Energie dans supercondensateur/batteries

[invite527c3c2a]

Bonsoir, dans le cadre de travaux scolaires (TIPE pour la prépa scientifique) j'ai choisi de traiter le sujet d'un bus "propre" qui lorsqu'il décélére avant d'arriver en station engrange de l'énergie dans des super condensateurs et batterie, énergie qui est ensuite utilisée quand le bus accélère après la station ou quand il maintient une vitesse consante [il y a également apport d'énergie supplémentaire extérieure lors de la phase d'arrêt, mais là n'est pas la question ]

Je voudrais faire un circuit réduit, qui rendrait un peu compte de ce qu'il se passe. Mais je suis vraiment nulle en travaux pratiques et je ne sais pas quoi mettre dans le circuit. Le thème étant "mobilité et mouvement" j'aimerais bien qu'on voit, avec mon expérience, un lien avec des vitesses (mais quelles vitesses? Peut-être faire un modèle réduit mobile, il faudrait alors un moteur? Mais il ne faut pas que je fasse quelque chose de compliqué)
Le circuit comporterait déjà des supercondensateurs classiques (entre 1F-10F, 2,5V-5,5 V) et accumulateurs (types piles rechargeables du commerce 1,2V 1500-2000MAh). mais je ne sais pas quoi mettre d'autre pour que ça ait un "sens" et que ça corresponde à mon sujet !

Pourriez-vous m'aider?
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[invite65c8a3eb]

Bonjour,

Pour ne pas avoir à faire un modèle réduit complet, tu peux réduire au principe élémentaire : une roue sur un moteur, reliée à un montage à base de super-capa.

Dans un premier temps, tu tournes la roue à la main, ce qui entraine le moteur, donc utilisé comme une génératrice (dynamo) pour charger la super-capa. Puis dans un second temps tu laisses la super-capa se décharger dans le moteur. Je ne vois pas l'intérêt de faire plus compliqué.

Pour le montage, deux solutions :

1) prendre une lampe du commerce à manivelle (voir magasins spécialisés dans la découverte de la nature) en vérifiant (sur le Net, plutôt qu'auprès du vendeur..) que le modèle est bien à super-capa. La démonter et mettre un moteur à la place de la lampe pour vérifier la puissance. Puis mettre un moteur à la place de la manivelle.

2) refaire un montage à base de super-capa. J'ai fait un article dessus : http://www.pobot.org/Les-super-capas.html

Essaie de trouver des entreprises qui travaillent avec des super-capa et échange avec elles pour en apprendre plus et étoffer ton TIPE.

[invite527c3c2a]

Bonjour Luj,

Merci de ta réponse!
Ca me semble être en effet une bonne idée, pas compliquée à mettre en oeuvre.
Est ce qu'il y a moyen de mesurer la vitesse que je donne à la roue? (peut-être en utilisant un tachymétre ?)

[invite65c8a3eb]

Oui, le plus simple est d'utiliser un tachymètre externe (je te conseille celui de Ikalogic).

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite527c3c2a]

D'accord, je vais voir ça.
Je re posterai sans doute si j'ai du mal (probable), en espérant que tu passeras par là! merci

[morpheus87]

bonjour,

pour ton sujet, une question essentielle :

quelle energie il te faut au démarrage?

Je pense que les supercondos seul ne suffisent pas,

(sucession demarrage/arret...)

il faudrait deja utiliser les batteries.

Les supercondos sont utiles si:

leurs "contenances" sont suffisantes pour ton fonctionnement
le fonctionnement en question nécessite un fort appel de courant (les batteries n'aime pas trop en général).

[invite527c3c2a]

Morpheus,
Le truc c'est que je ne sais justement pas quelle puissance j'ai besoin exactement..
J'ai trouvé l'idée de Luj bonne, et je pense donc faire un circuit simple avec roue, moteurs et super condo mais je me doute bien qu'il faut d'autres composants, et qu'il faut que les composants soient adaptés entre eux pour que ça marche...
à votre avis que dois-je ajouter?

[PA5CAL]

Bonsoir

Durant la phase d'accélération, la tension aux bornes des supercondensateurs chute au fur et à mesure qu'ils se déchargent, tandis que la tension à vide des moteurs à courant continu augmente au fur et à qu'ils prennent de la vitesse.

Durant la phase de freinage avec récupération d'énergie, c'est l'inverse qui se produit.

