La Mobylette électrique

Pelletier Frédéric
Samb Mara
La Mobylette
électrique
Université Paul Sabatier
L3 EEA parcours Ingénierie Électrique
Promotion 2010/2011
1
SOMMAIRE
Introduction........................................................................................
.....4
...............................
I) Cahier des charges.......................................................................................5
•
•
Les attentes....................................................................................
......5
État lors de la prise en main..........................................................................5
...............................
II)L'alimentation................................................................................................ 6
.
III) Le Hacheur...................................................................................................7
•
La puissance.....................................................................................................7
➢
➢
➢
➢
Schéma électrique.........................................................................................................7
Dimensionnement des composants...........................................................8
Matériel réellement utilisé.......................................................................11
Tests et améliorations...............................................................................11
• La commande................................................................................................................12
➢ Fonctionnement du
SG3524.........................................................................................................12
➢ Schéma électrique..................................................................................................13
➢ Dimensionnement des composants..........................................................14
➢ Tests et améliorations..............................................................................17
IV) Schéma final et améliorations possibles................................. 23
.
Conclusion.............................................................................................. .............26
.
Bibliographie....................................................................................
.....27
..............................
Annexes................................................................................................
..........28
.................
2
Remerciements
On remercie Mr BOITIER, professeur à l'université Paul Sabatier dans le département EEA,
d’avoir bien voulu nous former et accompagner tout au long de cette expérience avec beaucoup de
patience et de pédagogie.
On remercie également tous les professeurs et personnel qu'on a eu à rencontrer durant cette année
de Licence, plus particulièrement :
Mr Jammes, Mr Perrisse, Mme Lemarie, et le technicien, pour les conseils qu’ils ont pu nous
prodiguer au cours de ce projet.
3
Introduction
Étendre l'utilisation de l'électricité dans nos modes de déplacement est un sujet d'actualité et
d'avenir. C'est pourquoi notre choix de projet de second semestre s'est porté vers la rénovation d'une
mobylette électrique.
Un temps de travail de 66h30 réparties sur 7 semaines nous a été alloué afin de réaliser un
cahier des charges établis par les responsables de projet.
En utilisant toutes les connaissances acquises pendant notre cursus, nous devions remettre en état
une mobylette électrique.
En effet, l'étude du matériel existant, le développement d'un convertisseur DC/DC, et la
réalisation de test de validation sont des points mit en avant par le cahier des charges.
Nous avons donc partagé notre temps de travail en quatre parties : l'observation du matériel
existant, le problème d'alimentation, créer un convertisseur DC/DC et enfin réaliser les essais
permettant de valider le fonctionnement.
4
I.Cahier des charges
1. Les attentes
Dans le cadre de notre projet de second semestre, l'objectif a principalement été de concevoir un
convertisseur DC/DC afin de remettre en marche la mobylette électrique.
L'analyse du matériel existant, notamment du convertisseur déjà installé, nous a donc permit de
comprendre les fonctionnalités mises en œuvre lors de sa conception ainsi que d'observer divers
problèmes.
Après un examen de la mobylette, nous avons pu établir un cahier des charges par ordre de priorité :
– Recréer l'alimentation 36V continu.
– Concevoir un convertisseur DC/DC (modélisation, commande des composants..)
– Effectuer les essais nécessaires afin de valider le fonctionnement
2. État lors de la prise en main
Voici le détail du matériel de la mobylette électrique mise à notre disposition :
Interrupteur ON/OFF
Poignée d'accélération,
contrôleur de tension.
Emplacement des
batteries : 3x12V/12AH
MCC
36V – 500W
18,3A
Voici la carte électronique présente lors de la prise en main
du projet.
Les tests afin de savoir si le dispositif existant fonctionnait
n'ont pas été concluant puisque certains composant ont fait
preuve de quelques problèmes de dimensionnement.
Nous ne nous sommes donc pas inspiré de la technologie précédemment utilisée car en plus des
problèmes de dimensionnement, nous avons constaté des incohérence dans la gestion de la mise en
service (interrupteur ON/OFF) de la mobylette.
5
II.L'alimentation
Les caractéristiques de la MCC présente sur la mobylette étant données précédemment, le choix de
l'alimentation s'est donc porté sur du 36V DC.
La mobylette possédait déjà cette alimentation constituée de trois batterie de 12V/12AH mises en
série.
Cependant n'ayant pas utiliser la mobylette pendant quelques années, les batteries se sont
déchargées totalement et notre principal travail a été de commander des batteries répondant au
besoin du moteur.
Caractéristiques des batteries :
– 3 batteries au plomb 12V/12AH
– fabriquant : Intact (cf annexe p29)
– E = C*V = 12*12 = 144 WH.
– Taux de décharge : 80% * E = 115,2WH
– courant de charge = 1,2A (1/10 de la capacité)
Afin de répondre au mieux à notre cahier des charges, notre choix s'est porté sur 3 batteries au
plomb décrite ci-dessus. Malgré leur faible énergie massique, elles offrent de fort courant ce qui est
très utile pour le démarrage de moteur thermique ou l'alimentation de MCC.
