Véhicule Electrique

Introduction

Contexte

La flambée des cours du pétrole que nous avons connue au cours de l'été 2008, la raréfaction des réserves, les normes environnementales appliquées à l'automobile de plus en plus contraignantes, les problèmes de réchauffement climatique, sont autant d'éléments qui ont mis en évidence les problèmes liés à l'usage intensif des véhicules à moteur thermique. La nécessité de développer des véhicules alternatifs s'impose peu à peu... Le véhicule tout électrique, bien que pénalisé par son autonomie limitée, apparaît comme une solution sérieuse pour les déplacements urbains et extra-urbains et présente des performances dynamiques équivalentes aux véhicules actuels. Situés tous deux dans le département du Nord, Polytech'Lille s'est rapproché de la société Secma, constructeur automobile automobile en vue de développer un véhicule électrique. A cette fin, Polytech'Lille s'est équipé d'un véhicule thermique de type Fun Extr'm de chez Secma, d'un ensemble variateur-moteur électrique et de batteries ai Lithium.

Cahier des charges

L'objectif de ce PFE est, d'une part, rendre le véhicule fonctionnel et d'autre part, effectuer un travail de synthèse.

En effet plusieurs étudiants ont travaillé sur le véhicule, il faut donc récupérer et trier l'ensemble des informations.

Déroulement

Le travail à effectuer se décompose de la façon suivante:

- Vérifier et modifier si nécessaire les plans de câblage au regard des notices techniques de chaque élément

- Finir le câblage de la partie commande

- Configurer et tester le Battery Management Security (BMS)

- configurer et tester le variateur de vitesse.

- valider le travail par des essais

- réaliser le dossier de synthèse

Materiel

Nous avons à notre disposition le materiel suivant:

châssis

Le châssis du véhicule est considéré comme un accumulateur d'énergie. Auparavant les étudiants ayant travaillé sur le sujet l'avaient modéliser pour déterminer sa fonction de transfère. En terme de régulation, il a fallu intégrer un correcteur.

moteur électrique

Ce moteur est une machine synchrone à aimants permanent d’une puissance de 8,6 kW, il est fabriqué par la société PERM.

Ses spécifications techniques majeures sont :

L'avantage d'un moteur synchrone à aimant permanent est sa puissance massique.

Variateur de Vitesse

Il existe différent type de variateurs, ils sont principalement constitués d’un convertisseur statique utilisant généralement un pont en H et d’une électronique de commande qui réalise la régulation et l’asservissement de la machine.

C’est un équipement électrotechnique alimente le moteur synchrone afin de varier sa vitesse. La vitesse peut être proportionnelle à une valeur analogique fournie par un potentiomètre, ou par une commande externe : un signal de commande analogique ou numérique, issue d'une unité de contrôle.

Battery Managment System

Le BMS (Battery Management System) permet de contrôler et gérer le bon fonctionnement du système:

- charges et décharges de la batterie afin d’augmenter sa durée de vie.

- gestion de la sécurité (On ne peut pas démarrer le véhicule lorsque la prise de recharge est branchée).

Il est un élément indispensable sur tout pack de batteries au lithium. Il surveille l'état de différents éléments de la batterie tels que:

- La tension des cellules individuelles.

- La température moyenne, température d'admission de liquide de refroidissement, température de sortie de liquide de refroidissement, ou températures des cellules individuelles.

- L'état de charge ou le taux de décharge qui indique le niveau de charge de la batterie.

- L'état général de la batterie.

- Le débit du réfrigérant : air ou fluides batteries.

- Le courant de sortie des batteries.

Le BMS permet donc la protection des batteries contre tout fonctionnement en dehors des plages de fonctionnement (Sur-intensité, Sur-tension (lors de la phase de charge), Sous-tension (lors de la phase de décharge), Surchauffe, Sous-température, Sur-pression (NiMH batteries)) via un contrôle de l'environnement et un interrupteur interne ou des dispositifs externes qui réduiront ou mettront fin à l'utilisation en cours des batteries.

batteries

Des batteries aux Lithium Ion Phosphate, 130 Ah, composées de 18 cellules sont utilisées afin de délivrer une tension de 60V.

Ce type de batteries est très utilisé dans le milieu automobile car elles sont très sûres en terme de sécurité, elles peuvent de plus stocker une très grande quantité d'énergie par unité de masse et ont une grande rapidité à se charger ou à libérer leur énergie.

chargeur

Le chargeur permet la conversion alternatif/continu afin de recharger les batteries. Ce chargeur est régulé en interne afin d'assurer une bonne recharge de la batterie (Lithium Polymère). La particularité de ce chargeur est qu'il dispose d'un contact de commande.

Etat de l'art

Afin de mieux comprendre notre démarche, vous trouverez dans cette partie un résumé du travail de chaque groupe ayant travaillé sur le projet.

Année 2008-2009

Durant l'année scolaire 2008-2009, quatre équipes de huit élèves ingénieurs ont travaillé 100h chacune sur deux architectures envisagées pour le Fun'Extrem électrifié.

Deux solutions technologiques ont été mises en avant:

- un moteur électrique commandant les roues arrière via un réducteur (minimiser le volume du moteur électrique).

- une solution comportant deux moteurs greffés sur les bras de suspension arrière.

