Stirling, range extander et assistance

Ok, mais on parle d'un véhicule de record, je ne sais pas quelle est la masse de ce moteur, ni son prix.
A une échelle industielle, j'ai récupéré la carto suivante, semble-t-il issue des données Prius : les rendements sont plutôt proches de 90%.


Si on doit faire un moteur de même techno avec une puissance réduite (250W, au mieux 500W), la similitude fait que les rendements vont fortement diminuer et retomber autour des valeurs de 80%.
J'ai oublié de compter les pertes par effet joule dans la batterie et le rendement du contrôleur...

Bonjour tous,

Je ressorts de ma grotte, car au final me payer un bon vélomobile reste encore un bon rêve. Ensuite si je peux l'assaisonner à mon goût, tant mieux.
L'ennemie n°1 c'est le poids, puis l'aérodynamique, et enfin la résistance au roulement. Pour la chaîne de traction électrique c'est poids du moteur, de la transmission, de la batterie, des conducteurs, connectique, contacteurs, capteurs, dissipateurs, du contrôleur, du chargeur, du BMS et des supervisions.

Moteur : les plus légers sont sans fer, sans boîte et sans charbon et en plus ils ont les plus hauts rendements. Sans fer au prix des réseaux de Halbach pour confiner les champs magnétique, sans boîte de vitesse car avec un grand nombre de paires de pôle et sans charbon car polyphasé et commandé par des onduleurs électroniques. Ils sont hors de prix. Si on retient sans fer mais avec boîte et charbon on obtient un moteur DC encore plus léger, une électronique de contrôle simplifié, un produit abordable Heitzmann. Si on retient sans fer et sans charbon, c'est un peu plus chère mais ça reste abordable Maxon ? De bons produits Chinois ?

L'avenir peut être les moteurs à boîte magnétique comme le fameux moteur :
https://www.youtube.com/watch?v=EAELukfr2oY

Batterie : pour l'instant léger c'est lithium polymère Kokam le rendement charge/décharge est proche de 100% mais le moindre dépassement en courant ou en tension peut amorcer le début d'incendie. Donc BMS indispensable. Lithium fer : possible avec BMS simplifié.

Batteries thermiques : un moteur thermique entraîne un générateur, pour éviter le bruit différent moteurs possibles : vapeur Rankine ou ORC, Stirling, Ericsson et moteur thermoacoustique

Piles à combustibles ....pas au point ?

Pour limiter le poids, savoir que c'est le courant qui dimensionne le poids des semi-conducteurs, donc monter en tension au limite des prescriptions 48V nominal pour vélo non caréné, alors caréné ?, c'est réduire le courant, les pertes Joules, diminuer la taille des dissipateurs.

Regrouper les fonctions dans le genre carte mutifonction avec réduction de la connectique, donc opter pour une carte unique équipée d'un calculateur ou µC puissant. Je proposais RPi2, y'en a d'autres. Une carte qui supporte les cellules batterie, le BMS, le contrôleur moteur 2Q, le dissipateur, les alimentations à découpage y compris pour les phares, le GPS et/ou liaison vers Google maps, l'asservissement du pédalage, de la vitesse et peut être pour les plus pessimiste un chargeur égaliseur. Le modèle reste celui des avions RC qui savent faire léger, même avec le matériel électrique.

Pour la transmission, le modèle mécanique pourrait être, soit celui de la Prius, une liaison différentiel entre la puissance du pédalage et l'assistance moteur...soit un simple galet.
En mode différentiel, c'est une assistance qui additionne la vitesse du pédalage et de l'assistance, un peu comme sur un tapis roulant, on peut poursuivre son effort lorsqu'on est dessus. Grâce au capteur de pédalage on peut adapter la vitesse de l'assistance à celle de la vitesse de pédalage. Une simple boîte à train épicycloïdale 3 vitesses peut faire l'affaire, son poids avec celui d'une roue de 26" est de 3kg5. Reste à tester sur cette transmission le principe de la récupération d'énergie en lieu et place de la roue libre...qui reste imbattable en terme de poids et de rendement !

