2010 Ecologie Economie d Energie BELLEGARDE
Sommaire I PROJET : 1. Répartition des tâches 3 2. Planification...3 3. Activités pédagogiques..4 4. Aspect développement durable..4 II Dossier technique : 1. Cahier des charges 9 2. Analyse fonctionnelle 10 3. Transmission...11 4. Notice chargeur de batteries... 12 5. Adapter la télécommande...13 III - BILAN
1 PROJET Ce projet a pour support une voiture de modélisme radio commandée à l échelle 1/5ème, de marque FG. Elle est à l origine propulsée par un moteur thermique deux temps de 22 cm3. Elle mesure environ 1 m de long et 0,4 m de large pour une masse de 10 kg environ, et peut atteindre une vitesse de 90 km/h. Les activités pédagogiques du projet concernent la modification par les élèves de certaines parties du véhicule, en accord avec le cahier des charges du projet, et en se plaçant dans une démarche technologique réfléchie d amélioration du bilan écologique de la voiture radio commandée (VRC). Ce projet participe à l éducation au développement durable. Solution écologique choisie : Remplacer le moteur thermique par un moteur électrique alimenté par une batterie d accumulateurs. Classe concernée : Terminale STI (GE et GM) Enseignements concernés : - Construction mécanique industrielle - Productique mécanique - Electrotechnique, Automatisme et Informatique Industrielle L aboutissement de ce projet est une finale inter établissements (Challenge F2000 et Challenge F2000-3E) 1
1) Répartition des tâches : Aspect développement durable : Est-ce que la voiture électrique est vraiment écologique? Comparer pour la voiture thermique et la voiture électrique : Le rendement énergétique Ensemble Le dégagement de CO2 en utilisation du groupe Le dégagement de CO2 total (Construction, utilisation, destruction) Evaluer la consommation d'énergie électrique supplémentaire pour la recharge des accumulateurs si 25% du parc Français de voiture devenait électrique. Elodie Jérome Joris Accumulateurs NiMh: Caractéristique et précautions Mode opératoire de charge Autonomie Energie stockée Convertisseur électronique: Martine Paramétrage Essais Thomas Radiocommande: David Yan Sébastien Paramétrage émetteur et récepteur Réglage gachette des gaz Essais Essais à l'extérieur Ensemble du groupe Réglages sensibilité direction Réglages convertisseur Autonomie Performances (vitesse, accélération...) 2) Planification prévisionnelle
2 3 3) ACTIVITES PEDAGOGIQUES: Moteurs : synchrone, brushless ou synchrone autopiloté Stockage d énergie électrique : différents types de batteries d accumulateurs Commande électronique des moteurs : démarreurs et variateurs de vitesse Renvoi d énergie Freinage des moteurs électriques Visite du salon de l automobile à Genève 4) ASPECT DEVELOPPEMENT DURABLE: - Dégagement de CO2 La voiture électrique est actuellement présentée comme la panacée pour lutter contre la pollution atmosphérique et le réchauffement climatique qui va avec. Qualifiée de voiture «propre», elle ne dégage effectivement pas de CO2 en roulant, mais à y regarder de plus près on peut objecter que si on fait le bilan carbone complet, ce n est pas négligeable. Il faut la fabriquer Les émissions pour fabriquer une voiture électrique sont du même ordre de grandeur que pour une voiture à pétrole, soit 1,5 tonne équivalent carbone (5,4 tonnes équivalent CO2) par tonne de voiture produite. Un véhicule fera en moyenne 200.000 km au cours de sa vie, donc chaque km parcouru par un véhicule électrique engendre de l'ordre de 40 grammes de CO2. L énergie n est pas gratuite : Le principal souci est que la voiture électrique, justement, a besoin de l électricité! En effet, les batteries, il faut les recharger. Quand on voit que l on craint de ne pas pouvoir fournir assez d électricité domestique en ces périodes de froid, on se demande comment on va faire si tous les véhicules actuels sont remplacés 2 3
