Étude d'un chargeur rapide pour les batteries du Kangoo

 --------!!! rédaction en cours !!! dernière mise à jour au 26 Avril 2010 !!!-----------

à partir d'electroniques de type "inverter" utilisées dans des postes de soudure électrique du commerce.

Matériel de base utilisé :

- Soudeuse MacAllister 80 A à inverter (modèle d'entrée de gamme - versions disponibles de 80 à 200 A)

caractéristiques principales :
- alimentée en 230 V monophasé
- à pour fonction principale de maintenir un courant constant, règlable entre 0 et 80 Ampère
- limite la tension de sortie en charge à 30 Volt maximum
- isolation galvanique totale ente entrée secteur, sortie basse tension et chassis métallique
- poids = 3.6 kg

configuration retenue pour le prototype = 6 unités inverter
- - alimentées 2 par 2 sur chacune des 3 phases d'un secteur triphasé
- - secondaires connectés en série pour assurer une tension maximum de 180 V
- - ajustement manuel du courant de charge par mise en paralèlle des potentiomètres de commande (couplage mécanique)
- - arrêt prévu de la charge à 80% par limitation de la tension de sortie

Avantages estimés:
- Coût de la fourniture modique = environ 100 € par module
- encombrement et poids (env. 20 kg) acceptables pour une installation fixe ou quasi à bord du véhicule, aussi bien que pour une manutention.
- Accession à une technologie de série simple et robuste, utilisant des composants standard correspondant à des performances électriques modestes (max 80 A sous 30 V soit 2.4 kW)
- modularité permettant une connexion immédiate au réseau disponible aussi bien mono que triphasé
- limitation obtenue par construction de la tension et du courant de charge maxima, ainsi que des échauffements (par thermistance incorporée)
- Un seul règlage, manuel, déterminant le courant de charge, et permettant de ne pas dépasser la puissance réseau disponible.

Inconvénients attendus:
- Surchauffe attendue du système lié à un usage permanent pendant 1 à 2 heures, d'où adjonction probable d'une ventilation complémentaire.
- nécéssité d'une installation réseau domestique de puissance importante, probablement de 15 kW mini (3 x 20 A 230 V) si on veut utiliser le système à pleine charge (à vérifier lors des tests).

Appareillage de mesure

- Controleur multimètre standard (tension, température)
- Pince Ampèremetrique - Courant continu - calibre 200 A DC
- Circuits de mesure à installer sur le véhicule
- - capteur de tension à isolation galvanique - calibre 250 V
. . . => le multimètre peut convenir
- - capteur de courant continu à effet Hall - calibre +/- 200 A
. . . => un accessoire pince sonde ampèremètrique à courant continu peut être ajouté au multimètre
- - capteur de température - calibre 0/100 °C
- - panneau (optionnel) d'affichage courant, tension, température

Avancement de l'étude

préliminaires

: étude du circuit et des composants du poste d'origine

- photos

- redressement et filtrage du secteur (vue d'un des 2 condensateurs de filtrage au primaire )

- onduleur haute fréquence piloté
- transformateur haute fréquence basse tension de sortie
- composants électroniques de puissance
- capteurs de tension et de courant

1ère phase

: réalisation d'une résistance de charge de test en fil résistif
- pouvant supporter 180 V x 80 A, soit une puissance à dissiper de 14 400 W
- à partir de fil résistif de 5 Ohm/m supportant 50 W/ m soit 3.3 A, soit 27 fils parallèles (80 / 3)
- - résistance par fil de 180 / 3 = 60 Ohm, longueur 60 / 5 = 12 m - total 324 m
- - disposés en 6 nappes de 27 fils de 2 m (permet des connexions intermédiares par tranches de 30 V)

- Une solution alternative plus économique à été réalisée pour le test d'un poste seul en utilisant 4 bandes de 20 cm de largeur de grillage de poulailler sur 4 m de longueur (montés en W sur trétaux).
résistance obtenue = 0.4 Ohm, soit un courant consommé de 75 A pour une tension de 30 V max et une puissance dissipée de 2.25 kW (utilisé dans le test ci-dessous)

2ème phase = Tests sur une unité

Sur charge résistive

vérification des isolations galvaniques = OK à l'arrêt ainsi que sous primaire 230 V
- verification de la fourniture de courant sur charge résistive = OK
première expérience avec une résistance de charge constituée de 4 m de nappe de 8 fils de fer (R environ 0.5 Ohm),
on mesure environ 64 A sous 30 V soit 1,9 kW dissipés

