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:

Variateur de Vitesse

Il existe différent type de variateurs, ils sont principalement constitués d’un convertisseur statique utilisant généralement un hacheur ou un onduleur et d’une électronique de commande qui réalise la régulation et l’asservissement de la machine par le biais du convertisseur pour que l’utilisateur puisse commander directement la vitesse. Les variateurs les plus récents contiennent aussi un étage de correction du facteur de puissance afin de respecter les normes de compatibilité électromagnétique.

C’est un équipement électrotechnique alimentant un moteur électrique de façon à pouvoir faire varier sa vitesse de manière continue, de l'arrêt jusqu’à sa vitesse nominale. 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.

Un variateur de vitesse fonctionne de la façon suivante, le redresseur va permettre d'obtenir un courant quasi continu depuis le réseau électrique, puis à partir de ce courant continu, Dans notre cas, Le variateur SEVCON a été étudié et créé pour contrôler des moteurs asynchrones et synchrones à aimants permanents de la façon suivante, l'onduleur (bien souvent à Modulation de Largeur d'Impulsion) va permettre de créer un système triphasé de tensions alternatives dont on pourra faire varier la valeur efficace et la fréquence (ci-joint). Ceci nous permet donc d’améliorer la consommation de l’énergie.

Battery Managment System

Le BMS (Battery Management System) permet de contrôler le bon fonctionnement, les charges et décharges des batteries afin d’augmenter leurs durées de vie.

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.

De plus le BMS permet la récupération d'énergie lors du freinage du véhicule.

En effet ceci est possible grâce au calcul du courant de charge maximum, du courant de décharge maximum, de l'énergie fournie depuis la dernière charge ou lors du dernier cycle de charge et de l'énergie totale utilisée.

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.

Il existe 3 catégories de BMS :

• Un BMS centralisé : un seul contrôleur est connecté aux cellules de la batterie à travers une multitude de fils. Ces BMS sont plus économiques, moins flexibles, et sont accompagnés d'une multitude de fils de connexion.

• Un BMS distribué : un contrôleur est installé sur chaque cellule, avec seulement un câble de communication unique entre la batterie et le contrôleur. Généralement plus chers, plus simples à installer, ils ont un aspect plus propre.

• Un BMS modulaire : plusieurs contrôleurs sont reliés à un certain nombre de cellules, accompagnés d'une communication entre les contrôleurs. Ils offrent un bon compromis entre les avantages et les inconvénients des deux autres catégories.

Dans notre cas de la voiture électrique (application mobile), le BMS centralisé à été choisi car le véhicule dispose d'un espace réduit pour son intégration et communique avec un chargeur.

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.

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

Un câble de recharge permet de brancher le chargeur sur le réseau électrique classique.

Le chargeur permet la conversion alternatif/continu afin de recharger les batteries. De plus la charge des batteries du véhicule est régulée et fonctionne par contact afin d'empêcher le démarrage du véhicule en étant branché au réseau.

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 compatible 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.