En mode galet, le pédalage doit être adapté en permanence pour éviter le pédalage dans la "semoule" en changeant de braquet...c'est plutôt pénible, donc de se côté là y'a aussi des progrès à faire.

content de te revoir Microtech  

par contre, désolé, mais là, tu places la discussion à niveau que je ne peux atteindre, ce que je conçois totalement parce que
1) on peut pas tout savoir (ça c'est l'argument qui me donne bonne conscience)  
2) le thématique n'est pas simple, vu qu'on part à la découverte  

par contre, un jour il faudra redescendre et si le système que tu envisages est viable, ce que je souhaite, il faudra aussi le rendre compréhensible pour le vm-iste lambda (que je suis)  

bon, j'espère tenir encore au moins 20 ans sans AE, tu as le temps de développer ton truc peinard, et je suis sûr que plein de monde ici t'aidera, si c'est dans leurs moyens. Par contre je pense qu'ils seront peut-être plus pressés que moi ... et moi, le temps va bine me rattraper un de ces jours!

Je me demande si ce sujet ne devrait pas être tranféré dans la catégorie assistance électrique.
J'aimerais que les experts de l'assistance électrique se prononcent, et ils ne vont pas forcément consulter les sujets de la catégorie Vélomobiles.

en tous cas lesdits experts y sont plus actifs...

+1: J'aimerais lire l'avis d'un expert comme arnaud.sivert sur la question

bonjour tous,

L'idée générale du sujet reste l'augmentation du rayon d'action par l'usage de système de récupération d'énergie par freinage électrique ou aérodynamique. Il me semblait plus approprié de développer le sujet dans la rubrique vélomobile puisque l'aérodynamique donne des avantages indéniables pour le roulement sur le plat et dans les descentes. Vitesse et poids plus important augmentent l'intérêt de la récupération d'énergie.

Avantage que bien d'autres ont tenté d'utiliser sans trop le dégrader en imaginant des solutions autres que la roue libre. Pour être efficace dans cette phase de récupération d'énergie la technique actuelle  n'est pas adapté :

le moteur roue à entraînement directe est la seule solution de récupération d'énergie disponible dans le commerce moyennant une adaptation du programme pilote du pont triphasé. C'est une solution pleine de défauts : freinage permanent, poids et masse suspendue qui détériore le bilan global.

Le moteur roue à boîte de vitesse : sans modification mécanique la roue libre interdit le freinage récupératif, c'est un bon début de solution puisque il est fait usage d'un moteur rapide et léger couplé à une boîte de vitesse la plus souvent un réducteur planétaire.

moteur roue type CSIRO ( slottless, gearless, ironless) : proche de l'idéal mais les technologies utilisées en font un bijoux inabordable.

Le moteur galet : une solution simple et élégante puisqu'il peut être  fait usage d'un moteur léger et rapide. Le support moteur doit permettre de libérer totalement la roue hors phase de freinage et d'assistance. Le prix certainement imbattable, reste les problèmes de l'usure et de l'absence d'adhérence par temps de pluie.

Le système Prius : usage de 2 moteurs/générateurs en plus du moteur thermique qui serait ici le cycliste. C'est une solution lourde sur le papier mais que certains ont tenté d'intégrer dans un moyeux ou cohabitent effectivement 2 moteurs générateur et une boîte de vitesse magnétique.

Systèmes combinés :   moyeux mécanique adapté à une fonction de variation continue de la vitesse pour une assistance à fort couple et basse vitesse et une récupération d'énergie à vitesse maximum contrôlée. Le moteur générateur principal est à l'extérieur. Un moteur de contrôle de la boîte est nécessaire ou l'achat d'un moyeu à variation continue à réglage électrique ( pas de pub mais y'en a pas 36 !)

