

6 Figure 13 Circuit imprimé incluant la réception de l'induction et la charge de la batterie 4. RESULTATS FINAUX La construction de la voiture a été réalisée avec le logiciel SolidWorks. Il a été utilisé pour concevoir les pièces qui permettent de diriger la voiture et servir de support aux composant de la voiture (moteur, batterie, ). Après l impression 3D du modele, les différents éléments y ont été placés, à savoir : la batterie, le circuit de réception RF, la bobine de réception, le circuit de redressement, le circuit de charge, les moteurs et les pneus. Ci-dessous nous avons les résultats obtenus pour l induction. Figure 14 Tension aux bornes du circuit résonant de l'émission La tension de la figure 14 a été prise aux bornes du circuit LC de l émission, elle a été générée grâce au NE555 qui a fourni une tension de commande de 20kHz. Elle produit un champ magnétique qui va induire un courant dans une bobine baignant dans ce champ. Ci-dessous nous avons la tension reçue aux bornes du circuit secondaire. Figure 15 Tension aux bornes du circuit résonant de réception A la réception nous avons une tension parfaitement sinusoïdale. L amplitude de cette tension varie en fonction de l endroit où on se place par rapport au circuit d émission. 5. CONCLUSION ET AMELIORATIONS POSSIBLES L objectif du projet était de construire une voiture qui se recharge par induction, nous avons segmenté le projet en deux parties : la construction de la voiture et la réalisation de la recharge par induction. Le châssis et les pièces permettant de guider la voiture ont été dessinés en utilisant le logiciel SolidWorks et imprimé avec une imprimante 3D et il a été placé sur la voiture un circuit permettant de commander la voiture à distance. L induction a été réalisée en utilisant deux circuits résonants, un pour l émission et l autre pour la réception. La batterie se rechargeait en utilisant l énergie provenant de l induction. En ajoutant tous ces éléments la voiture a pris du poids, et le déplacement est devenu difficile. Pour régler ce problème il faudrait remplacer le moteur arrière par un moteur plus puissant et repenser l alimentation de tous les circuits pour isoler les parties utilisant des puissances différentes. On pourrait également placer un variateur de vitesse et avoir un meilleur contrôle de la voiture. On peut tirer d avantage profit de l énergie provenant de l induction en l utilisant à d autres fins, les éléments utilisant cette énergie auraient des fréquences de résonance différentes et le circuit d émission serait capable d osciller à chacune de ces fréquences et on sélectionnerait la fréquence de résonnance de l émetteur grâce à un microcontrôleur. 6

7 6. RÉFÉRENCES Electronics - A Complete Course (2nd Edition), Nigel P. COOK Make a Simple RC (Remote Controlled) Robot Car: Tout savoir sur la technologie de recharge sans-fil Qi : ssier-la-technologie-sans-fil-qi Universal Battery Charger : d/illustrated_assembly_manual_k7302.pdf 7

8 ANNEXE A : MODE D EMPLOI 1. MATERIEL NECESSAIRE La direction de la voiture en tournant un moteur dans un sens et l autre moteur dans l autre sens. Nous avons 4 boutons qui permettent de tourner chaque moteur dans les deux sens moteur Pour induction à emission Timer NE555 Transistor NPN 2N1613 Transistor MOSFET, IRF250 Environ 3 mètre de câble en cuivre Un potentiomètre de 25kΩ Deux capacités de 2.2µF en plastique, les capacités électrolytique surchaufferons et finirons par exploser. Des résistances de 820Ω,330Ω et 100Ω Des capacités de 8.2nF et 2.2nF Une source de tension continue Pour l induction à la réception Câble en cuivre d environ 3 mètre Capacité en plastique de 2.2µF Pont redresseur 1.3. Pour la recharge Diode de puissance Transistor NPN LED Résistance de 120Ω Potentiomètre de 100Ω Capacité de 220µF 1.4. Réalisation de la voiture Les plans de la voiture ont été réalisés avec le logiciel SolidWorks et ont été imprimés avec une imprimante 3D. Les composants de la voiture sont : 2 moteurs DC de 12V Transmetteur RF Receveur RF Encodeur et décodeur (HT12E et HT12D) 4 Boutons 6 Batteries AA de 1.2V pour la voiture 4 Batteries AA de 1.2V pour la télécommande Contrôleur de moteur L293D 2. UTILISATION Après avoir installé les batteries d alimentation, on dirige la voiture avec les interrupteurs. 8

9 ANNEXE B : DIMENSIONS DES PIECES DE LA VOITURE Figure 16 Châssis de la voiture Figure 17 Direction de la voiture 9

10 Figure 18 Piece servant de pivot à la rotation Figure 19 Support direction Figure 20 Support Roue 10

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