Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet

25/10/2016
Publication 3EI 3EI 2016-86
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2016-86:17525
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Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet

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Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU(1) , V. DEWANCKER(2) , S. JACQUES(3) , A. SIVERT(4) (1) Université François Rabelais de Tours – 60 rue du Plat d'Étain – 37020 Tours Cedex 1. (2) Société Kart Masters – 9 rue Saint Denis – 72300 Sablé–sur–Sarthe. (3) Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours – 7 avenue Marcel Dassault – 37200 Tours. (4) U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – Institut Universitaire de Technologie de l'Aisne GEII – 02880 Soissons – Laboratoire des Technologies Innovantes – Equipe Énergie Électrique et Systèmes Associés. 1. Introduction L’engouement du public pour les véhicules électriques se retrouve dans nos activités pédagogiques. Depuis quelques années, il est de plus en plus facile de réaliser des véhicules électriques dans le cadre de projet avec les étudiants [1–8]. L’association e-Kart a été créée en 2006 dans l’optique de promouvoir le véhicule électrique comme support pédagogique au sein des établissements scolaires et également aider les personnes qui se lancent dans un projet de construction. La figure 1 présente le site web de l’association e-Kart [9]. Fig. 1. Aperçu du site web de l’association e-Kart en août 2016. Un des services proposés à la création de l’association était la fourniture de matériels spécifiques (avance des fonds pour les commandes à l’étranger), mais cet aspect commercial a largement débordé les attributions initiales. Avec l’arrivée en septembre 2013 du partenaire Kart Masters et la création de la boutique en ligne Kart Masters Shop, la gamme de produits disponibles s’est largement étendue (cf. figure 2)[11]. En effet, la société Kart Masters est spécialisée dans la construction de karts électriques. L’ensemble du matériel proposé à la vente sur la boutique est validé et bien adapté à la réalisation des véhicules électriques pédagogiques. Fig. 2. Aperçu du site web de la Boutique Kart Masters Shop en août 2016 [11]. Les véhicules présentés dans cet article ont la particularité d’être pilotable. En d’autres termes, les étudiants sont en mesure d’apprécier les sensations de couple et de vitesse. Après avoir fait un bref rappel sur le choix du véhicule et des composants nécessaires à son Résumé : Cet article présente quelques exemples de réalisation de véhicules électriques. Les projets présentés peuvent être réalisés par les étudiants dans le cadre de leur formation. On s’intéresse ici aux véhicules « pilotables » par les étudiants (sont exclus les robots, les engins radios commandés et les drones) afin qu’ils soient en prise directe avec leur projet et les notions physiques qu’ils auront étudiées au cours de leur cursus, dans le cadre d’un projet d’électrification d’un véhicule. Au vue de la taille du véhicule, le budget de réalisation doit être maîtrisé. Grâce au partenariat mis en place par l’Association e-Kart avec la société Kart Masters, il est désormais possible de construire une progression financière du projet sur plusieurs années. Au fil du projet, le véhicule évolue par un échange et un ajout de composants de plus en plus performants. Cet article détaille un exemple de déroulement sur 6 années de la réalisation d’un kart électrique. Ce projet est donné à titre indicatif et pourra être largement adapté en fonction des contraintes locales. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 35 électrification, nous proposerons une progression d’un projet de kart électrique sur plusieurs années. Les prix indiqués dans cet article sont TTC et sont donnés à titre indicatifs. 2. Quel type de véhicule ? Même si le véhicule de prédilection de l’Association e-Kart est le kart électrique, le matériel et les conseils prodigués ici peuvent servir à d’autres applications. 2.1. Véhicules non terrestres En effet, il n’est pas indispensable d’avoir des roues pour déplacer une personne : c’est le cas par exemple des bateaux, des avions… 2.1.1. Bateau électrique La réglementation dans les ports oblige les bateaux à manœuvrer à faible vitesse (3 nœuds, soit environ 5,5 km/h) et souvent sans l’aide du moteur diesel principal. Un moteur électrique d’appoint est bien utile. Il est possible de franchir le pas du « tout électrique », notamment avec la progression des batteries Lithium LiFePO4 de grande capacité (supérieure à 100 Ah) qui deviennent abordables (environ 6000 € pour une batterie 48V 400Ah LiFePO4 avec son électronique de surveillance) et permettent des autonomies importantes (plusieurs heures). 