En conséquence, il faudra utiliser un convertisseur réversible entre les supercondensateurs et les moteurs, de sorte qu'on contrôle le courant (et la puissance de freinage/accélération) et qu'on s'affranchisse de la différence (variable) de tension.

[invite527c3c2a]

Bonsoir Pascal, merci de ta réponse.
Pourquoi l'utilisation d'un tel convertisseur est-elle nécessaire?

D'autre part, si je réalise un tel montage, les super condensateurs se chargeront quelque soit la vitesse de la roue.. est-ce qu'il y a un moyen de charger les super condensateurs uniquement lorsque la roue freine? (je ferais alors tourner la roue à la main, puis exercerais une force qui ferait décélérer la roue et alors charger les super condensateurs?)

[PA5CAL]

En dehors du système de freinage d'appoint (frein mécanique), c'est la charge des supercondensateurs qui provoque la décélération. Et en dehors de l'alimentation d'appoint (batterie), c'est leur décharge qui provoque l'accélération.


Le convertisseur réversible permet de contrôler les transferts d'énergie entre les supercondensateurs et les moteurs.

Sans lui, il ne serait pas possible de choisir entre l'accélération, la marche sur l'erre et le freinage, ni de limiter le courant au démarrage et en début de freinage, ni de continuer la décharge en fin d'accélération et la recharge en fin de freinage.

Il sert donc précisément à contrôler la marche du véhicule en autorisant la charge et la décharge des supercondensateurs telles que souhaitées, et quelle que soit la vitesse des roues.

Il est donc absolument nécessaire au fonctionnement.

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[invite527c3c2a]

D'accord, je n'avais pas pensé à cet aspect là.
Mais est-ce un montage qui est compliqué à réaliser? Parce qu'en ai parlé à mon prof de physique aujourd'hui qui n'a pas trop compris comment procéder...

Je ne vois pas vraiment comment je pourrais le faire fonctionner, quels condensateurs pour quel moteur par exemple.. A priori le montage me semblait facile - ou du moins pas trop difficile- mais..

[PA5CAL]

Quelle que soit la solution retenue (parce qu'elle n'est pas unique), le circuit n'est malheureusement pas simple, et je pense que sa réalisation et sa mise au point ne sont pas vraiment à la portée d'un débutant. Il faut avoir un peu d'expérience et une connaissance suffisante des hacheurs avant de se lancer dans un tel projet.

Je pense que pour te rendre compte de la difficulté, tu devrais commencer par étudier, d'un point de vue théorique, comment devraient évoluer les courants et les tensions au niveau des supercondensateurs et des moteurs lors d'un cycle démarrage/roulage/freinage du véhicule, en considérant les limitations physiques (confort des passagers, limites mécaniques et électriques du matériel) et le but à atteindre (rendement optimum). Au vu de ces résultats, tu pourras déterminer le fonctionnement requis pour le convertisseur, et chercher parmi les montages que tu connais ceux qui permettraient de le réaliser.

[invite527c3c2a]

Il est vrai que je débute sur les hacheurs (et la conversion de puissance en général) mais bon, je peux bien essayer!

Je peux faire un montage "hacheur réversible en courant" (cf) schéma
Où est-ce que je brancherais les super condensateurs, et les éventuels autres composants? (Faut-il des résistances? On pourra mettre aussi une bobine de lissage avec la MCC mais c'est peut-être surcharger le montage inutilement?)

Je ne sais pas trop par où commencer dans cette étude! je sais que je dois faire les calculs qui m'indiqueraient quelles puissances sont mises en jeu, donc quels composant j'ai besoin, mais je n'ai pas encore de montage correct à proposer.. d'où mon appel à l'aide!

[PA5CAL]

Les supercondensateurs constituent la source d'énergie durant la phase d'accélération et la charge durant la phase de freinage.

Dans le schéma, ils doivent donc se trouver à gauche, à la place du générateur de tension V.

Toutefois, ce qui figure sur le schéma ne convient pas. Un tel hacheur ne peut fonctionner de la manière voulue que lorsque la tension aux bornes du moteur est inférieure à celle de la source d'énergie. Il n'est donc pas utilisable en fin de phase de décharge/d'accélération ni en début de phase de charge/de freinage.

Un tel hacheur peut cependant être utilisé pour l'alimentation du moteur depuis une batterie. Et d'ailleurs il en faudra un pour l'alimentation d'appoint servant à compenser les pertes d'énergie du véhicule.

