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La chaîne énergétique est un maillon essentiel de notre véhicule électrique. En effet, elle fait le lien entre la batterie et le panneau solaire qui fournissent l’énergie, le moteur qui fait avancer le véhicule, la tablette qui donne la stratégie de course, les capteurs, le klaxon et les boutons de marche/arrêt et d’arrêt d’urgence.
L’équipe, composée de 3 élèves ingénieurs des Mines et de 3 BTS électrotechnique, est chargée de l’analyse des différents composants puis de la modélisation et de la réalisation du câblage de la voiture. Les élèves des Mines et de BTS ont travaillé en échangeant régulièrement et en se partageant les tâches d’étude, d’analyse et de réalisation de la partie énergie de ce projet.
Schéma fonctionnel
Schéma Global
Schéma Global
Schéma du cablage électrique
Batteries
Batteries
Nous avons deux batteries commandées à Déclic Eco en 2015 et 2019 : elles résultent de l’assemblage de 13 cellules et d’un BMS (Battery Management System). Nous présentons ici les caractéristiques techniques des deux batteries selon le type de cellule : NCR18650PD ou INR18650-25R ainsi que les caractéristiques du BMS intégré à chaque batterie (le même pour les deux). Enfin, nous testons les performances de la batterie 1.
1ère batterie
Caractéristiques d’une cellule :
ModelNCR18650PD
Nominal Voltage (V)3.6
Rated Capacity (mAh) at 20°C2680
Typical Capacity (mAh) at 20°C2730
Nominal Capacity (mAh)/Typ at 25°C2880
Standard Charge (CCCV)0.5lt 4.2V
Dimension - Diameter (mm)18.5
Dimension - Height (mm)65.3
Weight (g) (max)46.5
AC-IR (mOhm) Actual21
DC-IR (mOhm) Actual43
Caractéristiques d’une cellule :
ModelNCR18650PD
Nominal Voltage (V)3.6
Rated Capacity (mAh) at 20°C2680
Typical Capacity (mAh) at 20°C2730
Nominal Capacity (mAh)/Typ at 25°C2880
Standard Charge (CCCV)0.5lt 4.2V
Dimension - Diameter (mm)18.5
Dimension - Height (mm)65.3
Weight (g) (max)46.5
AC-IR (mOhm) Actual21
DC-IR (mOhm) Actual43
2ème batterie
ModelINR18650-25R
Nominal discharge capacity 2,500mAh
Charge1.25A, 4.20V,CCCV 100mA cut-off, Discharge: 0.2C, 2.5V discharge cut-off
Nominal voltage 3.6V
Standard charge CCCV, 1.25A, 4.20 ±0.05 V, 100mA cut-off
Rapid charge CCCV, 4A, 4.20 ±0.05 V, 100mA cut-off
Charging time Standard charge : 180min / 100mA cut-off Rapid charge: 60min (at 25°C) / 100mA cut-off
Max. continuous discharge 20A(at 25°C), 60% at 250 cycle
Discharge cut-off voltage End of discharge 2.5V
Cell weight 45.0g max
Cell dimension Height : 64.85 ±0.15mm Diameter : 18.33 ±0.07mm
Operating temperature (surface temperature) Charge : 0 to 50°C
(recommended recharge release < 45°C) Discharge: -20 to 75°C(recommended re-discharge release < 60°C)
Storage temperature (Recovery 90% after storage) 1.5 year 3 months 1 month-30~25°C(1*) -30~45°C(1*) -30~60°C(1*)
ModelINR18650-25R
Nominal discharge capacity 2,500mAh
Charge1.25A, 4.20V,CCCV 100mA cut-off, Discharge: 0.2C, 2.5V discharge cut-off
Nominal voltage 3.6V
Standard charge CCCV, 1.25A, 4.20 ±0.05 V, 100mA cut-off
Rapid charge CCCV, 4A, 4.20 ±0.05 V, 100mA cut-off
Charging time Standard charge : 180min / 100mA cut-off Rapid charge: 60min (at 25°C) / 100mA cut-off
Max. continuous discharge 20A(at 25°C), 60% at 250 cycle
Discharge cut-off voltage End of discharge 2.5V
Cell weight 45.0g max
Cell dimension Height : 64.85 ±0.15mm Diameter : 18.33 ±0.07mm
Operating temperature (surface temperature) Charge : 0 to 50°C
