Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP)

13/07/2016
Publication 3EI 3EI 2016-85
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-85:17145
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Véhicules à faible consommation énergétique (exemple  du challenge SUNTRIP)

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Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 48 Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP) A.SIVERT1 , B. CAUQUIL2 , E. MOREL, F. BAILLY, F.BETIN1 , (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) (1) U.P.J.V, Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) U.T.P.S, Université de Toulouse Paul Sabatier, département GMP de l'Institut Universitaire de Technologie, 65016 TARBES 1. Introduction Des concours de véhicules à faible consommation tels que l’ « Eco-Marathon » existent depuis longtemps mais cette compétition soulève plusieurs problèmes. Le principal concerne le fait que les véhicules présentés ne sont pratiquement pas commercialisables en l'état. En effet, le conducteur est souvent contraint de rester dans une position très inconfortable en raison de l’aérodynamisme du bolide et des pneumatiques utilisés incompatibles avec une chaussée humide. Un autre problème concerne la validation de la consommation d'énergie à une vitesse moyenne de 25 km/h qui y est imposée et qui n'est pas représentative d'une utilisation quotidienne [2]. D’autres types de véhicules à faible consommation existent depuis longtemps. Ils sont mus par l'homme (HumanPoweredVehicle – HPV) et sont munis d’un carénage aérodynamique. Le record de l’heure d'un HPV est de 91 km/h [3], ce qui est bien supérieur à celui d’un vélo droit (56 km/h). Ainsi, un challenge tel que le Suntrip [4] permettant de parcourir une distance de 7.000km sur des routes classiques et avec un véhicule facilement réalisable est très pertinent pour prouver qu’il est tout à fait possible d’effectuer de grands trajets avec une faible consommation d’énergie et ce, tout en permettant de valider la fiabilité des prototypes. Précisons que pour ce challenge, chaque personne a la liberté de choisir son itinéraire, à l’identique d’un « Vendée Globe » (tour du monde à la voile sans escale). Durant le Suntrip, la recharge des batteries ne peut se faire qu’à partir de l'énergie solaire, ceci afin de valider l'autonomie énergétique du véhicule. Une comparaison entre temps de roulage et temps de recharge avec un véhicule non solaire a même été entreprise aux « 12 heures de Chartres » (autre challenge de véhicules couchés). Tous les prototypes légers démontrent qu’il est possible de réduire la consommation énergétique dans le secteur des transports et ainsi minimiser son impact environnemental au quotidien sur la planète, et notamment les émissions de gaz à effet de serre [5, 6]. Dans ce qui suit, la puissance absorbée par nos véhicules sera établie et seront expliquées les consommations engendrées par les dénivelés en fonction de la vitesse moyenne. Puis les différentes technologies utilisables dans le cadre d’un prototype seront suggérées permettant ainsi d'envisager, pour le lecteur, un support pédagogique possible. Résumé : depuis 2010, année au cours de laquelle les batteries au lithium ont commencé à se démocratiser, des pionniers du vélo électrique ont voulu démontrer qu’il était possible de faire de grands périples en consommant peu d’énergie avec des vitesses honorables et sans être un sportif exceptionnel. Ainsi, Florian Bailly a effectué un parcours France-Japon en 2010 [1] et a lancé l’aventure du Suntrip France-Kazakhstan en 2013, sur 7.000km et avec 31 participants. Seuls 20 aventuriers sont alors arrivés au bout. En 2015, ce challenge a été réédité avec 25 participants et seulement 3 abandons. Après 7000 km, les 3 premiers sont arrivés avec seulement un jour d’écart sachant que le meilleur a fait le parcours en 27 jours avec un dénivelé positif total de 45km. De nombreuses questions techniques doivent être résolues pour participer à ce challenge : quel type de cycle utiliser ? Quel investissement financier pour un prototype ? Quelle masse supplémentaire engendrée par la motorisation électrique embarquée ? Quels types de moteurs et puissances envisager? Quelles technologies de batteries utiliser ? Quelle consommation du véhicule ? Quelle surface de modules photovoltaïques pour une autonomie totale ? Quels compromis envisager ? Cet article, qui fait suite à d'autres articles sur le même thème, vise à répondre à ces multiples questions et permettre ainsi d'envisager la réalisation d'un prototype motorisé susceptible de participer à ce challenge, ou tout du moins de voyager en consommant très peu d’énergie. Nous présenterons ici les résultats de deux concurrents qui ont fait des choix techniques diamétralement opposés tout en réalisant des performances pratiquement similaires. Enfin, des comparatifs d’énergies calorique et électrique consommées, des choix de vitesse de déplacement ainsi que des fréquences de recharge d'accumulateur seront présentées. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 49 2. Etudes 2.1. Puissance résistive et consommation La puissance résistive d’un véhicule est souvent modélisée par l’équation suivante (1) : 3 resistance Aero pente(%) M g Vit(km / h) P (W ) k Vit (Cr ) 100 3.6        Avec M, la masse du véhicule et de son conducteur, g la constante de gravitation et Cr le coefficient de roulement des pneus [7]. La figure 1 présente la puissance demandée au moteur pour différents types de cycle. On y remarque que l’aérodynamisme du véhicule commence à être prépondérant à partir de 30 km/h. Le carénage d’un véhicule permet d’améliorer ce point mais au détriment d’un surpoids d'environ 12kg. Fig. 1 :puissance demandée au moteur (W) en fonction de la vitesse sur du plat (km/h), sans pédalage, pour différents cycles et avec un Cr=0.005 À partir de la figure précédente, il est possible d’identifier les coefficients de performance de chaque type de véhicule. Ces coefficients sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous : Type de cycle kaero W/(km/h)3 kroul W/(km/h) Masse (Kg) VTC 0,0065 7 à 3 14 Tri-cycle 0,005 7 à 3 18 Vélo couché 0,003 à 0.004 7 à 3 16 Vélo couché et panneau 2.5m2 0.0054 à 0.0062 5 à 3 34 Tricycle caréné 0,001 à 0.002 5 à 3 30 Remorque de 140 litres +0.002 10 Tableau 1 : coefficients de cycles Les avantages du tricycle et du vélo couché, par rapport au vélo droit, sont de minimiser l'impact du facteur « aérodynamisme » et de permettre l'installation de modules PV (pour produire de l'énergie électrique mais aussi pour s’abriter du soleil). Ceci dit, la mise en place d'un module PV de 2.5m2 entraine une forte augmentation du coefficient aérodynamique (idem remorque). Sachant que la puissance musculaire moyenne est de 100 W pour un homme moyen et de 300W pour un bon sportif, on peut envisager se déplacer à une vitesse comprise entre 25 et 40 km/h. Dès que la pente devient importante et que le vélo dépasse les 60kg, la puissance musculaire n’est plus suffisante. Sur un parcours donné, la consommation énergétique en W.h du cycle motorisé peut être déterminée approximativement par l’équation suivante (2): resistive moy humain moy (distance D ) M g D E(W.h) ( P (V ) P ) V (km / h) 3600          Avec la vitesse moyenne en km/h, D+ le dénivelé positif (m) et la distance en km. La masse de bagages durant le voyage est d’environ 20kg et le volume de 0.125 m3 (tente, vêtements, nourriture…). Des sacoches sont utilisées mais de nombreux concurrents ont également opté pour la remorque, ce qui augmente bien sûr le coefficient d’aérodynamisme mais permet d’y placer des modules PV. Une troisième option possible consiste en l’utilisation de vélos cargos (cargo bikes) dont la masse est d’environ 25kg. A partir de l’équation précédente, et en considérant une distance parcourue de 200km/jour, un dénivelé moyen de 1%, une vitesse moyenne de 35km/h, une masse totale de 140 kg et une puissance humaine fournie de 100W, il sera nécessaire de fournir une énergie quotidienne de 3000W.h. Par contre, pour une vitesse moyenne de 25km/h, cette énergie nécessaire passe à 2000W.h. Ce besoin va conditionner la surface de module PV à mettre en œuvre. Mais, à ce sujet, quelle est la capacité de production d’énergie électrique par m2 de module PV ? 