Sur un pack de 6 Volts

: verification de la fourniture de courant en charge sur un pack batterie 6 V
- connexion de la batterie sur le secondaire du poste éteint = OK = aucun courant, tension batterie à vide = 6.5 V.
- tension à vide poste allumé = 52.4 V
- connexion sur la batterie avec le courant règlé au minimum . . .
. . . la tension de sortie du poste chute à 6 V et le courant s'établit à 13.3 A (pas possible de faire moins)
- augmentation progressive du courant jusqu'en butée de règlage . . .
. . . le courant monte jusqu'à 99 A, la charge étant interrompue pour ne pas dépasser les 8.5 V
. . . (avec une chute ohmique de 2 V (100 A x 20 mΩ, on respecte de cette façon une limite de 6.5V
. . . en valeur de force éléctromotrice correspondant à environ 80% de charge)
. . . Puissance Max de charge = 850 W dans cette configuration non adaptée.

Ce test permet de conclure au bon comportement fonctionnel en tension et courant du poste en tant que chargeur de batterie, mais le test suivant sous 30 V est nécéssaire pour vérifier l'aspect puissance.

Sur modules de 5 éléments (30 V) et 6 éléments (36 V) :

 Expérimentation menée par  Double Hybride et éco16 le 11 Avril 2010

Verification de la fourniture de courant en charge sur 5 et 6 éléments batterie 6 V en série
- vérification de la tenue en température
- relevé de la puissance consommée sur le secteur
- caractéristique de déphasage courant / tension secteur(obsevation à l'oscilloscope deux voies)
- pourcentage d'utilisation de la sinusoïde et estimation du rendement secteur
- test de tenue à l'arrêt (courant nul et cas secteur coupé) avec secondaire connecté à la batterie
... Ce test est passé sans problème et révèle un comportement tel que prévu du secondaire ( = diode).
Seul problème inhérent à cette diode, il ne faut pas connecter de tension négative sur les bornes de sortie, et donc prendre les précautions d'un câblage permanent pour éviter une inversion de tension et ajouter un fusible pour éviter le pire (calibre mini 80 A).

montage réalisé :

performances relevées :

avec les 5 packs pré-chargés à environ 6.5 V
Au départ et règlage au minimum : 15 Ampère sous 34 Volt = puissance de 510 Watt
Après 8 mn et règlage monté à mi-course : 30 Ampère sous 28 Volt = puissance de 840 Watt
après 15 mn et règlage au max : 45 Ampère sous 30 V = puissance de 1350 Watt

3éme phase

: test de 3 unités couplées en triphasé au primaire, en série au secondaire

Sur charge résistive

= test non effectué au vu du bon comportement lors du test précédent

Sur Batterie de 6 éléments (36 V)

Vu la tension produite par les 3 postes en série (3 x 30 V = 90 V maximum sous charge) il n'est pas prévu de réaliser un module de batteries correspondant à ce voltage, mais d'utiliser les 6 éléments disponibles soit 36 V.

 Expérimentation menée par  Double Hybride et éco16 le 11 Avril 2010

- verification de la tenue en température
- relevé des ondulations résiduelles
- relevé de la puissance consommées sur le secteur
- vérification de la stabilité du courant fourni : absence de pompage entre les trois unités, et niveau de courant ajusté par le moins offrant des trois règlages.
- test de comportement en cas de disjonction thermique d'une des trois alimentations.
- comportement lors du réenclenchement de l'unité disjonctée (automatique après refroidissement).

montage réalisé avec les 3 postes branchés chacun sur une phase secteur et montés en série au secondaire:

les 6 éléments montés en série sont protègés par le fusible de 80 A de l'équipement d'extension prévu nominalement pour les alternateurs du prolongateur d'autoomie

performances relevées :

Avec les 6 packs préalablement déchargés à 6 V (tension à vide) : Au départ avec règlage au minimum : 8 A sous 40 V - Après 24 mn et règlage au maximum : 64 Ampère sous 46 Volt = puissance 2760 Watt

L'ondulation résiduelle, très forte sous la charge minimum de 8 A (quasi passage par zéro à chaque demi-alternance), s'estompe fortement sous la charge maximum de 64 Ampère.

4ème phase :

 Expérimentation menée par  Double Hybride et éco16 le 12 Avril 2010

Test de 5 unités (les 5 disponibles au moment du test) destinée à observer

- les limites de la fourniture secteur (compteur triphasé 16 A),
- sa tolérance sur le déséquilibre des phases (2 postes sur phase 1, 2 postes sur phase 2, un seul poste sur phase 3),
- ainsi que l'équilibrage en puissance fournie et dissipée des postes les uns par rapport aux autres. montage réalisé :
interconnexion en série des 5 postes, avec réutilisation des connecteurs et des cordons de soudage fournis avec le poste

distribution du secteur triphasé sur 5 rallonges indépendantes, apres séparation en mono des 3 phases

performances observées :

La capacité de cet ensemble varie entre 26 A x 40 V = 1 kW, 57 A x 42 V = 2.4 kW, et 64 A x 45 V = 2.9 kW.

