Charge de batteries pour l'équipe Rensselaer Formula Hybrid

Application

L'équipe Rensselaer Formula Hybrid est une équipe d'ingénierie dirigée par des étudiants, opérant au sein du Rensselaer Polytechnic Institute et sponsorisée par celui-ci. Participant chaque année à la compétition internationale universitaire Formula Hybrid, RPI Formula Hybrid cherche à concevoir, construire et faire courir des voitures de course hybrides haute performance. Contrairement à de nombreux véhicules hybrides disponibles dans le commerce sur les routes aujourd'hui, la conception de notre véhicule utilise un moteur électrique haute tension en parallèle avec un moteur à combustion interne conventionnel afin de maximiser les performances dynamiques du véhicule dans un environnement de course. Bien que notre véhicule hybride ressemble en apparence à une voiture Formula SAE, il nécessite une conception supplémentaire considérable au niveau de la transmission, de la batterie et des systèmes de sécurité. Le défi d'intégrer des systèmes mécaniques, électriques et informatiques complexes est ce qui attire la plupart de nos membres dans l'équipe. Nous croyons que des défis d'ingénierie comme celui-ci sont l'un des meilleurs moyens pour les jeunes ingénieurs, chefs de projet et disciplines connexes de se préparer à la nature interdisciplinaire des projets du monde réel.

Les itérations récentes de notre véhicule présentent de nombreux points communs. Le véhicule utilise un châssis en acier creux en alliage chromoly 4130, conçu et soudé en interne. Un système de suspension indépendante à double triangles est étroitement intégré au châssis. Des liaisons mécaniques composées de renvois, de biellettes de traction et d'amortisseurs nous permettent de contrôler précisément le profil du débattement de suspension. Un moteur de Kawasaki Ninja 250r et un moteur électrique à courant continu à balais AGNI 95r sont connectés en parallèle par des chaînes aux pignons du différentiel arrière. La minimisation du poids et les considérations relatives au centre de gravité sont essentielles pour réduire les effets négatifs sur les performances du véhicule. Dans cet esprit, l'intégration réfléchie du système de batteries haute tension (ou accumulateur électrique) devient un élément crucial de la conception globale du véhicule. Notre accumulateur est situé sous la cloison pare-feu du cockpit, au point le plus bas et le plus central de la voiture. Composé de 440 cellules lithium-ion 18650 à haute décharge et surveillé par un ordinateur de gestion d'accumulateur conçu par l'équipe, l'accumulateur représente véritablement l'un des systèmes les plus complexes de la voiture. Depuis l'accumulateur, un conduit de câblage haute intensité mène à un contrôleur de moteur monté à l'arrière qui alimente directement le moteur électrique. Surveillant des capteurs situés à divers endroits de la voiture, un automate programmable implémente la logique de contrôle de haut niveau pour les fonctions de la voiture.

Nous avons besoin de plus de puissance !

Bien que l'équipe utilise un pack de batteries conçu sur mesure, notre solution de charge passée était composée d'un assortiment de produits disponibles dans le commerce. Cette solution de charge était loin d'être optimale. L'ancien chargeur était constitué de deux alimentations DC à tension fixe connectées en série pour atteindre 80 Vdc. Comme chaque alimentation délivrait toujours 40 Vdc, nous n'avions aucun bon moyen de contrôler le courant ou la tension de charge. Nous devions également mettre en place un système compliqué de commutation lorsque les alimentations chargeaient les batteries afin de respecter la réglementation. Pour surveiller l'état de charge des batteries, nous utilisions des multimètres portables pour suivre la tension et le courant. Cela nous permettait d'estimer approximativement le moment d'arrêter la charge, car il n'y avait aucun retour d'information de l'accumulateur vers le chargeur. Les alimentations n'étaient pas non plus montables en rack, nous avons donc dû construire un boîtier sur mesure pour faciliter le transport vers les compétitions. Malgré ses défauts, ce système a été satisfaisant pendant plusieurs années. Cela a changé lors de la compétition de 2013, quand une alimentation a explosé en raison d'un problème indéterminé. Cet incident nous a lancés dans la recherche d'une nouvelle alimentation répondant mieux aux besoins de notre application. Nous voulions quelque chose de facilement transportable et montable. Il fallait également qu'elle soit facile à interfacer et simple à intégrer dans notre système existant.

La nouvelle génération

Heureusement, Magna-Power Electronics est venue à la rescousse avec le don d'une alimentation programmable SL Series. La SL Series était exactement ce que nous recherchions. L'unité de 1.5 kW prend en charge l'entrée universelle, ce qui nous permet de faire fonctionner notre chargeur sur le circuit ou à l'atelier sans avoir à nous soucier de trouver du 220 Vac. De plus, nous trouvons très intuitif de l'interfacer avec un automate programmable standard du commerce. Cela nous permet d'utiliser des profils de charge plus complexes (voir l'exemple en figure 1), car les cellules lithium-ion nécessitent des courbes de charge spéciales pour faciliter une charge sûre. Ce n'était pas possible avec l'ancien chargeur, car nous n'avions aucun contrôle sur le courant ou la tension délivrés par les alimentations. Avec la nouvelle configuration, nous sommes en mesure de régler précisément le courant de charge des cellules, ainsi que la tension de saturation choisie.

Le support de Magna-Power a également été excellent lorsque nous avions des questions sur l'intégration. Quand l'équipe s'est trouvée dans le besoin de certificats d'étalonnage en compétition, un appel au support Magna-Power nous les a fait parvenir en moins de 10 minutes. De même, puisque nous contrôlons désormais notre alimentation avec un automate programmable, nous pouvons faire en sorte que le chargeur interroge la voiture pour savoir si une charge est réellement nécessaire et s'il est sûr de procéder. Il réduit également le courant de charge si les batteries commencent à chauffer, augmentant ainsi la sécurité et la durée de vie des cellules. Plus important encore, puisque l'accumulateur et le chargeur communiquent en permanence, l'opération de charge peut être arrêtée automatiquement sans intervention de l'utilisateur. Cela libère les membres de l'équipe pour travailler sur d'autres tâches importantes. La possibilité de monter l'alimentation en rack a également rendu le transport considérablement plus facile et plus robuste, le tout étant contenu dans un rack.

Conclusion

L'équipe a grandement bénéficié du passage à l'alimentation Magna-Power SL Series. Plus que tout, cela nous a permis de réaliser à quel point notre précédente solution de charge était inadéquate, et les nouvelles possibilités qu'une alimentation programmable peut offrir. Grâce aux fonctionnalités intégrées dans notre nouvelle alimentation, l'ensemble de notre véhicule peut désormais bénéficier des avantages d'une charge intelligente et d'une communication en temps réel. Nous avons également constaté une amélioration de la sécurité et de la fiabilité. Plus important encore, savoir que nous avons la flexibilité d'étendre nos capacités de charge sans investir dans une solution de charge entièrement nouvelle nous rend confiants quant à sa capacité à répondre à nos besoins à l'avenir.

Kyle Pollard est étudiant en dernière année de génie mécanique au Rensselaer Polytechnic Institute. Il a occupé le rôle d'ingénieur en chef de l'équipe Formula Hybrid au cours des trois dernières années. Ses domaines d'intérêt incluent la conception de systèmes de batteries et la mécatronique.

Szymon Morawski est étudiant en dernière année en systèmes informatiques au Rensselaer Polytechnic Institute. Il est impliqué dans l'équipe Formula Hybrid depuis quatre ans. Szymon a effectué plusieurs stages d'ingénierie chez Magna-Power et se réjouit de poursuivre son travail en programmation de systèmes embarqués après l'obtention de son diplôme.