2.2. Surface et type de panneau solaire La consommation d’énergie précédente détermine la surface de modules PV à installer pour être en totale autonomie d’énergie. Les modules monocristallins Semi- Flex ont une puissance crête de 200Wc/m2 pour une masse de 4kg. Le coût total s’élèvera à 500€. En considérant qu’il y a du soleil tous les jours pendant 8 heures, que 50% de la puissance crête peut être restituée par les modules orientés horizontalement par rapport au sol et qu’ils ne peuvent suivre l’orientation du soleil, la quantité d’énergie produite peut être déterminée par l’équation suivante (3) : panneaux crete panneauxE (W.h ) P temps( h ) /   VTC + remorque + panneau Vélo couché + panneau Tricycle caréné leiba P (W) v (km/h) Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 50 Sur un vélo couché, des modules d’1m de large et de 2.5m de longueur peuvent être installés sans nécessiter l’ajout d’une remorque. Cette surface de 2.5m2 permet de produire environ 2000W.h/jour. Certains concurrents ont opté pour 1m2 supplémentaire qu’ils déploient lors de leurs arrêts. Mais cela signifie qu'ils embarquent une masse supplémentaire de 4 kg. Le support des modules peut- être légèrement orientable afin d’améliorer la production. Les modules PV placés au-dessus d’un vélo couché permettent, en outre, de s'abriter des rayons du soleil lors du pédalage. Ils peuvent aussi, lors des arrêts, être orientés en direction de l'astre à l’aide d’une grande béquille facile à mettre en œuvre. L’ombre alors portée par un tube de 2cm de haut placé perpendiculairement à la surface du module permet de savoir si ce dernier est dans l’axe du soleil. Un convertisseur d'électronique de puissance muni d'un algorithme de recherche de point de puissance maximum (MPPT : maximum power point tracker) permet de charger directement la batterie et d'optimiser le fonctionnement du module pour des conditions météorologiques données. Notons toutefois ici que la puissance demandée par le vélo est davantage conditionnée par la pente et ce, pour obtenir une vitesse honorable dans les montées, que par la vitesse en régime établi sur du plat. Mais quelle est la masse supplémentaire embarquée nécessaire à la motorisation ? Quel est son rendement et quel type de moteur est utilisable ? 2.3. Type de moteur Toutes les machines dédiées aux applications de motorisation de vélos sont de type brushless à aimants permanents. Il en existe deux sortes : le « moteur- roue » et le « moteur-pédalier ». La puissance d'un moteur-pédalier n’excède pas 1000W. Celle d'un moteur-roue 3000W. Les moteurs-pédaliers sont associés à un réducteur mécanique de vitesse qui ne permet pas de récupérer de l’énergie lors des phases de freinage ou en descente. Sur les moteurs-roues, le freinage électrique permet de limiter la vitesse dans les descentes abruptes, d’où un renforcement de la sécurité et une sollicitation plus faible des freins mécaniques qui ne risquent pas de passer en fading vue la masse importante du véhicule. Pour les deux types de motorisation, l’action de commande s’effectue : - soit par la sollicitation d’une poignée d’accélération (asservissement de vitesse avec limitation du courant de la batterie), - soit par la prise en compte de l'information en provenance d'un capteur de pédalage qui évalue l’assistance nécessaire selon le choix de la puissance désirée (sachant qu’il y a différents niveaux d’assistance : de 1 à 10). Il existe de nombreuses stratégies d’assistance qui ne seront pas développées dans cet article. Par simplification, on considère que le moteur brushless se comporte comme un moteur DC présentant une résistance équivalente. Par conséquent, les pertes électriques et son échauffement correspondent aux équations suivantes (4) et (5) :   2 equivalentPerte W Rm I    TH TH t V R CTHR Tempmotor C Perte (1 e ) Tamb V          Avec RTH correspondant à la résistance thermique du moteur, CTH à la capacité thermique du moteur et Tamb à la température ambiante. La résistance thermique diminue en fonction de la vitesse du véhicule V(km/h), dès que celle-ci est au-delà de 15 km/h. Lorsque l’on relâche la poignée d’accélération à X%, alors la vitesse diminue en fonction de l’équation suivante (6) : battVitesse kv.U .X % pour une certaine puissance résistive. Alors le courant augmente à partir de l’équation suivante (7) : motor resisitve batt motor controleurI P / (U X% )    Comparons 2 moteurs alimentés sous 50V : - moteur-pédalier Bafang (8 fun) BSS02 750W, 4.2kg, 700€ TTC, résistance équivalente : 0.26Ω, puissance dissipable : 250W, Imoteur max=30A, RTH = 0.3°C/W, - moteur-roue Crystalyte HS3540 2000W, 7kg, 350€ TTC, résistance équivalente : 0.22Ω, puissance dissipable : 400W, Imoteur max = 42A, RTH = 0.187°C/W, CTH=770 J/°C.kg. Notons que le prix du moteur ne dépend pas que de sa puissance, mais aussi de ses ventes et du type d’aimants employé. Notons également que le moteur roue