Première connexion des 5 postes à la batterie du Kangoo

Connexion au CEVE:

les connections sont établies comme suit :
rep.(1) : connexion du négatif 132 V en provenance su chargeur
rep.(2) : connexion extrémité du dispositif de branchement des alternaateurs, avec fusible incorporé
rep.(3) : fixation du dispositif sur le socle du CEVE
rep.(4) : connexion du positif 132 V en provenance du chargeur
rep.(5) : positif 12 V Batterie Servitudes (non utilisé ici)

Montage (provisoire) réalisé :

Dans cette configuration à seulement 5 postes la charge se réduit progressivement à 36 A avec la montée de tension à 152 V et fournit alors une puissance de 5.4 kW

5ème phase

: test du prototype final avec 6 unités connectées au primaire deux par deux sur chacune des 3 phases secteur.
- évaluation dans cette configuration de l'intensité maximum possible au secondaire qui soit supportée par l'installation électrique triphasée (suivant son calibre, 10 A, 16 A, 20 A)

Sur charge résistive

= test non effectué vu la taille prévisible de la charge (5 fois la résistance réalisée pour le test sur 30 V).

Sur la batterie 132 V du Kangoo

Au vu de la limitation à 30 V de chaque poste, la tension finale ne pourra dépasser 180 V. On doit donc constater une réduction progressive du courant chargé avant d'atteindre cette limite.
Mesure de la réduction possible du courant en fin de charge
évaluation de la possibilité et de l'intérêt d'ajouter un poste supplémentaire en série pour pouvoir monter jusqu'à la tension de pleine charge.
(...)

6ème phase

: intégration sur le véhicule
- intègration des 6 modules en valise portable avec ventilation additionnelle.
- raccordement au CEVE et/ou à la prise Maréchal (bornes de charge rapide)
- protections contre l'inversion de polarité de la connexion batterie (fusible et relais)
. . Un fusible est un minimum indispensable de protection en sortie de l'ensemble.
. . On peut envisager en supplément un relais statique en série (IGBT), commandé par un circuit de contrôle qui n'autoriserait sa fermeture qu'en cas de présence d'une tension positive.
- boitier de raccordement secteur à 6 prises, avec fil en boucle sorti sur chacune des 3 phases pour permettre la mesure avec une pince ampèremètrique AC.
- câble de raccordement triphasé 3x 16.A (5 fils de 2.5²)
- trappe spécifique intègrée à la carrosserie avec prise triphasée normalisé 5 broches (possibilité sur le VE d'utiliser l'orifice prévu initialement pour le réservoir d'essence)
- capteurs externes courant et tension à isolation galvanique
- afficheurs temps réel
- commande centralisée
- (...)

schéma équivalent

- Schéma de principe d'un poste de soudure

- circuit réel obtenu

- équivalent fonctionnel
. . à noter que vu du secondaire, et lorsque l'alimentation des modules est coupée, le circuit se présente pour une batterie (tension continue) sous la forme de 6 diodes (en réalité double diode en parallèle), le secondaire du transformateur de sortie, non alimenté, étant assimilable à un court-circuit. il n'y a pour cette raison aucun risque de débit en retour de la batterie sur le chargeur.

. . par contre, ce circuit tel quel n'est pas protégé contre une inversion par erreur de connection lors du branchement des cables venant de la batterie. Cette inversion provoquerait un court-circuit franc, les diodes des inverters étant vues alors par la batterie dans le sens passant. Il est donc nécéssaire d'intercaler à demeure dans le Kangoo une diode intercalée dans le circuit avant le pôle positif du connecteur du CEVE.
caractéristiques minimum : diode de puissance 100 A 200 V
Cette diode est à brancher dans le même sens que les diodes des inverters - courant possible que du chargeur vers la batterie.
Et pour éviter une présence de tension à vide, tant que le poste de charge n'y est pas relié, on doit drainer cette tension vers le pôle négatif par une résistance également à demeure de valeur telle que la tension résiduelle soit inférieure à la tension maximum de sécurité, soit 48 V.
valeur de résistance suivant la caractéristique de courant direct de la diode : environ quelques dizaines de kiloOhm.

- simplifications envisageables
- évolution possible vers une conception dédiée - avec en option pilotage par micro-processeur.
- évolution vers une version de puissance par utilisation de modules 200 A

Utilisation

- (...)