par des véhicules électriques. La production électrique mondiale est faite pour environ 40% avec du charbon, environ 20% avec du gaz, 5% avec des produits pétroliers, 15% avec du nucléaire, 15% avec des barrages, et pour moins de 2% avec de l'éolien (et moins de 0,2% avec du photovoltaïque). Si en France, on produit avec plus de nucléaire que les autres, cela suppose encore plus de nucléaire! Une voiture parcourant 20 000 km/an consomme 2000 kwh/an. La consommation totale de 10 millions de voitures atteindrait alors 20 TWh, soit 4% de la production française, un peu moins que celle de deux EPR. En plus, les batteries font augmenter sensiblement le prix des voitures. D aucuns voient dans le lithium, l avenir des batteries pour les voitures. Hélas, les réserves de lithium dans le monde ne peuvent satisfaire le marché automobile (les téléphones portables en font déjà une consommation importante). Conclusion : On voit donc que si la voiture électrique apporte un progrès, elle n est pas sans poser des problèmes et n est sans doute pas la seule solution possible pour éviter les émissions de CO2. - Promesses de la voiture électrique Besoins en énergie d'une voiture La consommation électrique d une voiture est due à la résistance de l air, au frottement des roulements et, éventuellement à la climatisation. Pour une petite voiture (une 106 par exemple) roulant à 100 km/h (27 m/s), 7 kilo-watts (kw) sont nécessaires pour la résistance de l air, 3kW pour les frottements de roulement et entre 1 et 2 kw (électriques) pour la climatisation. La puissance nécessaire pour surmonter les frottements de roulement est une fonction linéaire de la vitesse alors que celle correspondant à la résistance de l air croît comme la puissance trois de celle-ci[1]. On voit donc que la puissance de la petite voiture est de l ordre de 10 kw à 100 km/h. On pourrait croire qu à 30 km/h la même voiture consommerait environ 3 kw. En réalité une telle vitesse correspondant à des parcours urbains n est qu une moyenne reflétant des périodes de freinage et d accélération et la consommation réelle est bien plus importante. Caractéristique du moteur thermique Le moteur de la voiture pèse environ 100 kg. A cela il faut ajouter le poids du réservoir d'essence, soit environ 40 Kg. Un litre d'essence peut fournir 10 kwh thermique. On pourrait donc croire qu'un litre d essence permettrait de parcourir 100 km à 100 km/h. Mais...les rendements maxima sont de 23 % (essence) à 28 % (diesel). Ces rendements sont rarement atteints: moteurs froids, régimes non optimisés. Pour une conduite urbaine, on estime que le rendement réel est autour de 10 %. La faiblesse de ce rendement réel est essentiellement due aux accélérations. De plus, la consommation cesse de décroître en dessous de 60 km/h (parce qu'il faut bien que le moteur tourne..). Il résulte que peu de
véhicules consomment moins de 5 l/100 km à 100 km/h et moins de 7.5 l/100 km en ville. La climatisation s ajoute à cela (1/3 de la consommation en ville, 1/6 sur route). 4 La voiture électrique (avec batteries) Quel est l'état de l'art en batteries? Il y a cinq principaux critères d évaluation des batteries: -La puissance instantanée qu'elles peuvent fournir. C'est aussi la puissance instantanée qu'elles peuvent absorber pendant un freinage et ce qui détermine la durée de leur recharge. On la mesure en unité de charge: une batterie qui supporte un courant de 0,33 fois sa capacité (0,33C) (mesurée en Ampère-heure) en restant efficace peut être rechargée en 3 heures. Ce sont les caractéristiques des batteries au Lithium en production. Une telle batterie peut supporter, en pointe, plus de courant que ces 0.33 C. Les batteries au Lithium peuvent atteindre 1C, voire 1,5C, sans trop de pertes de rendement. -La quantité d énergie stockée par unité de poids (l énergie spécifique) mesurée en Watt-heure/ kilogramme (Wh/kg). Par exemple, pour les batteries Plomb, 30 Wh/kg, pour les batteries NiCd (en voie de disparition à cause de la toxicité du Cadmium), 40 Wh/kg, pour les batteries NiMh (NickelHydrures métalliques) de 40 a 45 Wh/kg, pour les batteries Li de 160 à 170 Wh/kg. -Le prix d'achat par Watt-heure de capacité (par exemple $/Wh) : 0.3 $/Wh pour les batteries au Plomb, 1 $/Wh pour les batteries Ni-Cd, 2 $/Wh pour les batteries Ni-MH...Les premières batteries Li-ion coûtaient 2 $/Wh ; on est en train d'en produire à 0.3 $/Wh, au prix d'une baisse d énergie spécifique a 120 Wh/kg. Les Chinois sont en pointe dans ce domaine. -Le nombre de cycles de charge-décharge possibles, pour les batteries au Plomb, 1000 cycles, pour les NiMH également 1000 cycles. Actuellement les batteries Li-ions sont limitées à environ 500 cycles (téléphones ou ordinateurs portables) ; on espère que pour les applications automobiles on puisse obtenir un compromis satisfaisant avec plus de 1000 