2.1.2. ULM électrique Avec du matériel de « pointe » digne du « gros » aéromodélisme, il est possible de propulser un ULM à partir d’un moteur électrique (cf. figures 3 et 4). Afin de limiter la masse de la batterie, l’utilisation de cellules Lithium ions de dernière génération est alors indispensable et le budget s’en trouve alourdi (le coût des batteries Lithium ions est environ le double de celui des batteries Lithium LiFePO4). Fig. 3. Thomas JORON aux commandes d’un ULM électrique réalisé en partenariat avec l’IUT de Chartres [12]. Fig. 4. Propulseur électrique pour parapente développé par Stéphane LELONG [13]. 2.1.3. Treuil électrique Voici une autre application originale de la traction électrique : le treuil pour la pratique de sport nautique de glisse. Un des objectifs de cette réalisation est la réduction des nuisances sonores lors de la pratique du wake–board (cf. figure 5). Le treuil permet l’enroulage d’une centaine de mètre de corde et permet la pratique d’un sport de glisse sur les étangs ou les lacs. Un pack de batterie de 48 V 48 Ah permet de s’affranchir de l’alimentation électrique via le réseau. Fig. 5. Le treuil électrique pour la pratique du wake–board sur lac (le pack batterie n’est pas sur la photo). Réalisation Benjamin ROBIN [14]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 36 2.2. Véhicule à 2 roues On ne parlera pas des gyropodes à une roue qui ajoute un pilotage complexe du véhicule à une réalisation technologique pointue. Avec 2 roues, le véhicule gagne en stabilité. Toutefois, le risque de chute du pilote est un point négatif de ce type de véhicule qui est à prendre en compte lors des essais. 2.2.1. Gyropode à 2 roues En 2009, la revue d’électronique Elektor proposait un kit pour la réalisation d’un gyropode à 2 roues : l’ElektorWheelie (cf. figure 6)[15]. Ce projet permet la réalisation de l’ensemble des cartes électroniques : variateurs pour les moteurs, microcontrôleurs pour le pilotage, interfaces des différents capteurs. Les programmes sont également accessibles et fournissent une très bonne base de travail. Fig. 6. Le kit ElektorWheelie pour la réalisation d’un gyropode électrique [15]. 2.2.2. Vélo ou tricycle électrique Le vélo a également bénéficié du développement des solutions de transport électrique [7]. Un grand nombre de composants sont disponibles sur le marché et permet « facilement » la réalisation d’un « 2 roues » électrique (cf. figure 7). Fig. 7. Le vélo électrique de l’IUT de l’Aisne [16] Les véhicules à 3 roues permettent une meilleure stabilité sur la route (cf. figure 8). La position couchée et le carénage diminuent la consommation et augmentent l’autonomie de ce « vélomobile ». Fig. 8. Les vélomobiles à 3 roues électriques et le kart électrique de l’IUT de l’Aisne [16]. 2.2.3. Les véhicules du challenge EducEco L’Association pour le Développement d’Épreuves Éducatives sur l’Éco-mobilité (AD3E) propose une compétition automobile fondée sur la moindre consommation d’énergie [17]. Deux types de véhicules peuvent être conçus dans le cadre d’un règlement unique. Les véhicules PROTOTYPE, à 3 roues (cf. figure 9), sont destinés à établir la plus haute performance énergétique possible et les véhicules ÉCO-CITADIN à 4 roues (cf. figure 10) doivent, outre de réelles performances énergétiques, développer la notion d’utilisation avec les directives qui s’attachent aux notions de cycle de vie du produit et au développement durable. Fig. 9. Prototype 3 roues pour EducEco [17]. Fig. 10. Véhicule 4 roues éco-citadin présent au challenge EducEco [17]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 37 2.2.4. Moto électrique Au-delà de 4-5 kW de motorisation, le « 2 roues » électrique (e.g. scooter ou moto) est classé dans la catégorie des cyclomoteurs. L’intégration mécanique du moteur et de la batterie constitue le point important de cette réalisation. Une batterie Lithium permettra de réduire la masse et le volume, tout en assurant une autonomie « correcte » d’une centaine de kilomètres (cf. figure 11). Fig. 11. La moto électrique de Sébastien MAHUT, étudiant à l’IUT de l’Aisne [18] 2.3. Le kart électrique De par sa conception simple et un assemblage démontable d’un grand nombre de pièces, le kart est un support mécanique qui se prête bien au travail avec des étudiants et à l’adaptation à la motorisation électrique (cf. figure 12). Disposant de 4 roues et d’un centre de gravité très bas, c’est un véhicule très stable. De plus, les étudiants sont habitués à faire du karting sur une piste sécurisée (et pas sur la route) ce qui simplifie grandement l’homologation et l’assurance du véhicule. Fig. 12. Le kart électrique comme support pédagogique [19]. 