[PA5CAL]

Pour te donner une idée de ce à quoi peut ressembler le système que tu sembles rechercher, voici le schéma de principe d'un hacheur combinant la décharge et la recharge d'un supercondensateur et l'alimentation d'appoint par une batterie.

Je joins également les schémas représentant les composants impliqués dans les différentes phases de fonctionnement.

[PA5CAL]

Durant la phase d'accélération :
• Au début de la décharge, tant que V_C1>V_M, le supercondensateur C1 se décharge dans le moteur M au travers du convertisseur Buck constitué de T41, D4 et L1. D1 assure la liaison avec le moteur.
• À la fin de la décharge, lorsque V_C1<V_M, et le supercondensateur C1 se décharge dans le moteur M au travers du convertisseur Boost constitué de L1, T1 et D1. T41 assure la liaison avec le supercondensateur.
• Lorsqu'on atteint V_C1=0, l'accélération peut continuer en alimentant le moteur M1 avec la batterie Bat au travers du même convertisseur Boost constitué de L1, T1 et D1. T42 assure la liaison avec la batterie.

Durant la phase de décélération/freinage :
• Au début de la recharge, tant que V_C1<V_M, le moteur M fonctionnant en génératrice alimente le supercondensateur C1 au travers du convertisseur Buck constitué de T2, D2 et L1. D31 et T43 assurent la liaison avec le supercondensateur.
• À la fin de la recharge, lorsque V_C1>V_M, le moteur M alimente le supercondensateur C1 au travers du convertisseur Boost constitué de L1, T3 et D31. T2 assure la liaison avec le moteur, et T43 assure la liaison avec le supercondensateur.
• Si l'on atteint V_C1=V_Bat, le freinage peut continuer en rechargeant la batterie Bat avec le moteur M1 au travers du même convertisseur Boost constitué de L1, T3 et D32. T2 assure la liaison avec le moteur.

[PA5CAL]

Oups... Je m'aperçois que je n'ai pas grisé les bons composants dans la troisième figure du dernier schéma. Voici le rectificatif.

Bien entendu, il ne s'agit que d'un schéma de principe. Le schéma final tenant compte des impératifs de sécurité et d'optimisation peut s'avérer beaucoup plus complexe.

[PA5CAL]

On peut envisager d'autres solutions bâties sur d'autres types de hacheurs.

En voici une par exemple où le convertisseur entre le supercondensateur et le moteur est de type Buck-Boost pour les deux sens de fonctionnement.

[DomiM]

Finalement même porche préfére encore le bon vieux volants d'inertie

Sous un robe agressive, avec un gris élégant mâtiné de bandeaux orange, cette supercar destinée à la compétition est motorisée par un V8 à injection directe de 563 ch, assisté par deux moteurs électriques de 75 kW chacun. Soit, une puissance totale de 767 ch. La 918 RSR embarque également à la place du passager un volant à inertie qui récupère l’énergie au freinage et permet d’apporter un surplus de puissance pour les dépassements.

[Ouk A Passi]

Bonjour,

La 918 RSR embarque également à la place du passager un volant à inertie

C'est décevant!
Tu ne peux même plus épater ta passagère qui est remplacée par un volant d'inertie.

Où allons-nous

[invite527c3c2a]

Merci Pascal, ton aide m'est bien précieuse.
J'ai regardé les différents schéma électriques que tu m'as envoyés, et j'aurais quelques questions préliminaires

- est-ce toi qui les as fait ou bien est-ce des montages "types"? Comment sais-tu quels composants mettre? Comment les relier entre eux? J'aimerais essayer de comprendre, plutôt que de choisir un montage qui, pour moi et mon modeste niveau, sortirait du chapeau
- Peut-on utiliser n'importe quel type de composant remplissant la fonction transistor dans le circuit? Y a t-il des composants qui seraient préférables? (ici c'est NPN et PNP non?)
- Est-ce que la batterie est nécessaire? On ne pourrait pas penser un montage avec les interrupteurs, et puis seulement le moteur, le super condensateur? (la bobine étant là pout "lisser" le courant entrant dans le moteur)

[PA5CAL]

- est-ce toi qui les as fait ou bien est-ce des montages "types"?

Les deux. Mais comme je l'ai indiqué, ce ne sont que de schémas de principe.

Il s'agit de la combinaison de montages-type (Boost, Buck, Buck-Boost, Flyback) permettant dans une certaine mesure de réduire le nombre de composants, le volume, le poids et le coût (notamment en ce qui concerne la bobine).