cycles. -La faisabilité, les problèmes de sécurité, le recyclage.. Les batteries au Lithium ont fait l'objet de 20 ans de travaux et arrivent à maturité pour ces aspects. Il faudra récupérer le Lithium, qui n'est pas trop cher et est abondant. Les batteries au Plomb de voitures sont à peu près systématiquement recyclées. Quel est l'avenir de la voiture électrique? -L intérêt de la propulsion électrique est de diminuer la pollution urbaine, de diminuer notre dépendance vis à vis du pétrole et de diminuer les rejets de gaz carbonique si l électricité est produite soit par des énergies renouvelables, soit par l énergie nucléaire, soit par des combustibles fossiles (charbon) avec séquestration du gaz carbonique. -L avenir de la voiture électrique est, à court et moyen terme, indissociable des performances des batteries au Lithium, à cause des exigences de ce mode de locomotion. -On utilise des moteurs "brushless" associés à des régulateurs électroniques qui ont des efficacités énergétiques excellentes et sont très légers. Leur poids est notablement plus faible que celui d un moteur thermique et de son réservoir. On pourrait disposer, à poids total équivalent, d environ 200 kg de batteries. -On peut récupérer l énergie cinétique au freinage pour recharger la batterie. 4
-Avec des batteries au Lithium il semble possible de parcourir 200 km à une vitesse maximum de 120 km/h. -Pour gérer les surcharges lors des ralentissements et accélérations en ville, on peut adjoindre une5 "super-condensateur" de 20 kg capable de stocker 100 kjoules électriques.6 -Pour le problème du chauffage, il faut 1 à 2 kw en hiver. On peut envisager d'utiliser une pompe à chaleur qui permet aussi une climatisation efficace. -L utilisation optimale des véhicules électriques sera probablement urbaine, avec des scooters ou de petites voitures éventuellement mises en location libre-service. Sur les grandes distances les voitures à propulsion hybride ou les transports en commun garderont sans doute le rôle principal. Calcul des coûts -Actuellement, le prix de l'essence à la pompe est de l'ordre de l'euro (surtout à cause des taxes). La voiture électrique bénéficie d'aides (3050 Euros jusqu'a la fin de l'année 2004 déduits du prix d'achat, plus un crédit d'impôt de 1525 Euros jusqu'en fin 2005). Le prix de l'électricité, peu taxée, est autour de 80 Euros par MWH en tarif de nuit, ce qui fait 2 Euros pour un "plein" de 25 kwh. Une batterie qui permettrait de parcourir 200 km, rechargée 500 fois conduirait à une distance totale parcourue de 100000 km, et à une consommation de 7000 litres d'essence pour un moteur thermique. L investissement dans la batterie devient donc rentable pour un coût inférieur à 7000 Euros. A 0.3 $/Wh le prix d une batterie 25 kwh est de 6000 Euros. D où l intérêt montré par certains industriels (Bolloré, Dassault). Bilan énergétique Pour faire un bilan énergétique complet il est nécessaire de tenir compte d autres facteurs que le simple rendement électrique du moteur. Le principal de ces facteurs est le rendement de la production primaire d'électricité. Puis il y a des pertes (environ 8 %) dans les lignes de transport, dans le transfo-redresseur a découpage qui fournit le courant a la batterie (environ 10 %), et dans l'électronique et le moteur électrique (encore 10 %). Le rendement de charge de la batterie est de l ordre de 0,9 (entre 0,92 et 0,85). On doit donc multiplier le rendement du générateur électrique par 0.65 pour le rendement global. Dans le cas de l'électricité nucléaire, le rendement thermique global est autour de 24 %. Avec des centrales à gaz à cycle combiné, on peut espérer 35 %. Même dans ce cas, la réduction des émissions de gaz carbonique est significative puisque le gaz émet 25 % de moins de CO2 que l'essence, et que le rendement moyen d'un moteur de voiture ne dépasse guère 15 %! 5 6