Freinage aérodynamique : puisque le vélocar est caréné, l'idée est d'installer une turbine capable d'utiliser une caractéristique du profil, qui par effet Venturi créer une dépression canalisable. La surpression avant et la dépression arrière combinées pour récupérer d'autant plus d'énergie que la vitesse est grande. Matériel nécessaire à cette solution : un générateur sans fer, une turbine rapide, une double cloison pour canaliser le flux d'air...et une belle étude aérodynamique et design.

J'ai commencé différents dessins 3D sous Rhino que j'espère pouvoir vous faire partager, sauf que pour l'instant je sais pas encore comment envoyer un document sur ce type de forum ?

MICROTECH a écrit:

.....Freinage aérodynamique.....Turbine

Bon jour pluvieux...
Idée intéressante.
j'y vois des petits inconvénients:
Le rendement des turbines est moins bon qu'une roue sur le sol.
La génératrice fait double emploi avec le moteur déja présent .
Par contre un mini  turbo compresseur serait utile pour la ventilation sans pertes aérodynamiques , mais ceci est un autre sujet.

Bonjour Cebd,

La turbine est canalisée donc même en cas de pluie ça change rien. L'intérêt de cette idée est qu'on peut utiliser du matériel d'aéromodélisme, des moteurs et de l'électronique à prix abordable et poids extraordinairement léger. Le reste est que la récupération est proportionnelle à la vitesse sans que ça nécessite une commande complexe comme dans le cas du freinage électrique sur la roue. On utilise le vent apparent qui est un flux résultant de la vitesse et trajectoire du mobile et du vent réel.

https://www.youtube.com/watch?v=UdZGjnw0RIY


Et comme je l'explique, pour l'instant, le freinage récupératif utilisant la chaîne de traction électrique existante est soit inefficace, soit irréalisable avec la technique employée, soit nécessite beaucoup de développement pour l'adapter au vélocar...et si on s'oriente vers une solution efficace, bien souvent il faut non pas un mais 2 moteurs générateurs ( voir le principe Prius )

Du coup, il me semble que l'idée du freinage aérodynamique est une piste intéressante, tout comme l'entraînement/freinage  par galet...

Bon re jour,
Pour freiner suffisamment Mon Milan il me faut un parachute de 0,4 m².
Donc une éolienne en guise d 'aérogénérateur aurait une surface voisine.
Pour canaliser l'air vers une turbine il faudrait une entrée de trop grande taille qui nuirait à la pureté aérodynamique de base...
Il me semble...non?

Il me semble aussi.

Le ventilateur-venturi et l'éjecteur-venturi, c'est vieux comme "mes robes" !
Après c'est un problème d'accommodation

En aéromodélisme je n'ai que l'expérience pratique des hélices (jusqu'à 2 fois 20") et des turbines, mais même si j'en ai eu l'idée, je n'ai jamais ressenti qu'en piqué mes avions pouvaient restituer quelques watts utilisables pour allonger la durée de vol sur un jeu de batterie
Je suis donc intéressé par des mesures aux vitesses terrestres des VM sans avoir à leur donner une forme de stato-réacteur

J'ai le sentiment que l'énergie récupérable est proportionnelle au débit d'air que l'on sait faire passer par le venturi.
Or, ce débit est proportinnel à la surface de passage d'air et à l'écart de pression entre l'entrée et la sortie d'air.
C'est là qu'est le problème : l'écart de pression entre l'entrée et la sortie est faible, ce qui nécessite une surface conséqueente, incompatible des objectifs aéro de l'engin. En tout nous sommes bien loin des entrée d'air que l'on voit sur des vélomobiles comme le WAW ou le DF.