3. Les principaux composants du kart électrique Cette section propose de passer en revue les composants nécessaires à l’électrification d’un châssis de kart et indique la répartition budgétaire du projet. 3.1. Châssis Le châssis est bien souvent le premier investissement qui déclenche le projet. Un châssis d’occasion de kart de location sans moteur thermique se négocie entre 0 € et quelques centaines d’euros. En revanche, un châssis de kart de compétition sans moteur, avec des freins à disques à l’avant et à l’arrière, peut être négocié entre 400 €–500€ pour un modèle d’occasion et 2000 €-3000 € pour un modèle neuf. 3.2. Planning et premiers calculs Le projet démarre en juin (en amont de l’année scolaire) par la négociation d’un budget pour l’achat des composants du kart électrique i.e. entre 2000 € et 5000 €. Les étudiants peuvent démarrer dès la rentrée de septembre par l’étude mécanique du mouvement du kart afin de déterminer la puissance du moteur électrique. La découverte du projet, des composants et les premiers calculs peuvent leur prendre quelques mois [7]. La fixation mécanique du moteur, de son variateur et des batteries constituent les principaux points critiques du projet. Une modélisation mécanique du châssis de kart peut être faite afin d’étudier différentes solutions. La société Kart Masters propose un kit de fixation du moteur qui s’adapte sur la majorité des châssis de kart. Il n’existe pas de solution « simple » pour la fixation des batteries. En fonction du châssis utilisé, il faudra ajouter des renforts pour maintenir et fixer correctement les batteries. La figure 13 montre qu’entre 40 et 60 km/h de vitesse de pointe, sur une piste plane (pente de 0%), il faut entre 2500 W et 4500 W pour vaincre les frottements de roulement et aérodynamique [7]. Fig. 13. Evolution de la puissance du moteur en fonction de la vitesse du kart, pour une pente de 0% et 5% [7]. Au-delà de cette valeur, la puissance (et donc le couple) supplémentaire servira pour l’accélération et la reprise du kart en sortie de virage. Pour un fonctionnement à 5kW, sous 48 V, pendant 10 min, il faudra disposer d’une énergie de 833 Wh et donc d’une capacité de batterie théorique de 17,4 Ah Puissance (W) Vitesse (km/h) Pente à 5% Pente à 0% Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 38 [7]. En considérant que cette énergie correspond à une décharge à 50% d’une batterie au plomb, un accumulateur d’une capacité supérieure à 34,7 Ah conviendra. Cette puissance de 5 kW correspond à des courants de 100 A sous 48 V et 200 A sous 24 V. Avec une densité de courant maximale de 10 A/mm2 , la section des câbles d’alimentation sera de 16 mm2 en 48 V et de 25 mm2 en 24 V. De nombreux exemples de schéma de câblage sont disponibles sur le site de l’association e- Kart [20]. En novembre, la liste du matériel peut être constituée afin de pouvoir en disposer dès la rentrée de janvier. L’assemblage peut alors commencer et peut, par exemple, être rapidement avancé en vue d’actions de promotion de l’établissement (e.g. Journées Portes Ouvertes de février-mars). Il est préférable que le kart soit terminé avant le départ en stage des étudiants courant avril, et qu’il ne reste que les essais et les derniers réglages avant le challenge e-Kart de Limoges qui se déroule fin mai- début juin [21]. 3.3. Moteur et variateur Une large variété d’ensemble moteur/variateur est disponible :  des moteurs à courant continu de 5 kW à 30 kW, avec des variateurs 1 ou 4 quadrants ;  des moteurs asynchrones triphasés basse tension de 1,1 kW à 28 kW associés à des variateurs triphasées de 275 A à 650 A par phase ;  des moteurs synchrones triphasés basse tension de 5 kW à 56 kW associés à des variateurs triphasés de 275 A à 650 A par phase. Le moteur et le variateur représentent à part égal environ les 2/3 du budget. 3.4. Batterie et chargeur Le dernier tiers du budget pourra être consacré à l’achat des batteries de stockage de l’énergie et de leur chargeur associé. 3.4.1. Batterie plomb ou cellules Lithium ? Un petit budget (en dessous de 4500 €) impliquera l’utilisation de batteries au plomb de 12 V de technologie spiralée OPTIMA (ou EXIDE). L’enroulement des plaques de plomb permet de réduire la résistance interne de la batterie (3,2 mΩ pour une OPTIMA, contre plusieurs dizaines de mΩ pour une batterie « classique »), ce qui la rend résistante au décharge importante (jusqu’à 600 A voire 900 A) et capable de supporter des courants de charge importants de 50 A à 100 A. Des modèles disposant de capacités de 38 Ah et 48 Ah sont disponibles (cf. figure 14). La batterie de 55 Ah est plus lourde et plus chère, pour un gain en autonomie assez faible [11]. Les cellules au Lithium de « faible densité » permettent de diviser par 2 la masse de la batterie et de multiplier par 2 ou 4 l’autonomie du kart. Ce type de technologie supporte des taux de décharge de 80% à 100%. Elles sont simples à mettre en série (cavalier en cuivre et vis M6 ou M8), mais nécessite une surveillance de chaque élément via un BMS (Battery Management System) qui augmente encore le coût de la batterie (environ 1000 € pour le BMS). Les cellules au Lithium de « forte densité » de type poche sont réservées au gros budget (environ 12 000 euros pour une batterie Lithium 72 V 86 Ah avec BMS), mais permettent de diviser par 4 la masse de la batterie par rapport à une batterie plomb, mais pour un coût hors BMS également multiplié par 4 ! 