a une surface d’échange thermique plus importante qui lui permet de mieux dissiper les pertes thermiques. L’utilisation du simulateur de moteur en ligne « Ebikes.ca » permet de tracer les caractéristiques théoriques des machines présentées ci-dessus. Sur la figure 2, la première partie des courbes (couple, puissance et rendement) correspond à un courant batterie limité. Puis la tension est limitée par la capacité de la batterie. La courbe en noir correspond à la puissance utile liée au coefficient de roulement, au coefficient d'aérodynamisme et à la pente. L’intersection de la puissance utile et de la courbe (puissance moteur + puissance de pédalage) donne la vitesse du véhicule. Attention, il ne faut pas prendre la courbe suivante telle quelle avec la poignée d’accélération actionnée à 100% pour connaitre le rendement du moteur. En effet, la courbe de rendement de cette figure correspond au démarrage du véhicule avec la poignée d’accélération en 100%. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 51 Fig. 2 : courbe de rendement, puissance moteur, couple et puissance résistive en fonction de la vitesse pour 100% de la poignée d’accélération Le rendement en régime établi de vitesse en fonction de la poignée d’accélération est représenté sur la figure 3 pour le moteur-roue Crystalyte, ainsi que la vitesse et la puissance. Pour le moteur-pédalier Bafang, c’est quasiment identique. Fig. 3 : caractéristique du moteur HS3540 en fonction de la poignée d’accélération et avec une pente de 0% Lorsque la pente est de 5% alors la puissance résistive augmente fortement ce qui entraine souvent la saturation du courant batterie. Le rendement est alors compris entre 77% et 50% en fonction de la position de la poignée d’accélération comme on peut l’observer sur la figure 4. Fig. 4 : caractéristiques du moteur HS3540 en fonction de la position de la poignée d’accélération avec une pente de 0% (traits pleins) et 5% (pointillés) En conséquence, avec une motorisation électrique, il ne faut pas solliciter le moteur à des vitesses trop faibles, ceci afin de garder un bon rendement et un faible échauffement du moteur et du contrôleur. L’énergie consommée lors d’une montée ne dépend que des rendements et correspond à l’équation suivante (8) : m moteur controleurE (W.h) ( M g D ) / (3600 )       Remarque : en 2016, le moteur-roue Mxus 4505 de 3000W est celui qui a le meilleur rendement (90%) sur le marché car il a une faible résistance équivalente (0.12Ω), mais une masse de 8.5kg. Si le rendement entre le moteur-pédalier est quasi identique à celui du moteur-roue avec une commande par poignée d’accélération, la différence notable entre un moteur pédalier de 750W et un moteur roue de 2000W est la vitesse maximale en montée et le temps de fonctionnement en montée lié à la saturation de la puissance sortant de la batterie. Par conséquent, pour le moteur 750W, il faut un contrôleur de 20A sous 50V (20A correspond au courant de limitation batterie). On pourrait alors croire que la puissance maximale ne pourra jamais être dépassée avec ce choix de courant maximal de la batterie. Mais le temps de fonctionnement avec une pente de 5% et une masse de 125kg est de 26 minutes à 30km/h comme le montre la figure 5 (« overheat in» pour un courant moteur de 33A). Pire, le fonctionnement ne sera que de 5 minutes pour une pente à 10% et à 16km/h. En effet, il ne faut pas confondre courant batterie et courant moteur qui provoque l’échauffement du moteur. Fig. 5 : Caractéristique du pédalier avec une pente de 5% Ce n’est pas parce que le moteur HS3540 est plus puissant qu’il ne sera pas affecté par cette limite thermique alors que la puissance utile est seulement de 700W. En effet, cela dépend des pertes du moteur, donc de la vitesse. Mais on peut observer sur la figure 6 qu’il n’y aura pas de dépassement thermique pour la même puissance moteur que la courbe précédente. Rendement (%) Puissance résistive (W)/15 Vitesse (km/h) Poignée d’accélération (%) Rendement (%) Vitesse (km/h) Puissance résistive (W)/15 Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 52 Fig. 6 : caractéristique du moteur roue avec une pente de 5% Le choix de la constante de vitesse du moteur brushless conditionne la vitesse maximale atteignable étant donnée la tension batterie. Il existe chez les mêmes constructeurs différentes possibilités de bobinage. Exemple : il y a plus de spires pour un moteur