Un VM équipé d'éolienne pourrait ressembler à ça   :



D'après mes calculs (voir théorie ici), à 50km/h et pour une entrée d'air d'un diamètre de 15cm, la puissance cinétique de l'air s'engouffrant dans la turbine est de 29w. Or seul une fraction de cette puissance est récupérable. Betz a démontré que cette fraction était de maximum 59,3%. Mais ceci ne tient pas compte des différents rendements de transformation, qui s'élèvent dans le meilleur des cas à 70%. Donc on peut espérer récupérer 28 x 0,593 x 0,7 =12w au grand maximum.

En passant à une entrée d'air de 20cm de diamètre (ce qui devient bien encombrant) on arrive péniblement à 21w. Pas sûr que le jeu en vale la chandelle. Inutile de dire que ces puissances s'effondrent pour peu que la vitesse diminue légèrement (La puissance est fonction de la vitesse au cube!).

Edit: erreur d'arrondi dans les calculs

Merci beaucoup pour ce post argumenté.
Je suis d'accord avec la conclusion, mais cela va mieux avec des éléments chiffrés.

J'aime bien le "VM" proposé par Samoural

Avec ça au moins, on se fait bien respecter par les métallosaures, y compris sur l'autoroute. Oui d'accord, on devient soi-même un métallosaure à pédales

La seule difficulté d'utilisation que je vois, c'est pour le garer à un emplacement pour vélos.

Bonjour,

La formule de Betz s'applique à une éolienne en champ libre, or notre turbine qui n'est pas un compresseur d'avion à réaction, est installé dans un carénage, assimilable a une hélice carénée, et donc le phénomène de déviation du flux qui entraîne une pénalisation de l'équation suite à différentes mesures pratiques, ne s'applique pas de façon stricte. Ensuite Zapol a effectivement le bon sentiment ou la bonne intuition lorsqu'il écrit :

J'ai le sentiment que l'énergie récupérable est proportionnelle au débit d'air que l'on sait faire passer par le venturi.
Or, ce débit est proportinnel à la surface de passage d'air et à l'écart de pression entre l'entrée et la sortie d'air.
C'est là qu'est le problème : l'écart de pression entre l'entrée et la sortie est faible, ce qui nécessite une surface conséqueente, incompatible des objectifs aéro de l'engin. En tout nous sommes bien loin des entrée d'air que l'on voit sur des vélomobiles comme le WAW ou le DF.

...l'écart de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine est à considérer en tenant compte de la nature du profil, de son volume d'air déplacé et de la vitesse du flux entrant et du flux dévié...C'est tout le profil du mobile qui est utilisé pour augmenter la puissance mécanique produite par l'hélice. Et si le profil est bien optimisé (portance/trainée ) c'est 5 fois la puissance annoncée et calculé par Samural qui est récupérable électriquement pour le diamètre annoncé de 15cm, soit une puissance de 50W à 50kmh-1.

Je considère que 10W n'est pas une puissance négligeable, c'est déjà plus qu'une dynamo de moyeu d'une puissance de 6W, surtout lorsqu'on doit l'entraîner dans une côte , 50W c'est déjà considérable car en 8h c'est une batterie de 450wh qui est rechargée. Un vélo, selon mes informations consomme 15Wh à 20Wh par kilomètre, avez vous une idée de la consommation d'un vélomobile ? On pourrait s'en servir pour ne pas dépasser cette différence.

Il faudra choisir une puissance au freinage qui détériore de façon limitée la résistance aérodynamique.

Ensuite dans le dessin que je prépare l'admission est améliorée avec la turbine placée au fond d'un cône pour augmenter la surpression avant. La surface de la turbine serait plutôt de 20 à 25 cm de diamètre, mais pour produire 50W à partir d'une plus faibles vitesse et bien plus puissant dans les descentes rapides jusque 100kmh-1

Les dessins des vélomobiles actuelles sont optimisés pour diminuer la résistance aérodynamique. Les résultats obtenus sont spectaculaires. C'est pour cette raison que je pense qu'on peut se permettre de les dégrader afin d'équilibrer les performances de l'engin...je pense aussi au confort et à la ventilation.