3.4.2. Chargeur d’entretien ou chargeur rapide ? Le cahier des charges des batteries utilisées dans ce type de projet pédagogique est typique. En particulier, le projet est en « sommeil » pendant presque une année et le véhicule n’est utilisé que quelques jours par an. Les batteries sont donc très souvent en mode « supervision ». Pour les batteries au plomb de la marque OPTIMA qui ont un niveau d’autodécharge important (plus de 50% de pertes en 1 ou 2 mois), les chargeurs CTEK 12 V 7 A sont tout à fait adaptés. Ils sont capables d’assurer une charge des batteries en quelques heures tout en garantissant la fonction de « charge d’entretien » ou « Floating » (cf. figure 14). De plus, ils redémarrent automatiquement en cas de coupure de l’alimentation électrique. Un chargeur individuel (un par batterie) est systématiquement conseillé à cause des déséquilibres de charge entre les batteries. Pour les cellules au Lithium, le problème est multiplié par le nombre de cellules. Il faut assurer l’équilibrage de la charge de chaque cellule. En effet, la charge de puissance est interrompue par le BMS qui détecte la cellule la plus chargée. Lorsque toutes les cellules sont équilibrées, avec des cellules de fortes capacités (supérieure à 40 Ah), il est préférable de déconnecter le circuit de surveillance qui tend à décharger la cellule. Lorsque la cellule n’est pas connectée, elle perd entre 5% et 10% de sa charge par an quand elle est neuve. Le chargeur de puissance représente un investissement conséquent. Par exemple, 4 chargeurs KINGPAN 12 V 80 A ou un chargeur 48 V 50 A coûtent 2500 euros. L’association e-Kart prête des chargeurs de puissance et lors du challenge, il est possible d’utiliser le chargeur de puissance des équipes présentes. Fig. 14. Exemple de la batterie au plomb OPTIMA JAUNE 12V 48Ah et du chargeur CTEK MXS 7.0 12V 7A [11]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 39 4. Progression du projet d’électrification d’un kart La progression présentée dans cette section s’appuie sur un exemple type. Les étapes peuvent être modifiées à souhait et de multiples possibilités s’offrent à chacun pour adapter le projet à son budget. L’accord négocié avec la société Kart Masters pour l’année 2017 prévoit la reprise du matériel avec une décote entre 30% et 40%, en fonction du matériel et de son état lors du retour. Une décote de reprise de 40% est appliquée ici dans les exemples chiffrés. 4.1. Année 1 : l’investissement minimal Les objectifs de cette première année sont : (1) Réaliser un kart électrique fonctionnel avant la fin de l’année scolaire. (2) Découvrir le domaine du kart électrique et acquérir les compétences spécifiques liées à ce projet (quelles soient techniques, économiques ou environnementales). (3) Impliquer au maximum les étudiants dans une démarche pédagogique motivante. (4) Respecter le budget initial. Le tableau 1 détaille le prix des principaux composants du projet avec une option visant à minimiser le coût et une solution offrant plus de performance. Il faut acquérir un châssis de kart sans moteur thermique, de préférence un kart de location qui sera plus robuste et qui possède généralement des bandes de protection périphérique. Pour le moteur, la solution la plus simple à mettre en œuvre est un moteur à courant continu qui pourra être alimenté de 0 V à 48 V. Le moteur de type ME0909 est le plus économique et généralement disponible sous quelques jours. Le modèle ME1004 est deux fois plus puissant et a la particularité de pouvoir être alimenté en direct sur les batteries pour des applications de type tondeuse car le couple de démarrage disparait rapidement au bout de quelques secondes. Le variateur ALLTRAX 4844 un quadrant est aussi très simple à mettre en œuvre. La plage de la tension d’alimentation s’étend de 24 V à 48 V. Le courant maximal dans le moteur est programmable de 0 A à 450 A. Afin de minimiser les coûts, la solution en 24 V avec 2 batteries de marque OPTIMA JAUNE 48Ah est retenue, avec 2 chargeurs CTEK 12 V 7 A. À ce stade de l’étude, il peut être judicieux de prévoir la fixation de 4 batteries pour le futur. Les chargeurs étant fournis avec des pinces de charge, il est possible de