couple HT3525 que pour le HS3540 afin d'obtenir plus de champ magnétique. Mais, pour un même encombrement, la section de fil est plus faible, d’où une résistante équivalente plus importante et égale à 0.35Ω. Ce moteur peut donc supporter un courant moteur moins important pour la même puissance dissipable. La puissance maximale du moteur va donc dépendre de la tension de la batterie et du courant de limitation du contrôleur. Pour protéger efficacement notre moteur, les deux solutions suivantes seraient judicieuses en plus de la limitation du courant batterie : - limitation du courant moteur, - mesure de température sur le bobinage. Mais ces 2 solutions sont rarement proposées. De plus, l’échauffement du contrôleur est à prendre en compte en fonction du courant moteur, car étant donné que le contrôleur a une constante de temps thermique plus faible que celle du moteur, c’est lui qui sera susceptible d'être endommagé le premier. Notons cependant que très peu de concurrents ont abandonné pour ces problèmes de limitation thermique. D'un point de vue mécanique, le moteur-pédalier génère un effort important sur la transmission (chaine, roue libre…), d’où une puissance maximale de 1000W. Exemple de détermination de la puissance du moteur pour obtenir une certaine vitesse en montée, à partir de l’équation (1) : soit un vélo couché avec une masse totale de 145kg, un coefficient kaero de 0.0065, une pente de 5% et une vitesse de 25km/h. Alors la puissance du moteur devra être de 634W et de 1130W pour une pente de 10%. Mais quel type de batterie choisir comme réserve d’énergie pour ce challenge ? 2.4. Batterie La batterie devra permettre une demi-journée de réserve énergétique (1000W.h) sous une tension de 50V. On en déduit une capacité énergétique de 20A.h. S’il y a plus d'une demi journée de mauvais temps, les concurrents ne pourront compter que sur leur puissance musculaire. Les batteries sont de type LiPofer ou Li-ion. Les Li- ion ont une masse et un volume légèrement plus faibles que les LiPofer. Les LiPofer sont commercialisées en poche ou en cylindres alors que les Li-ion le sont sous la forme d'un assemblage « 18650 » cylindrique. En effet, les « 18650 » sont très vendues d’où leur coût de fabrication qui a fortement diminué depuis 2013. Le tableau 2compare ces 2 technologies. Type de batterie prix masse Li-ion 13S7P 400€ 5kg LiPofer 15S7P 400€ 9.5kg LiPofer 15S punch 600€ 7.5kg Tableau 2 : comparaison de type de batterie Le taux de décharge à 2C (40A), n’est pas un problème pour les batteries. Le système de gestion de la batterie (Battery Management System - BMS) déleste la consommation de la batterie lorsque celle-ci est vide [8]. Maintenant que la technologie des batteries a été présentée, nous allons comparer les solutions techniques mises en œuvre par deux concurrents qui ont fait des choix diamétralement opposés. 2.5. Comparaison de deux prototypes et résultats Le tableau 3 donne, pour les deux concurrents, la masse du véhicule sachant que la puissance maximale des motorisations est identique et que la vitesse maximale est de 45 Km/h. On peut observer sur les 2 figures suivantes les deux véhicules. Fig. 7 : vélo couché Suntrip 2015 de Bernard Cauquil [9] Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 53 Fig. 8 : vélo cargo Suntrip 2015 d’Eric Morel [10] Par contre, la surface de modules PV est bien inférieure pour le vélo cargo que pour le vélo couché, d’où une production moindre. Le poids du support mécanique des modules PV n’est pas négligeable et est équivalente au poids de la remorque sans les roues. A ce sujet, notons que le vélo cargo n’avait pas d’énergie d’avance (tout au plus 15%), alors que le vélo couché a toujours gardé une réserve de plus de 40% d’énergie dans sa batterie. Les infrastructures de camping dans certains pays étant très précaires, cela oblige tous les participants au SunTrip à avoir une tente et à devoir gérer une quantité d’eau relativement importante. Sur le tableau 3, on peut observer les consommations, productions et vitesses moyennes journalières. Lors d’une forte baisse de la production conséquente à une météo défavorable, la puissance électrique est moins utilisée et impacte la vitesse moyenne sur la distance parcourue. Il est à noter qu’il y a aussi eu deux jours de voyage en ferry et deux jours de visite à Antalya. Type de vélo Masse totale sans bagage Batterie Type de moteur Vites se max Bagages = vêtements, eau, nourriture outillage Panneau : surface + support produc/jour+MP PT Consom- mation moyenne du prototype Temps moyen/J Vitesse moyenne /jour + Km/jour Dénivelé, distance, consom- mation totale Vélo cargo+ cycliste+ age 63 kg 68 kg 36 ans 36V 1000W.h 6 kg Pedalier PMF 700W 45 km/h 6kg+ 2 litre, 2,5kg 1.6 m2 , 300Wc 14,8kg, 1272 W.h/jour 5.9 W.H/ Km 9 H/jour 24.4 km/h/jour 214km/J 45861 m 6612km 36753W.h Vélo couché+ cycliste+ âge 55kg 75 kg 56 ans Li Mn 48 V 22 Ah Roue Ezee 750W 45 km/h 15 kg + 5 litres, 5 kg outil 2.2 m2 , 405Wc, 18 kg 2100 W.h/jour 7.5 W.H/ Km 9.62 H/jour 27,52 km/h/jour 265km/J 45861m 6952km 53230W.H Tableau 3 : comparatif des concurrents Fig. 9 : prototype couché : consommation W.h (bleu), production(W.h) (marron), vitesse moyenne*100 (km/h) (vert) Le choix de la vitesse moyenne en fonction du dénivelé et de la production solaire n’est pas aisé et repose sur la stratégie adoptée par chaque concurrent. La figure 10 présente la vitesse moyenne, la distance et le dénivelé positif pour chaque journée. On peut observer des dénivelés positifs à plus de 3000m/jour avec des vitesses moyennes aux environs de 30 km/h. Concernant la consommation journalière, il faut ajouter 39,5W.h pour le GPS, l’instrumentation et l’éclairage. Fig. 10 : prototype couché, vitesse moyenne*100 (km/h), distance journalière*10 (km), dénivelé positif (m) Etant donné que le temps de roulage quotidien est d’environ de 10 heures, l’énergie journalière que doit fournir chaque cycliste correspond à l’équation suivante, sachant que le rendement musculaire humain est de 25% (9) : C cycliste humainE (W.h) P t / 1000   L’énergie dépensée chaque jour par le cycliste est donc d'environ 5000W.h correspondant à 4300kcalories ce qui représente une énergie alimentaire très importante. Ainsi 5000W.h correspondent à 2.5 kg de pain soit 10 baguettes de pain (10€). En Europe, 5000W.h électrique ne coûtent que 0,50€. Le prix l’énergie électrique est très faible par rapport à celui de l’énergie musculaire. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 54 Il est légitime de penser que sans le module PV (18 kg) et avec un coefficient d'aérodynamisme de moins de 0.002 W.h/(km/h)3 , la consommation énergétique serait plus faible. De plus, avec des chargeurs de batterie de 1000W, une prise traditionnelle classique suffit. Toutes les maisons des pays traversés sont connectées au réseau de distribution de l’électricité. Par conséquent, le temps dédié à la restauration du cycliste correspond, bien souvent, au temps nécessaire de recharge du véhicule et, par conséquent, il semble préférable d’installer les modules PV sur un toit plutôt que sur un véhicule. Mais dans ce cas, le camping sauvage n’est plus possible, ce qui n’est pas dans l’esprit (d'autonomie énergétique !) du SunTrip. 2.6. Stratégie de gestion de l'énergie solaire Une stratégie de charge de la batterie consiste à rester le plus possible dans une plage comprise entre 40 % et 80 % de la charge batterie. Le vélo couché n’est descendu à 40 % qu'une seule fois lors de la 3ème étape à cause d’une météo défavorable. Par contre, il est parvenu plusieurs fois à dépasser les 80 % de charge. Ces 80% lui donnent la capacité d'appréhender tous les paramètres (ensoleillement en fonction de l'heure, la météo, le relief du parcours). Cette stratégie permet de lisser la consommation sur l'ensemble de la journée. 2.7. Stratégie de charge pour les cycles non solaires Lors du SunTrip, il est interdit de recharger la batterie à partir d'une prise classique sous peine de disqualification. Par contre, lors des « 12 heures de Chartres », où il y a beaucoup de vélo-mobiles, cela est possible et permet donc d’embarquer une batterie d'accumulateurs minimisée. Mais quelle est la vitesse moyenne possible pour faire la plus grande distance avec un chargeur de 720W, de 1.7kg, et pour une pente moyenne de 0.7% ? Le rapport énergie/distance est un bon compromis pour connaitre la consommation d’un véhicule. Ce rapport correspond aussi au rapport puissance résistive / vitesse et donne une équation du second degré qui peut se simplifier sous la forme d'un polynôme du premier ordre (10) :   aero sansmotor sansmotorV 2 k 60 (V V ) VConsoR       La vitesse sans moteur correspond à la vitesse moyenne obtenue lorsqu'il n’y a pas besoin de moteur. Cette vitesse correspond à l’équation suivante (11) : sansmotor humaine pente V ( km / h ) P 3.6 / (( Cr) M g ) 100      Cette vitesse est valable si la puissance musculaire fournie est inférieure à 150W ce qui permet de négliger le coefficient d’aérodynamisme. Elle correspond au début de la consommation électrique comme on peut l’apercevoir sur la figure 11. On peut d'ailleurs observer que le tricycle caréné consomme beaucoup moins d’énergie électrique que le vélo couché avec modules PV. Fig. 11 : consommation entre 2 véhicules pour une pente de 0.7% et une puissance humaine de 100W Pour un temps de course donné et un nombre d’arrêts de recharge donné, la vitesse moyenne peut être déterminée par la résolution de l’équation suivante sachant qu’à chaque arrêt, on considère que la batterie est vide. A chaque départ, on considère la batterie pleine (12): course roulagetemps ( h ) temps N tempscharg e ( N 1)     course Chargeur EnergieBatt EnergieBatt temps (h) N ( N 1) puissance(V ) puissance     N correspond au nombre de roulages. La distance parcourue est déterminée par l’équation suivante avec la vitesse moyenne qui permet de décharger la batterie en totalité pendant le temps de roulage/N (13) : max coursemoynneDistance (temsps tempscharv ge ( N 1)ite s )s e     Exemple : pour un temps de course de 12h, avec N=3 (donc avec 2 temps de recharge complète), une batterie de 1000W.h, une puissance musculaire de 100W, une puissance de recharge de 720W, le temps de charge sera de 2,7h. Avec le tricycle caréné, la vitesse moyenne est déterminée après la résolution d'une équation du troisième degré et correspondra à une vitesse de 49km/h. La distance effectuée sera de 452km avec une consommation électrique de 3000W.h (6.63W.h/km) et une énergie musculaire fournie de 930W.h. Si l’on ne prévoit qu’une seule charge, la vitesse moyenne devra être de 40.47km/h et la distance parcourue diminuera à 429km, avec une consommation électrique de 2000W.h (4.66W.h/km) et un apport énergétique humain de 1065W.h. Dans cet exemple, il n’y a pas beaucoup de différence entre la distance parcourue maximale avec 2 phases de charge et 1 seule phase de charge. Si l’on ne prévoit aucune charge, alors la vitesse moyenne passe à 31km/h. La distance parcourue sera de Vitesse (km/h) Consommation électrique moyenne (W.h/km) Vélo couché +panneau PV Tricycle caréné leiba Vsansmotor Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 55 377km mais avec une consommation électrique de 1000W.h (2.65W.h/km) et un apport d’énergie humaine de 1200Wh. Par contre, la fatigue musculaire sera importante et jouera sur les besoins physiologiques de l’humain (pause toilettes, pauses repas, lucidité, …), qui le pousseront à s’arrêter un minimum de temps. Pour une batterie donnée, on peut observer sur la figure 12 que la vitesse moyenne doit être modérée en fonction du temps de course donc du temps de roulage : Fig. 12 : vitesse moyenne et distance parcourue en fonction d’un temps de course avec 2 arrêts de recharge à 100% et une pente de 0.7% pour le tricycle caréné et une puissance humaine de 100W Cette stratégie peut être appliquée à n’importe quel véhicule électrique où les temps de charge sont longs. Dans le contexte du voyage, il faut connaitre la distance entre 2 bornes de recharge et gérer sa consommation en fonction de sa vitesse. En effet, en France, de nombreuses zones commerciales ont des bornes de recharges électriques gratuites. Mais il y a aussi la possibilité de demander un branchement sur le lieu de l'arrêt repas afin de maximiser sa capacité énergétique et réduire l’anxiété liée à la gestion du parcours restant. Sur les routes, la vitesse est imposée par le flot de véhicules ou par le type de route qui contraint de respecter une vitesse limite et donc impose une consommation. Par conséquent, lors d'un déplacement sur une grande distance, la capacité de la batterie est fonction de l’autonomie désirée et impose de ne faire qu’un seul arrêt le midi. 2.8. Budget du prototype Le budget est souvent un problème et nécessite d'effectuer des compromis pour la réalisation d’un prototype. En voici une estimation. Sachant qu’un tricycle caréné a un coût d’environ 6000 €, un vélo couché d’environ 2500€ (ces cycles sont fabriqués en quantités artisanales et sont donc relativement chers), un moteur de 300€ à 600€, un contrôleur de 250€ à 400€, une batterie de 1000W.h de 400€ à 600€, l’instrumentation électrique de 360€ [11], l’instrumentation de puissance musculaire de 150€, les panneaux solaires de 1000€ à 1500€, le régulateur MPPT de 200€ à 400€, les sacoches de 200 € à 300€, les petits accessoires de 300€, le changement de vitesse (Rohloff, N360, classique) de 1000€ à 90€ et enfin les lumières de 100 € à 200 €, le coût d’un prototype oscille donc entre 5000€ à 7000€. A cela s’ajoute le prix du voyage. Cependant, les participants sont souvent néophytes en électricité et en mécanique (comme nos étudiants), mais leur motivation est telle qu’ils apprennent vite les fondamentaux de la technologie (comme nos étudiants). 