Perspectives Comme nous l avons dit plus haut, à court terme, les véhicules électriques seraient surtout des "secondes voitures", réservées aux parcours urbains, mais de nouvelles batteries sont annoncées, qui se chargent beaucoup plus vite et pourraient étendre leur domaine d utilisation. Le développement d un parc électrique se fera d autant plus vite que le prix du pétrole restera haut. Quels seraient les conséquences d un passage au "tout électrique" dans le domaine du transport individuel? -En ce qui concerne les besoins électriques : Chaque jour, on peut estimer qu'une voiture parcourt 40 km. Pour 29 millions de véhicules et 10 kwh/100 km, cela fait un appel de 170 millions de kwh. Sur 10 heures de charge la nuit (des heures creuses), cela représente 10 centrales EPR en fonctionnement. -Combien cela économise-t-il en essence? Dans l'année, on trouve pour 7 l/100 km, environ 30 millions de tonnes de pétrole. C'est une bonne partie des 40 millions de tonnes de pétrole dépensées dans l'année en transports. Rappelons que la France a consommé 92 millions de tonnes de pétrole en 2003. Il apparaît ici que le développement technique permet d'avancer dans la résolution d'un problème écologique. 7 7
DOSSIER TECHNIQUE 1) Cahier des charges : Vitesse de pointe de la voiture : environ 50 Km/h Vitesse maximale du moteur : 12000 tr/min Moteur électrique de type Brushless : 1248 w et 0,78 N.m (déterminé précédemment) Rotation du moteur : avant et il doit assurer le freinage Batteries de type Ni-Mh (déterminé précédemment) Objectifs : - Concevoir (GE) et réaliser (GM) la transmission - Renforcer la fixation des batteries - Normaliser la charge des batteries - Adapter la télécommande au variateur - Mesurer les performances 2) Analyse fonctionnelle : Les éléments situés dans le rectangle rouge sont nouveaux. 8 8
9 9
3) TRANSMISSION Le système de transmission étant mal conçu nous avons re-développé les axes de transmission et les roulements pour que la transmission soit sans frottements et pour que les roues dentées soit alignées avec le moteur. 10 10
4) NOTICE CHARGEUR DE BATTERIES Charge des batteries Branchement 1/ Connecter la batterie au chargeur Hitec. le fil rouge doit être branché avec le + du chargeur le fil noir doit être branché avec le Utiliser les cordons spécifiques à chaque connecteur de batteries. ATTENTION: Les deux fiches (noire et rouge) ne doivent pas entrer en contact: ceci provoquerait un court-circuit de la batterie 2/ Mettre l'alimentation stabilisée en marche: Régler la tension de l'alimentation à 12V pour charger 6 éléments ou à 8V pour charger 5 éléments. Régler la limitation d'intensité de l'alimentation à 2A. Arrêter l'alimentation stabilisée 3/ Connecter le chargeur à l'alimentation stabilisée en respectant la couleurs des fiches et des bornes. 4/ Mettre l'alimentation en marche: sur le chargeur, les voyants «power» et «cell 1» doivent être allumés. 11 11
START Réglage de l'intensité de charge 5/Régler l'intensité du chargeur à 10% de la capacité des batteries. Ex: 0,4A pour des batteries 4A/h. Le maximum autorisé est de 0,5xCapacité de la batterie en Ah pour les batteries NiMh. 6/ Appuyer sur START (chargeur): le voyant «4-24 cell» doit s'allumer. 7/ Contrôler régulièrement le chargeur: si le voyant «4-24» s'éteint,il faut appuyer à nouveau sur START. Précautions: Température de charge : Chargez vos accus à température ambiante entre 0 et 45 C, sachant que la meilleur efficacité de la charge se situe dans une gamme de température allant de 10 à 30 C. Température de décharge : entre -20 et + 65 C Eviter de les surcharger et utiliser des détections de fin de charge automatiques pour les charges rapides. Attendre au moins une heure avant d'utiliser une batterie qui vient d'être chargée. Proscrire les décharges trop profondes en dessous de 0,8V/éléments. Ne jamais court-circuiter un accu chargé. Après une décharge, attendre au moins quatre heures avant de recharger la batterie. Quand les batteries ne sont pas utilisées ils faut les stocker et rechargées dans un endroit sec.12 12
5) ADAPTER LA TELECOMMANDE AUX CONVERTISSEURS (ou variateurs) Le règlage des gaz est réalisé grâce à 2 paramètres:trim et l'epa (respectivement les points neutres et les fins de courses). Le paramètre TRIM est laissé à 0 car il n'est pas utile dans le cas de la voiture mais pour le paramètre EPA nous avons rencontré certaines conditions à remplir pour que la voiture marche car sous un certain seuil la voiture ne démarrait pas (~100%)et après le démarrage nous pouvions changer le paramètre de frein mais dépassant moins 90% le frein ne bloque plus le moteur et la voiture démarrait toute seule. 13 13
Bilan: Toujours des problèmes liées à la télécommande ( point de démarrage totalement à droite ). Les pièces mécanique sont en cours d'usinage. Essais de la voiture à effectuer. 14 14