Ces études ont débouché sur des propositions concrètes et réalisables. Elles ont permis d'établir des bilans énergétique, de développer une expertise dans le domaine des moteurs électriques, des batteries et de mettre en évidence une solution technique en accord avec le besoin exprimé: à savoir un véhicule propulsé par un moteur synchrone à aimants permanents (SEP) et transmettant la puissance via une boite de vitesse à deux rapports.

Année 2009-2010

Suite à la stratégie choisie, des étudiants ont travaillé de Septembre 2009 à Février 2010 durant 300h sur le dimensionnement et le choix de solutions technologiques permettant de réaliser la boîte à deux rapports et le passage sous couple.

Au terme du projet, une architecture de boîte de vitesse fut bien définie et implémentée sur le véhicule.

Durant ce projet, il a aussi été défini le choix du moteur.

Année 2010-2011

Durant cette année scolaire, deux objectifs étaient proposé aux étudiants: le premier concernant l’étude de l’influence de la température sur des tôles magnétiques, le second ayant pour but de remplacer le moteur thermique du véhicule par un moteur électrique, en essayant de conserver le même comportement.

Le dimensionnement et le choix du moteur ont été réalisés par les étudiants du département mécanique en collaboration avec un groupe du département IMA.

Durant ce projet, divers objectifs ont été réalisés tels que:

- le choix et le dimensionnement de la batterie (la batterie à été choisie de sorte que le véhicule puisse en moyenne se déplacer avec une autonomie de 60km ce qui correspond à une énergie stockée dans la batterie d'environ 20.5KWh).

- le choix et dimensionnement du moteur (ce moteur est donc le PMS 150 WB 338 series 48 VDC du groupe PERMMOTOR). Ce choix s'est surtout arrêté en fonction du poids et de la puissance du moteur.

- Une première configuration du variateur (La programmation de ce variateur permet notamment de définir quel profil d’accélération est nécessaire pour une bonne régulation du véhicule).

Enfin une maquette à été réalisée ayant pour but de pouvoir tester le moteur installé et configurer le variateur. C'est à cet effet qu'un pupitre de commande a aussi été créé simulant les différentes entrées/sorties du véhicule.

Avancement du projet

Dans cette partie nous vous décrivons les grandes étapes de la réalisation de notre projet:

Prise de contacts avec les enseignants

La première séance nous à tout d'abord servi à prendre contact avec les professeurs référents de ce projet : Mr. Philippe Delarue et Mr. Arnaud Chielens. Lors de ce premier rendez-vous:

- le véhicule électrique nous à été présenté

- les documents relatifs à ce projet nous ont été remis.

Remarque

Ce projet est divisé en deux partie:
- une partie mécanique: remplacement du moteur thermique en un moteur électrique, intégration des composants nécessaires à l'électrification (batteries,  
  BMS, variateurs de vitesse, une modification de la boite de vitesse)
- une partie électrique: modélisation électromécanique, tester les différents éléments du système, réaliser les différents câblages (puissance et 
  commande).

Prise en main du sujet

la première chose à faire est de mettre à plat l'ensemble des documents fournis qu'il soient de nature technique (datasheet , mode d'emploi) ou bien de nature explicative (rapport de stage, twiki)

Validation du câblage de la puissance

Le câblage étant réalisé, nous avons dû le tester. Cette vérification à été effectué à l'aide d'un ohmmètre.

Dans un souci de clarté, nous avons réalisé le schéma de câblage de la puissance.

Validation et modification du schéma de commande

Le schéma de commande permet de gérer le fonctionnement des différents éléments entre eux tout en assurant la sécurité des biens et des personnes. Après analyse du schéma de commande et compréhension des différentes fonctions de celui ci nous l'avons modifié et validé pour la suite de notre projet.

Remarque:

le schéma de commande avait été réalisé auparavant par Philippe Delarue. Notre travail était sa validation

Commande du materiel

En vue du matériel présent et de la stratégie mise ne place pour la suite du projet. Nous avons dû réaliser de nouvelles commandes afin de réaliser un nouveau boitier d'interconnection.

Remarque:

Cette étape à été plutôt longue.
En effet, des problèmes ont été rencontrés dans:
 - la recherche de composants compatibles avec ceux déjà présents.
 - la gestion de délais de livraison et de stock.

Réalisation et validation du boitier d’interconnexion

Afin de créer le plus proprement possible le boitier d’interconnexion nous avons réalisé une plaque électronique permettant une bonne intégration des modules de commande. Dans le but de créer cette carte électronique, il nous a fallu nous familiariser avec le logiciel Eagle, un logiciel de conception électronique. Durant quelques séances nous avons donc découvert et appris à utiliser ce logiciel.

Néanmoins, un problème nous est survenu: en effet, la version de ce logiciel disponible à Polytech étant une version "light" nous limitant dans l'implémentation des composants, nous avons dû trouver un une version correcte pour terminer l'implémentation de cette carte. De plus,la plupart des composants utilisés n'étant pas disponible dans les librairies de Eagle, nous avons dû apprendre à créer une librairie et à y créer les composants associés en se référant au dimensions des composants réels.

Remarque:

- Le Layout a été réalisé à l'aide du logiciel Eagle
- Nous avons eu l'aide de Thierry Flamen pour la réalisation de celle ci.