3. Exploitation pédagogique La réalisation d'un vélo couché a été conduite à l’IUT de Tarbes par le département Génie Mécanique et Productique. Il s'agit d'un système pluri-technologique dans lequel toutes les fonctions sont à analyser. De nombreux tests et mesures sont également à réaliser afin de valider les choix technologiques et les performances attendues. La conception et la fabrication de ce prototype a été menée en module de « travaux de réalisation » mais aussi en module de « projet tutoré ». Ces réalisations permettent un rapprochement entre les départements « génie électrique et informatique industrielle » et « génie mécanique et productique », et parfois même, la collaboration entre différents IUT. Tous les étudiants peuvent tester le prototype, mais aussi le présenter lors de différents événements La communication autour du projet en français et en anglais (poster, vidéo, bilan, …) constitue un exercice important et riche sur ce support. 4. Conclusions La recherche du meilleur compromis pour réaliser un prototype demande une importante réflexion au sein du groupe projet et nécessite de nombreux essais afin de valider les éléments théoriques présentés dans cet article et fiabiliser les solutions techniques réalisées. Le capital sympathie pour ces machines est important. Les échanges et les discussions avec les pilotes et usagers sont facilités par la curiosité du public qui les découvre durant un périple ou lors d'une conférence. Faut-il une compétition pour promouvoir les véhicules autonomes de faible consommation ? Vitesse moyenne*10 (km/h) Distance (km) Temps de course Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 56 Faut-il toujours compter, calculer et établir des stratégies pour être le meilleur ? Ce challenge constitue surtout une occasion unique de rouler sur les routes du monde en ayant le plaisir de le faire avec le minimum d'impact sur l'environnement, tout en découvrant de nouveaux paysages, de nouvelles cultures, de nouvelles gastronomies… Et c'est bien sur une belle aventure humaine ! Rassurons ici nos lecteurs : malgré le challenge, l’entraide entre concurrents est de rigueur ! 5. Références [1] http://florianbailly.com/ Voyage France Japon [2] https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89co- marathon_Shell [3] http://www.whpva.org/hpv.html https://fr.wikipedia.org/wiki/Record_de_l%27heure_c ycliste [4] http://thesuntrip.com/ https://www.youtube.com/watch?v=tc47mkLYFss&lis t=PLfZunVn_gcq7EOurXuWU2sRFmh6CbiUiL&ind ex=42 [5] A.Sivert, F.Betin, T. Lequeu, B. Vacossin « Optimisation de la masse en fonction de la vitesse, puissance, autonomie, prix, centre de gravité, frein, d’un véhicule électrique à faible consommation (vélo, vélo–mobile, voiture électrique). Estimateur de consommation sur un parcours. » Revue 3EI N°80, Avril 2015, page 47 à 57 [6] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, « Véhicule électrique à faible consommation. Problématique mécanique des tricycles carénés. Caractérisation avec smartphone ».Revue Technologie N°199, octobre 2015, page 26 à 38 [7] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, « Étude des pneus pour tricycles carénés à faible consommation », Revue Technologie N°201, janvier 2016, page 40 à 48 http://eduscol.education.fr/sti/ressources_techniques/r evue-technologie-ndeg201-sommaire [8] A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu, B. Vacossin« Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique »,Revue Technologie N°84, Avril 2016 [9] Le blog de ma balade en vélo couché 2012 http://www.cheminfaisant.fr [10] https://www.facebook.com/ericsuntrip/ http://thesuntrip.com/eric-morel-st2015/ [11] A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » », Revue 3EI N°81, Juillet 2015, page 52 à 60 Rassemblement de différents type de vélos Le vélo couché en action Le vélo cargo en action