les raccorder directement aux batteries, même si elles sont installées sur le kart et reliées au variateur. L’option d’installer la prise de charge unitaire PK 63A 7 broches, avec les câbles de liaisons de 16 mm2 pour le socle, représente un surcoût de 261 € (cf. figure 15). Fig. 15. Socle et prise PK 63A 7 broches pour la charge unitaire de 1 à 4 batteries 12V [11]. Le kit de câblage comprend entre autre le capteur PB6 pour l’accélérateur, les câbles de puissances, les cosses de puissance à sertir, le fusible et l’arrêt d’urgence. L’interrupteur « Marche/arrêt » à clef 455, le coupe-circuit à fourchette et l’arrêt d’urgence forment la chaîne de sécurité pour la mise en marche du kart. Le kit de transmission mécanique comprend un support qui permet de fixer aisément les moteurs du constructeur « Motenergy » sur un châssis de kart par pincement des tubes. Un rapport de transmission typique est proposé : poulie de 22 dents du côté du moteur et une couronne de 75 dents du côté de l’arbre de roue. La longueur de la courroie de largeur 30mm devra elle aussi être adaptée à la configuration du châssis. La version minimale ne comporte que la poulie 22 dents et son « Taper Lock » en diamètre 7/8 pouces. Tab. 1. Fourchette de prix pour l’investissement initial en 24 V. Matériel Coût mini Coût maxi Châssis de kart 100 € 800 € Moteur CC ME0909 / ME1004 633 € 762 € Variateur ALLTRAX 4844 717 € 717 € 2 batteries OPTIMA 48Ah 547 € 547 € 2 chargeurs CTEK MXS 7.0 406 € 406 € Kit de câblage 542 € 542 € Prises PK63A + câbles 16mm2 0 € 261 € Kit transmission mécanique 66 € 410 € TOTAL TTC 3 021 € 4 455 € Le réglage du variateur se fait via une interface USB-RS232 et un logiciel gratuit disponible sur le site web de la société « Alltrac Inc. ». Après avoir adaptée la plage de tension de la batterie dans le variateur, il faut ajuster le courant dans le moteur à des valeurs raisonnables : le moteur ME0909 ne supporte 450 A que pendant seulement 30 s ! Avec une tension de 24 V, la vitesse de rotation du moteur ME0909 est d’environ 2 000 tr/min. La transmission de 22/75 donnera une vitesse maximale du kart de 30 km/h. 4.2. Année 2 : passage en 48V A ce stade du projet, le kart fonctionne et le premier objectif est atteint. Différentes études peuvent maintenant être menées : l’efficacité du freinage, l’impact de la modification de la transmission, le bilan de puissance Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 40 de la chaîne d’énergie « batterie-variateur-moteur », l’évolution de la température du moteur, la décharge de la batterie, la détermination du centre de gravité, etc. Les performances en termes d’accélération sont impressionnantes, mais la vitesse de pointe limite un peu le plaisir sur piste. Ceux qui ont opté pour un rapport de transmission de 32/65 pourront atteindre 50 km/h, mais l’accélération sera bien moindre (environ la moitié de ce que fournie la transmission avec un rapport de 22/75). Afin de profiter pleinement du moteur électrique (en doublant sa vitesse), il faut une alimentation en 48 V. Le variateur étant compatible, il faudra juste adapter les réglages pour la nouvelle tension. Le tableau 2 synthétise les coûts du matériel nécessaire au passage en 48 V. L’achat de chargeur rapide (colonne « Cout maxi ») implique un budget double par rapport à la solution économique (colonne « Cout mini »). Dans la version minimale, les 2 nouvelles batteries sont associées à 2 autres chargeurs CTEK MXS 7.0, mais la prise standardisée PK 63A est installée sur le kart. Elle permettra l’utilisation des chargeurs présents au Challenge e-Kart de Limoges. Il est possible également d’envisager une solution de charge plus rapide : 40 A ou 80 A en fonction du budget. L’avantage de conserver 4 chargeurs (un par batterie) est que les batteries seront rééquilibrées à chaque charge rapide de puissance. Dans tous les cas, les chargeurs disposent du mode « Floating » pour la charge d’entretien. Tab. 2. Fourchette de prix pour le passage en 48V. Matériel Coût mini Coût maxi 2 batteries OPTIMA 48Ah 547 € 547 € Cosses batteries 64 € 64 € 2 chargeurs CTEK MXS 7.0 406 € 0 € Avoir pour 2 chargeurs CTEK -244 € 4 chargeurs Kingpan 12V 40A 1 543 € (4 chargeurs Kingpan 12V 80A) (2 422 €) Prises PK63A + câbles 16mm2 261 € 261 € TOTAL TTC (avec l’option 80A) 1 278 € 2 577 € (3 456 €) Comme il est très facile de passer largement au-delà des réglages nominaux du moteur, il faudra impérativement surveiller l’élévation de la température du moteur. Avec un réglage à 48 V et 150 A, le kart dispose d’un couple à la roue de 50 Nm et une vitesse de pointe de 56 km/h. Le temps de recharge est de 15 min à 20 min pour 8 min-10 min de roulage (chargeur 40 A). Avec les chargeurs 80 A, le temps de charge est environ égal au temps de roulage. 