(recommended recharge release < 45°C) Discharge: -20 to 75°C(recommended re-discharge release < 60°C)
Storage temperature (Recovery 90% after storage) 1.5 year 3 months 1 month-30~25°C(1*) -30~45°C(1*) -30~60°C(1*)
Caractéristiques du BMS:
1. Electrical Characteristic (Ta = 25 ℃.)1.1 BatteryBattery Gas: LiCoxNiyMnzO2Battery Links: 13S1.2 Absolute Maximum RatingInput Charging Voltage: 54.6 ±1% VInput Charging Current : 6~8 AOutput Discharging Voltage : 32.5 ~54.6 VOutput Discharging Current: 10~ 25 AContinuous Output Discharging Current :≤15 A1.3 Ambient ConditionOperating Temperature :-10 ~65 ℃Humidity (No Water-Drop): 0% RH1.4 StorageTemperature: -40~ 85 ℃Humidity (No Water-Drop) :0% RH1.5 Protection Parameters (for Individual Cell).Over-Charge Voltage Protection (OVP): 4.25 ± 0.25VOver-Charge Voltage Protection Release (OVPR): 4.05 ±0.05 VOver-Discharge Voltage Protection (UVP) 2.5 ±0.10 VOver-Discharge Voltage Protection Release (UVPR) 3.00 ±0.10 VOver-Current Discharge Protection 0 Release: 25 SOver-Current Discharge Protection (OCDP) : 30~65 AOver-Current Protection Delay Time (OCPDT) : 2.5 mSOver-Current Discharge Protection Release : Remove the load and charging.Short circuit current protection delay time : 600 uSShort circuit protection Release: Cut off loadCharging Temperature : -20 ~65 ℃Charging Temperature Protection Release: -10 ~45 ℃Discharging Temperature: -20 ~65 ℃Discharging Temperature Protection Release: -10~ 45 ℃1.6 Cell balanceBleed Start Point : 4200 mVBleed Accuracy : 30 mVBleed Current : 70 mABalance Mode: Idle1.7 Current ConsumptionNormal Mode : 50uAUVP Mode: 80uA.
1. Electrical Characteristic (Ta = 25 ℃.)1.1 BatteryBattery Gas: LiCoxNiyMnzO2Battery Links: 13S1.2 Absolute Maximum RatingInput Charging Voltage: 54.6 ±1% VInput Charging Current : 6~8 AOutput Discharging Voltage : 32.5 ~54.6 VOutput Discharging Current: 10~ 25 AContinuous Output Discharging Current :≤15 A1.3 Ambient ConditionOperating Temperature :-10 ~65 ℃Humidity (No Water-Drop): 0% RH1.4 StorageTemperature: -40~ 85 ℃Humidity (No Water-Drop) :0% RH1.5 Protection Parameters (for Individual Cell).Over-Charge Voltage Protection (OVP): 4.25 ± 0.25VOver-Charge Voltage Protection Release (OVPR): 4.05 ±0.05 VOver-Discharge Voltage Protection (UVP) 2.5 ±0.10 VOver-Discharge Voltage Protection Release (UVPR) 3.00 ±0.10 VOver-Current Discharge Protection 0 Release: 25 SOver-Current Discharge Protection (OCDP) : 30~65 AOver-Current Protection Delay Time (OCPDT) : 2.5 mSOver-Current Discharge Protection Release : Remove the load and charging.Short circuit current protection delay time : 600 uSShort circuit protection Release: Cut off loadCharging Temperature : -20 ~65 ℃Charging Temperature Protection Release: -10 ~45 ℃Discharging Temperature: -20 ~65 ℃Discharging Temperature Protection Release: -10~ 45 ℃1.6 Cell balanceBleed Start Point : 4200 mVBleed Accuracy : 30 mVBleed Current : 70 mABalance Mode: Idle1.7 Current ConsumptionNormal Mode : 50uAUVP Mode: 80uA.
Panneau Solaire
Panneau Solaire
Notre panneau solaire est un modèle mobile. Sa fonction est de fournir un apport énergétique externe par captation et transformation de l’énergie solaire en courant électrique. Il fournit un courant continue qui va dans le MPPT (convertisseur solaire). Ce convertisseur solaire change l’énergie produite pour avoir une tension adaptée à la batterie. Ensuite, cette tension est redistribuée dans les moteurs.