J'ai déjà réalisé de tels montages, mais dans la pratique leur schéma est beaucoup plus fourni, et leur fabrication requiert un savoir-faire dont les détails qui ne figurent pas dessus (CEM, réduction des impédances parasites, etc.).


Toutefois, je n'ai donné ces schémas pour pour apporter quelques idées.

La bonne démarche passe d'abord par la détermination du besoin, puis une conception fonctionnelle qui y réponde. À partir de ce moment seulement, il devient possible de choisir le montage qui convient, et de choisir et dimensionner les composants nécessaires.

Comment sais-tu quels composants mettre?

Cela dépend des fonctions et des caractéristiques à réaliser, et des performances qu'on veut atteindre. Les constructeurs proposent des catalogues des composants qu'ils vendent, et donnent leurs caractéristiques dans des datasheets qui sont maintenant disponibles sur Internet.

Comment les relier entre eux?

(...pas bien compris...) Les composants sont généralement soudés sur un circuit imprimé. Les plus volumineux d'entre eux peuvent être fixés ailleurs dans le boîtier de l'appareil et reliés au circuit imprimé par des fils.

- Peut-on utiliser n'importe quel type de composant remplissant la fonction transistor dans le circuit? Y a t-il des composants qui seraient préférables? (ici c'est NPN et PNP non?)

Ce n'est qu'un schéma de principe. Ici j'ai représenté des transistors MOSFET à canal N et à canal P, qui présentent des propriétés souvent bien meilleures que les transistors bipolaires NPN et PNP. Mais ce n'est pas une obligation.

Les composants préférables, ce sont ceux qui répondent le mieux au besoin en créant le moins de problème au concepteur et au fabriquant (solutions aux problèmes induits par leur choix, coût de fabrication, réglages, maintenance). Il suffit par exemple de te demander comment réaliser la commande des transistors pour comprendre de quoi je parle.

- Est-ce que la batterie est nécessaire? On ne pourrait pas penser un montage avec les interrupteurs, et puis seulement le moteur, le super condensateur? (la bobine étant là pout "lisser" le courant entrant dans le moteur)

Il faut bien une source d'énergie pour faire tourner le moteur.

Le supercondensateur n'est là que pour récupérer une partie de l'énergie libérée au freinage et la rendre au démarrage suivant. Mais le système doit bien recevoir de l'énergie pour fonctionner lors de son premier démarrage, et pour compenser toutes les pertes d'énergie qu'il doit normalement endurer (frottements mécaniques, pertes électriques, résistance aérodynamique).

Si tu ne prévois pas une autre source d'énergie, alors oui, la batterie est absolument nécessaire.

[PA5CAL]

Maintenant, ton besoin est particulier.

En effet, il ne s'agit pas de fabriquer un vrai bus à propulsion électrique (ce qui est assez compliqué, même pour des ingénieurs confirmés), mais un montage de démonstration pour mettre en évidence certains principes techniques.

Tu pourrais donc par exemple te contenter de mettre un volant d'inertie sur un petit moteur à courant continu, et te passer de batterie en lançant le volant à la main avant d'entreprendre un freinage avec récupération d'énergie puis un redémarrage utilisant l'énergie récupérée.

Dans ce cas, un convertisseur réversible à 4 transistors est tout-à-fait envisageable. Et l'usage du montage autorise à s'en tenir à des circuits et à des composants de petite puissance.

Ça simplifie beaucoup les choses, mais ça reste encore un sujet assez compliqué.

Par exemple, pour que le démonstrateur soit un tant soit peu « démonstratif », tu auras tout intérêt à soigner particulièrement tous les aspect qui privilégient un bon rendement électrique et mécanique, au niveau du convertisseur comme au niveau du moteur. La commande du convertisseur n'est pas non plus une mince affaire.

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[PA5CAL]

Ajouter une batterie compliquerait les choses, mais cela permettrait de faire un démonstrateur plus complet, en le rendant totalement autonome (le moteur serait lancé électriquement, et non pas à la main), en autorisant des vitesses de rotation plus élevées, et en réglant des problèmes annexes comme l'alimentation des circuits de commande du convertisseur.

[invite527c3c2a]

Non, mon but n'est pas de construire un bus mais plutôt de, à partir de l'existence d'un bus qui fonctionne grace à la charge et décharge de super condensateurs, proposer un circuit réduit qui rendrait compte dans la mesure du possible du fonctionnement d'un tel bus.