4.3. Année 3 : la marche arrière Le variateur ALLTRAX ne permet pas la récupération d’énergie au freinage. En effet, c’est un hacheur série composé d’un transistor relié à la masse et une diode de roue libre reliée au « + » de la batterie (convertisseur 1 quadrant). Il n’existe pas sur le marché de variateur industriel 2 quadrants. Pour bénéficier du freinage, il faut utiliser le variateur « SEVCON Millipak » 4 quadrants. Le kart disposera alors de la marche arrière, ce qui est pratique pour les manœuvres et le stationnement dans les stands. L’inconvénient de ce variateur est qu’il nécessite une interface de programmation (« dongle ») aussi onéreuse que le variateur (cf. tableau 3). En accord avec la société SEVCON, le logiciel de paramétrage est gratuit pour les écoles membres de l’Association e- Kart. Le dongle de programmation est empruntable pour une courte durée auprès de l’Association e-Kart. L’échange du variateur 1Q ALLTRAX contre le variateur 4Q SEVCON n’est pas très onéreux (cf. tableau 3). Le kit de câblage supplémentaire indiqué dans le tableau 3 est composé d’un faisceau de câbles de commande avec une prise pour le branchement sur le variateur « SEVCON Millipak », d’un interrupteur « Avant / Neutre / Arrière » et d’un voyant de signalisation de l’état du variateur. Tab. 3. Fourchette de prix pour le passage en 4 quadrants. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir du variateur AXE 4844 -430 € -430 € Variateur SEVCON Millipak 4Q 639 € 639 € Dongle d’interface Millipak (en prêt) 645 € Kit câblage Millipak 4Q 95 € 95 € TOTAL TTC 304 € 949 € Le variateur « SEVCON Millipak 4Q » peut très bien fonctionner sous 24 V, 36 V ou 48 V. Il permet de limiter le courant du moteur jusqu’à 300 A. Il est entièrement paramétrable et dispose de sécurités logicielles de fonctionnement, comme le blocage du démarrage si l’accélérateur est actionné à la mise sous tension. La régénération de l’énergie est programmable et entrainera des questions sur la transmission mécanique. En effet, trop de freinage ajoute des contraintes supplémentaires sur la courroie. Le freinage électrique permet de diminuer la consommation lors du roulage et donc de diminuer le temps de recharge, mais provoque un échauffement supplémentaire du moteur. 4.4. Année 4 : passage en moteur synchrone La société « Motenergy » fabrique des moteurs synchrones basse tension « économique ». Ces moteurs sont tout à fait préconisés pour les véhicules électriques fonctionnant en basse tension. Afin d’obtenir suffisamment de puissance pour le kart, il est conseillé de les alimenter à partir de 36 V. Les 3 produits « phares » de la Boutique Kart Masters Shop sont : (1) Le moteur « ME0907 », 5 kW sous 48 V, 2 500 tr/min, à 689 €. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 41 (2) Le moteur « ME0913 », 12 kW sous 48 V, 3 600 tr/min, à 833 €. (3) Le moteur étanche « ME1304 », 20 kW sous 48 V, 4 000 tr/min, à 967 €. Ces moteurs nécessitent l’utilisation de variateurs triphasés basse tension fort courant. La société Kart Masters propose la gamme « GNE4 » du constructeur SEVCON en 24 V, 36 V, 48 V et 72 V pour des courants efficaces dans le moteur de 275 A, 350 A, 450 A, 550 A et 650 A, en fonction de la taille du variateur. La figure 16 présente les dimensions des 3 formats de variateurs de la gamme GEN4 utilisés pour les karts électriques. Fig. 16. Dimensions des variateurs SEVCON de la gamme GEN4 size 2 (en bas), size 4 (au milieu) et size 6 (en haut) [11]. Comme précédemment, le résumé du passage de la solution d’un moteur à courant continu vers un moteur synchrone est présenté dans le tableau 4. La version avec un moteur de 5 kW permet de minimiser le coût. Pour le moteur « ME0907 » de 5 kW, un variateur « size 2 » 48 V 275 A est suffisant, mais ce variateur est légèrement plus cher (874 € contre 810 €) que le modèle « size 4 » 48 V 450 A (car plus vendu) : c’est la solution proposée pour minimiser le coût. Les moteurs « ME0913 » et « ME1304 » s’accommoderont parfaitement d’un variateur « size 4 » 48 V 450 A, mais pour profiter de toute la puissance des moteurs, le modèle en « size 6 » 48 V 650 A pourra être utilisé. Les variateurs « SEVCON GEN4 » sont paramétrables via un bus CAN : il faut une interface spécifique « USB-to-CAN » et un nouveau logiciel (gratuit pour les écoles membres de l’Association e- Kart). Dans le kit de câblage pour variateur « GEN4 » est fourni le faisceau de câble de commande avec une prise 35 broches, du câble en 50 mm2 pour les liaisons moteur/variateur et un forfait de paramétrage et de test du variateur en usine. Tab. 4. Fourchette de prix pour le passage en moteur synchrone. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir mot. ME0909 / ME1004 -380 € -457 € Avoir du variateur Millipak 4Q -383 € -383 € Avoir dongle Millipak 4Q -0 € -387 € Moteur ME0907 / ME1304 689 € 967 € Variateur GEN4 4845 / 4865 837 € 1 197 € Interface « USB-to-CAN » (en prêt) 530 € Kit câblage GEN4 360 € 360 € TOTAL TTC 1 123 € 1 826 € Le variateur GEN4 est un peu plus difficile à mettre en œuvre : la problématique est transférée sur les aspects informatiques. Il faut pouvoir disposer d’un ordinateur (pas trop vieux), avec une liaison internet (assez rapide), installer le logiciel SEVCON DVT (et obtenir la licence) et installer le logiciel « Team Viewer » pour la prise en main à distance de l’ordinateur par le Service-Après-Vente afin de dépanner les problèmes. Par contre, les multiples possibilités de réglage et de configuration en font un vrai centre d’intérêts pour des exploitations pédagogiques. Comme le kart gagne en performance, une piste à explorer est la réduction de masse (du châssis et/ou des composants). Le passage en batterie au plomb d’une capacité de 38 Ah permettra de réduire la masse du kart (11,6 kg pour la batterie de 38 Ah contre 16,6 kg pour le modèle 48 Ah). L’accélération sera plus importante et la consommation électrique moindre [7]. 4.5. Année 5 : passage en 72 V L’action combinée du passage en batterie 38 Ah et de l’ajout de 2 batteries supplémentaires n’impacte la masse de batteries que de 3,2 kg (69,6 kg pour 6 x 38 Ah contre 66,4 kg pour 4 x 48Ah). L’augmentation de la tension d’alimentation permet aux moteurs électriques de développer plus de puissance grâce à une vitesse de rotation plus importante. Ceci permet également de réduire le courant dans la batterie pour une puissance donnée. Les moteurs « ME0913 » et « ME1304 » seront associés à un variateur « size 4 » (72 V 350 A 2,7 kg), ou le modèle en « size 6 » (72 V 550 A 4,6 kg). Le tableau 5 reprend des différentes modifications du projet précédent. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 42 Le câblage reste identique à la version 48 V. Il faut juste ajouter une prise de charge unitaire pour les 2 batteries supplémentaires (et leurs cosses) et 2 chargeurs de puissance (cf tableau 5). Tab. 5. Fourchette de prix pour le passage en 72 V. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir des 4 batteries 48Ah -656 € -656 € 6 batteries OPTIMA 38Ah 1 290 € 1 290 € 2 chargeurs 12V 40A / 80A 772 € 1 211 € Avoir var. GEN4 4845 / 4865 -502 € -718 € Variateur GEN4 8035 / 8055 837 € 1 197 € Kit câblage 72V 295 € 295 € TOTAL TTC 2 035 € 2 619 € Avec 20 kW (27 ch) ou 30 kW (40 ch) de puissance électrique, le niveau de performance atteint ici par un kart électrique est comparable à celui d’un kart thermique de compétition (125 cm³ sans boîte de vitesses d’une puissance de 15 ch à 35 ch) [23]. 4.6. Année 6 : les batteries Lithium Un avantage de la montée de la tension continue est la limitation du courant de la batterie à des valeurs de l’ordre de 200 A à 400 A. Cela convient bien aux batteries au Lithium : les pertes par effet Joule dans les câbles et dans la batterie en seront réduites de façon importante (car proportionnelles au carré du courant). Les cellules au Lithium permettront de réduire encore la masse de la batterie et d’augmenter l’autonomie du kart. Deux technologies sont disponibles sur la Boutique Kart Masters Shop : (1) Les cellules au Lithium « CALB CA » LiFePO4 « Low Density » (faible densité) 94 Wh/kg, prismatique. (2) Les cellules au Lithium polymère « LCO EPS » 156 Wh/kg, en poche. Afin d’avoir une masse de cellule Lithium inférieure à la masse des 6 batteries « OPTIMA » 38 Ah (qui est de 69,6 kg), 2 approches sont présentées dans le tableau 6 : (1) Le passage en 48 V avec 16 cellules « CALB » 100 Ah, pour une masse totale de 54,4 kg (5 956 €). (2) En 72V, avec 48 cellules « EPS » 43 Ah, 2 en série et 24 en parallèle (« 2P24S »), pour une masse de 49 kg et une capacité équivalente de 86 Ah. Le kit de cellules au Lithium comprend les éléments nécessaires à la mise en série (et en parallèle), un BMS et une télécommande pour superviser l’état de la batterie. L’offre de reprise en 48 V se base sur 4 batteries au plomb 12 V 48 Ah et 4 chargeurs 12 V 40 A. En 72 V, le calcul est effectué pour 6 batteries au plomb 12 V 38 Ah et 6 chargeurs 12 V 80 A. Tab. 6. Fourchette de prix pour le passage en Lithium. Matériel Coût en 48V LD Coût en 72V HD Avoir des 4 / 6 batteries 48Ah -656 € -774 € Batterie CALB 100Ah 48V LD 5 956 € Batterie EPS 86Ah 72V HD 11 922 € Avoir des 4 / 6 chargeurs 12V -926 € -2180 € Chargeur ZIVAN 48V 50A 1 361 € Chargeur ZIVAN 72V 85A 2 957 € TOTAL TTC 5 735 € 11 925 € Le passage en batterie au Lithium double le budget initial du kart électrique, mais permet d’optimiser la masse du véhicule et de passer de 200 kg-250 kg pour un kart au plomb à 110 kg-150 kg pour un kart au Lithium. De plus, l’autonomie est multipliée par 4 par rapport à la technologie plomb, pour atteindre environ 1 heure de roulage. Avec de telles performances, il faudra impérativement avoir un bon châssis de kart de compétition, avec de préférence des freins hydrauliques à l’avant (et à l’arrière). 