Comme je lis aussi les résultats des vélocars, pas sûr que ma seule source d'inspiration soit le vélomobile Milan, encore moins la fusée terrestre !

Le ventilateur-venturi et l'éjecteur-venturi, c'est vieux comme "mes robes" !
Après c'est un problème d'accommodation



Effectivement accommodation ou recette, Venturi c'est un puissant moyen de fabriquer une dépression avec la vitesse d'un flux...et ensuite d'utiliser cette dépression. dans le précédent post, l'effet Venturi est utilisé pour recoller une couche limite sur l'extrado d'un profil je passe ma vie à expliquer que Robert Stirling qui va développer la première machine thermodynamique réversible à déposé le brevet en 1816...si on considère que Waterloo met un terme aux grands carnages des batailles Napoléoniennes c'est 1815...

50W à 50km/h récupérables seulement ne phase de freinage, ça fait pas beaucoup quand même...

zapols a écrit:

50W à 50km/h récupérables seulement ne phase de freinage, ça fait pas beaucoup quand même...

au risque de paraitre critique, je partage cette vue:

la meilleure énergie est la plupart du temps celle qu'on ne converti pas. Donc ne reste plus qu'à exploiter l'énergie perdue au freinage, et dans ce cas 50W c'est peu.

hors freinage, on converti de l'énergie mécanique pour la reutiliser sous forme mécanique plus tard, donc avec pertes.

sauf si on m'explique que le rendement humain change du tout au tout en fonction de la puissance développée, et est suffisamment mauvais aux faibles puissance pour y gagner à le faire pédaler plus fort là ou il n'aurait pas besoin de le faire (quitte à en perdre une partie en conversion) , Je ne vois dans ces hybridations, qu'un moyen de dissiper de l'énergie.


ou alors on considère que les pertes aero sont pures pertes et qu'on cherche a les faire (les pertes) dans la turbine pour les récupérer plutôt que les dissiper à 100% sur la carrosserie ? (dit autrement, à puissance humaine egale on roule moins vite car on freine plus a cause de la turbine (c'est obligatoire autrement, pas de recupération d'énergie), et cette partie de frein supplémentaire et en partie récupérée pour etre exploitée dans les montées pour rouler un peu plus vite.

mais j'ai du mal à voir le vase communicant: l'énergie mécanique dissipé (et en partie récupéré) par la turbine ne pourra qu'être en plus de celle dissipé (à 100%) par la carrosserie non ?


gully

Je vais même aller plus loin dans mon raisonnement:

Un des intérets du vélomobile est justement son ratio inertie/frottement important, ce qui en fait une sorte d'accumulateur d'énergie mécanique à faible autodécharge (faible dans le sens que l'énergie accumulé dans une descente peut être exploitée dans la montée qui la suis avant d'être dissipé en frottement.

Ajouter un convertisseur mécano-aéro-électrique, revient donc a bypasser cette accumulateur d'énergie mécanique (cinétique pour dire les mots) en le remplaçant par un accumulateur électrique qui garde, certe, l'énergie plus longtemps, mais au pris de la perte de au moins la moitié de ce qui est capté.
dit autrement, la turbine freine le VM, qui a donc moins de vitesse donc d'énergie cinétique, l'énergie de freinage est en partie récupérée, stocké puis restitué plus tard

Egalement: la bonne aéro du vélomobile fait que la conversion puissance => vitesse est très favorable sur le plat.
ajouter une turbine revient donc à dégrader cette conversion. la perte en vitesse sera significative. et le gain dans une montée faible (quelques km/h, un calcul rapide, ou l'expérience, même du VD démontre la débauche de puissance nécessaire a augmenter la vitesse en montée). au final, est t-on gagnant en vitesse moyenne ?