Dans ce cas, il me semble que faire tourner une roue reliée à un moteur, ce qui alimenterait le circuit ; puis utiliser le fonctionnement en génératrice du moteur (en exerçant au préalable une force sur la roue pour amorcer son freinage? Ou si il y a un autre moyen plus simple..) qui fournirait de l'énergie électrique au circuit, énergie emmagasinée dans les super condensateurs; et enfin faire de décharger les super condensateurs dans le circuit pour entrainer le moteur (fonctionnement moteur) me semble une idée bien adaptée au problème.
Seulement je ne sais pas si elle est bien réalisable.

Est ce que, pour une telle expérience, un montage hacheur à 2 quadrants comme celui que j'avais posté suffirait? Ou bien doit-on peut-être utiliser un montage 4 quadrants?
Et dans ce cas où placer le super condensateur?

Il me semble alors qu'il est plus simple de proposer un modèle où le lancement du moteur est électrique, comme tu l'as dit, car si le lancement est manuel, cela me semble plus compliqué à mettre en oeuvre.

[Kissagogo27]

bjr, e que tu peux faire c'est une démultiplication avec un volant d'inertie qui remplacera ta roue ...

t'aura une resistance au démarrage simulant le démarrage du bus , et au freinage le volant d'inertie entrainera le moteur .. .

[PA5CAL]

utiliser le fonctionnement en génératrice du moteur (en exerçant au préalable une force sur la roue pour amorcer son freinage? Ou si il y a un autre moyen plus simple..)

C'est le convertisseur qui contrôle les transferts d'énergie. La commande de freinage doit donc être électrique.

Pour commencer le freinage, il ne faut pas exercer une force sur la roue, mais enclencher un interrupteur ou tourner un potentiomètre.

Est ce que, pour une telle expérience, un montage hacheur à 2 quadrants comme celui que j'avais posté suffirait?

Comme je l'ai déjà indiqué, ce type de hacheur ne convient pas. J'ai aussi dit pourquoi.

Et dans ce cas où placer le super condensateur?

C'est le condensateur C1 qui figure sur les schémas que j'ai donnés.

[PA5CAL]

bjr, e que tu peux faire c'est une démultiplication avec un volant d'inertie qui remplacera ta roue ...

t'aura une resistance au démarrage simulant le démarrage du bus , et au freinage le volant d'inertie entrainera le moteur .. .

Le problème de la démultiplication mécanique, c'est qu'elle introduit une baisse de rendement supplémentaire qui pourrait être très dommageable pour l'aspect démonstratif de l'appareil.

Le rendement du moteur et du hacheur introduisent des pertes qui sont déjà préoccupantes, alors il faudrait autant que faire ce peut éviter d'aggraver la situation.

En effet, comme il s'agit d'un modèle réduit, il faut s'attendre à des rendements sont beaucoup plus mauvais que dans un véhicule électrique réel.

Par exemple, si l'on pouvait espérer un rendement de 70% pour le moteur et de 85% pour le convertisseur (ce qui correspond à une conception somme toute assez soignée), alors on doit s'attendre à une perte de plus de 65% de l'énergie initiale après un cycle freinage/démarrage, ce qui correspond à une diminution de plus de 40% de la vitesse de la roue.


Pour réduire la vitesse, je pense qu'il serait préférable de commencer si possible par jouer sur le nombre de pôles du moteur.

[invite527c3c2a]

Comme je l'ai déjà indiqué, ce type de hacheur ne convient pas. J'ai aussi dit pourquoi.

Effectivement, mais tu as ensuite dit ceci

Maintenant, ton besoin est particulier.
Dans ce cas, un convertisseur réversible à 4 transistors est tout-à-fait envisageable. Et l'usage du montage autorise à s'en tenir à des circuits et à des composants de petite puissance.

De plus le montage hacheur 2 quadrants est proposé dans l'un de mes bouquins de physique comme montage approprié à une récupération d'énergie après freinage, sans toutefois plus d'explications. C'est pour cela que j'étais partie sur cette type de montage au départ, 4 interrupteurs 1 MCC et 1 super condensateur, cela me semblait raisonnable. Et je me questionnais donc sur le positionnement du super condensateur dans ce montage, et non dont les montages que tu m'avais envoyés, qui me semblent plus compliqués à mettre en oeuvre.