5. Conclusion Dans la réalisation d’un projet d’électrification d’un véhicule, il est important que dès la première année le projet puisse aboutir, même avec des performances modestes. Le budget initial d’investissement étant relativement important, la hiérarchie qui finance sera sensible à cet argument et le véhicule pourra servir rapidement de support de communication lors des journées portes ouvertes et des différents salons pédagogiques de promotion de l’établissement. Avec le concours de l’Association e-Kart et à la société Kart Masters, il est possible de faire évoluer ce projet d’électrification sur plusieurs années, par l’échange et l’ajout de matériel plus performant (cf tableau 7). Le passage avec des batteries Lithium est possible mais double le budget du véhicule ! Autour de la réalisation du véhicule électrique, il est possible de proposer aux étudiants une multitude de projets, dans des domaines très variés [24][7]. Tab. 7. Bilan de l’évolution financière du kart électrique. Année Version mini Version haute 1) Investissement en DC 24 V 3 021 € 4 455 € 2) Passage en 48 V (1 quadrant) 1 278 € 3 396 € 3) Variateur 4 quadrants 304 € 949 € 4) Moteur synchrone en 48V 1 123 € 1 826 € 5) Moteur synchrone en 72V 2 035 € 2 619 € TOTAL TTC sur 5 années 7 761 € 13 305 € 6) Passage en batterie Lithium +5 735 € +11 925 € Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 43 6. Bibliographie [1] D. EYMARD, Le kart électrique : une application pédagogique, Revue Technologie, N° 120, mai-juin 2002, pp. 74-76. [2] P. LEBRUN, Conception et réalisation d’un véhicule électrique, Revue Technologie, N° 125, avril 2003, pp. 56-58. [3] P. LEBRUN, Conception et réalisation d’un véhicule électrique, Revue 3EI, N° 34, septembre 2003, pp. 16- 20. [4] M. CHAVES, L. PERRO, A. ROQUE, D. PRATA, J. MAIA, P. VERDELHO, J. ESTEVES, Control of an Electrical Kart With Two Independent Motors, EPE Proceedings, Septembre 1999. [5] J. Van MIERLO, J.-M. TIMMERMANS, P. LATAIRE, P. Van Den BOSSCHE, Project oriented education: Build your own electric go-kart, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2005, 9 pages. [6] T. LEQUEU, B. BIDOGGIA, A. SCHELLMANNS, Y. DERRIEN, N. GODEFROY, Exemples d’applications pédagogiques autour du kart électrique e-kart, CETSIS 2007, Bordeaux, 29-31 octobre 2007, 6 pages. [7] A. SIVERT, T. LEQUEU, Je construis mon véhicule électrique - Vélo, Kart, Moto, collection ETSF, Dunod, juillet 2013, 144 pages. [8] A. SIVERT, F. BETIN, T. LEQUEU, Réalisation d’un kart électrique performant : gestion de l’énergie embarquée et choix technologiques, CETSIS 2014, Besançon, 27-29 octobre 2014. [9] Le site web de l’Association e-Kart http://www.e- kart.fr/, consulté le 8 août 2016. [10] Le site web de la société Kart Masters http://www.kartmasters.fr/, consulté le 8 août 2016. [11] Le site web de la Boutique Kart Masters Shop http://www.kartmasters.fr/shop/, consulté le 8 août 2016. [12] J. MERDY, B. SOHIER, T. JORON, le site web AILEC (Aéro Innovation Loisir ÉleCtrique), http://www.ailec.fr/, consulté le 8 août 2016. [13] S. LELONG, le site web des pilotes d’ULM de type PULMA, http://appulma.org/, consulté le 8 août 2016. [14] B. ROBIN, Ride'n Touraine - Réalisation d'un treuil électrique pour la pratique du wakeboard, projet personnel, juillet 2013. [15] ElektorWheelie sur le site web de la revue Elektor, https://www.elektormagazine.fr/magazine/elektor- 200909/11389, consulté le 8 août 2016. [16] Le site web des engins électriques à l'IUT GEII de Cuffies-Soissons, http://aisne02geii.e-kart.fr/, consulté le 9 août 2016. [17] Le site web du challenge EducEco, http://www.educeco.net/, consulté le 9 août 2016. [18] Le site web du la moto électrique de Sébastien MAHUT, http://seb-moto.e-kart.fr/, consulté le 9 août 2016. [19] Le site web de l’association Kartelec, http://www.kartelec.com/, consulté le 9 août 2016. [20] T. LEQUEU, Exemple de câblage du circuit électrique d'un kart, https://e-kart.fr/documentation/trucs- astuces/279-exemple-de-cablage-du-circuit-electrique- d-un-kart.html, consulté le 11 août 2016. [21] Site web http://www.e-kart.fr/2017/, consulté le 10 août 2016. [22] Site web http://www.thierry-lequeu.fr/, consulté le 8 août 2016. [23] A. SIVERT, F. BETIN, J.-P. BECAR, T. LEQUEU, Do Electric Go-Karts Are Getting Better than Gas- Powered Ones?, EVER Monaco, 2012, 6 pages. [24] T. LEQUEU, Un support pédagogique pluritechnologique : le kart électrique, http://www.iutenligne.net, mise à jour du 21 janvier 2005.