Appliqué a un objet peu aérodynamique, la perte de vitesse serai plus faible: quitte a s'esquinter a luter contre un mur de vent, autant que les quelques dernier km/h qui coutent le plus soient exploité à faire tourner une turbine. en espérant en récupérer un portion significative (de Km/h) dans une montée. Mais dans le cas d'un VM, je vois plutôt l'inverse s'appliquer.

J'ai loupé quelque chose ?

gully

Bon matin,
Exact la mise en vitesse des VM est l'accumulateur d'énergie simple et le plus rentable à moins de 150Km/h.
Dans la pratique on choisit de routes Nationale où on peut emmagasiner de l 'énergie dans les ligne droites ou peu courbes.
Jusqu'à 30m de dénivelé , dans ces conditions on recupére bien.
Sinon dans des cols ou sur les routes tordues il faut stoquer autrement.Electriquement, élastiquement ou chimiquement.
Avec l'éolienne ou la turbine le freinage et le pilotage devienent difficile car la réponse est un peu lente, sur les transitoires ,comme les lacets ou les arrêts d urgence..

Cette ou ces turbines avec leurs carénages, leur moteur de récupération et sans doute leurs volets mobiles pour l'utiliser qu'à bon escient, tout cela va faire un surpoids énorme. A une époque où tous les constructeurs de vélomobiles dépensent des fortunes (qu'ils font payer aux acheteurs) pour alléger leur engin et affiner l'aéro. Et je ne parle pas de l'usine à gaz que ça va faire dans un temps où pour vendre plus et élargir à une population de moins en moins initiée, il faudrait des vélomobiles "plug and play" légers et pas trop chers.
Bon, la réflexion est toujours bonne et débouche quelque fois sur des concepts novateurs...

Bonjour Yvan,

Remarque intéressante puisqu' en légère contradiction avec les précédentes interventions qui vantent le merveilleux ratio inertie/frottement des VM... Alors à quoi bon dépenser des fortunes pour construire léger ? puisque plus le VM est lourd, plus son inertie est grande.

Mais rassurez vous, je sais bien que c'est juste affaire de compromis...et je ne suis pas constructeur.  Par contre question compromis... ... pour rappel :
...dans ma construction virtuelle qui est une proposition. ( et pas la seule ) , y'a UNE seule turbine  en plastique carénée  (500g) et UN seul générateur dont le poids serait de l'ordre de 200g, et un canal dans le plancher à double fond formant poutre, car souvent lorsqu'on développe un nouveau concept on s'arrange pour donner  plusieurs fonctions à un même objet. ( ici canal et poutre, et hélice carénée par la carrosserie )
Y'aura aussi nécessité de faire un nouveau dessin. Et des ouvertures de ventilation...y parait qu'il fait chaud dans un VM. ( conversion d'énergie et confort )
Y'aura aussi une tendance à augmenter le volume (...et le poids malheureusement ) pour s'approcher plus du vélocar (VC ?) que du VM, dont je goûte peu l'étroitesse de l'habitacle.
Y'aura aussi une carrosserie en bois autoporteuse entoilé, puisque les déchets ultimes comme l'epoxy, le polyester et les fibres carbones sont à éviter.

J'espère des remarques critiques, certes, mais aussi des propositions constructives, car le but reste de faire  progresser le projet.

MICROTECH,

On a tous recherché des solutions pour récupérer de l'énergie, mais on tous tombés sur le même problème de la complexité et des pertes lors de la conversion d'énergie. Le graal que tu nous proposes on l'a tous cherché.
De plus nous sommes plutôt constructifs vu que nous argumentons avec des données techniques pour te convaincre que tes propositions ne semblent pas très pertinentes. On ne peut pas faire mieux.

Tu pourrais mieux nous convaincre si tu donnais des chiffres, des calculs, pas seulement en énonçant une liste des solutions techniques.
Comprends-nous, on ne demande qu'à te croire.