Caractéristiques fournisseur :
Matières : polycarbonate et pvc inaltérableDimensions : 537mm x 390mm x 2.5mmPuissance maximale : Pmax = 30WcTension nominale (au point de puissance maximale) : Vmp = 17.6VTension circuit ouvert : Voc = 21.2VCourant nominal : Imp = 1.70ACourant de court-‐circuit : Isc = 1.83ATolérance + ou - : 5%Efficacité des cellules : 19.8%
Ces valeurs sont effectuées en conditions standard de test solaire (STC):Rayonnement = 1000 W/m2,Coefficient = AM=1.5G,Température: 25°C Rendement: η = 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑆∗𝐺=14,3%
Matières : polycarbonate et pvc inaltérableDimensions : 537mm x 390mm x 2.5mmPuissance maximale : Pmax = 30WcTension nominale (au point de puissance maximale) : Vmp = 17.6VTension circuit ouvert : Voc = 21.2VCourant nominal : Imp = 1.70ACourant de court-‐circuit : Isc = 1.83ATolérance + ou - : 5%Efficacité des cellules : 19.8%
Ces valeurs sont effectuées en conditions standard de test solaire (STC):Rayonnement = 1000 W/m2,Coefficient = AM=1.5G,Température: 25°C Rendement: η = 𝑃𝑚𝑎𝑥𝑆∗𝐺=14,3%
MPPT
MPPT
Un convertisseur MPPT (Maximum Power Point Tracking) permet de convertir la tension de sortie du panneau (12V) en une tension de 48V, tension de la batterie (fonction convertisseur) tout en cherchant à fonctionner au point de puissance maximale (fonction MPPT).
Modèle :Solar Converters CV 12/48-‐1PV :
Caractéristiques :Dimensions : 76,2*50,8*38,1 mmTension d’entrée : 0-‐24 VTension de sortie : 56 VCourant de sortie : 1ARendement : 92-‐96% (dépend de la charge)Pertes hors fonctionnement:Du côté du panneau solaire : 15 mA*17,6 V = 0,264 WDu côté de la batterie : 15 micro-‐A*58,4 V =876 mWPrix : 273 €
Caractéristiques :Dimensions : 76,2*50,8*38,1 mmTension d’entrée : 0-‐24 VTension de sortie : 56 VCourant de sortie : 1ARendement : 92-‐96% (dépend de la charge)Pertes hors fonctionnement:Du côté du panneau solaire : 15 mA*17,6 V = 0,264 WDu côté de la batterie : 15 micro-‐A*58,4 V =876 mWPrix : 273 €
Moteur
Moteur
Hacheur et Variateur
Hacheur et Variateur
Le hacheur permet d’abaisser la vitesse du moteur à la commande du pilote.
C’est un hacheur abaisseur de tension. Il possède un seul quadrant de commande, vitesse et couple positifs.
Un asservissement de courant, réalisé par un microcontrôleur, permet d’effectuer une commande en couple du moteur. La poignée de commande permet de fournir une consigne de courant, donc une consigne de couple. La correction de type intégrale a une constante de temps réglable. Une sonde de courant à effet Hall est utilisée pour la mesure.
Tension max : 100VIntensité : 15A mais limité à 12A par la boucle de régulation de courant (current control loop)Puissance max : 750W
Système d'arrêt d'urgence
Système d'arrêt d'urgence
Au sein de la batterie, nous avons tout d’abord le BMS présenté au paragraphe 4. Nous avons aussi un fusible coupant à 20A en sortie de batterie.
Nous avons deux protections au sein du variateur, le short circuit protection (protection court-circuit) et le limited current using current control loop (courant limité utilisant la boucle de commande de courant).
Nous avons mis d’autres fusibles coupant à 20A en sortie du panneau solaire et après le convertisseur sur le klaxon.
Nous avons aussi placé des interrupteurs. Ils peuvent couper jusqu’à 20/25A. Un est présent à l’intérieur pour alimenter le véhicule et l’autre à l’extérieur pour couper l’alimentation en cas d’urgence.
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