Cependant d'autres technologies existent et sont plus performante telles que les batteries NiMH
(Nyckel-Hydrure métallique) ou LiPo (lithium polymère) offrant une taille beaucoup plus réduite
pour une même performance mais un coût nettement plus élevé.
Voici un récapitulatif des batteries les plus couramment utilisées en fonctions de caractéristiques
sélectives.
Batterie au
plomb
Rendement
Charge /
décharge
50%
Batterie
LiPo
60%
Batterie
NiMH
99,9%
Energie
volumique
/
Coût
Procédure de charge des batteries :
– Une première phase à courant constant au cours de laquelle la tension de la batterie est
inférieur à 2,35V par élément. La recharge s'effectue jusque atteindre la tension de 12,8V
à 13,2V aux bornes de la batterie.
– Une seconde phase à tension constante commence permettant de finir la charge de la
batterie. Le courant de charge est ajustée afin de maintenir ces 2,35V par élément.
– Enfin, la caractéristique en courant de la charge étant une fonction décroissante du
temps, pour maintenir la charge de la batterie en cas de non utilisation il est recommandé
de maintenir un courant de floating (très faible courant de charge) permettant de
s'opposer à l'auto-décharge (5% par mois) naturelle de la batterie.
6
III.Le hacheur
1. La puissance
Après avoir dimensionner l'alimentation du convertisseur DC/DC, il nous a fallut déterminer quel
hacheur serait le mieux adapté à notre cahier des charges.
Trois types de convertisseur ont été mis en avant :
– hacheur 1 quadrant
– hacheur 2 quadrants
– hacheur 4 quadrants
Notre projet met en avant la fonctionnalité et le coût réduit de ce dernier comme principaux critères
de sélection, notre choix s'est donc orienté sur le hacheur 1 quadrant : réversibilité en courant,
marche avant.
➢ Schéma électrique
Nous n'avons pu réaliser un hacheur série ou parallèle classique en raison des forts courants
absorbés par le moteur.
La plaque signalétique du moteur donne un courant nominal de 18,3A.
1
Nous avons choisi la modélisation suivante du hacheur :
Battery
36V
Moteur
D2
C1
2
+5V
U3A
VCC
VO
GND
HCPL6731
0
Z1
IRG4BC20F
Par la suite une légère modification sera mise en place en relation avec la partie commande du
système pour garantir la sécurité des composants.
La structure 1 quadrant est très facilement mise en œuvre au point de vue puissance, et les essais à
faible courant toutefois ont été réalisé en milieu de projet.
De plus, notre modélisation ne fait pas intervenir de circuit LC en parallèle du moteur. En effet le
dimensionnement du moteur ne nécessite pas l'apport d'un filtre du second ordre en amont car son
bobinage supportera et jouera le rôle d'inductance de lissage afin d'obtenir de faibles ondulations en
courant.
7
Puis la capacité d'entrée du convertisseur, C1, suffit au montage car elle a été positionné
matériellement, au plus proche de la structure de puissance afin de limiter au maximum les
ondulations de tension.
Ne possédant que des grandeurs continues en amont, les parasites et ondulations de tensions sont
inexistant.
Chronogrammes de fonctionnement du convertisseur:
U → tension aux bornes du moteur
i → courant dans le moteur
V → alimentation : 36V DC.
 → rapport cyclique
conduction de l'interrupteur : 0 < t < alpha*T
conduction de la diode : alpha*T < t < T
On détermine bien la relation propre au hacheur 1Q :
Umoy=∗V
➢ Dimensionnement des composants
Tous les dimensionnements ci-dessous possèdent des références Farnell.
– l'interrupteur de puissance :
La fréquence de commutation a été fixé à 10kHz, il a donc fallut choisir judicieusement
l'interrupteur de puissance. Deux possibilités : MOSFET ou IGBT.
Voici un diagramme représentant les domaines d'application des deux composants.
Notre point de fonctionnement nominal étant à 36V/10KHz, le choix du MOSFET paraît plus
adapté.
8
Cependant nous avons besoin d'un contrôle sur moteur et malgré le tableau ci dessus, l'IGBT reste à
faible fréquence (<20kHz) et pour des tensions inférieur à 1kV le composant typique pour ce genre
d'application.
De plus d'autres critères tel que la dissipation de puissance et la rapidité sont à prendre en
considération pour la sélection du composant.
C'est pourquoi nous avons choisit un IGBT (cf annexe p30) dont les principales caractéristiques
sont les suivantes :
• ref : IGP20N60H3
• Vces = 600V
• Vge = 15V
• Ic = 20A
• tr = 11ns
– la diode :
Nous avons vu précédemment que la diode, dite de « roue libre » , joue un rôle tout aussi important
que l'interrupteur de puissance.
Elle permet la continuité de la conduction lors du blocage de l'IGBT. Elle est placé en antiparallèle
de la charge (modèle RLE) qui vient décharger l'énergie accumulée par le bobinage du moteur
(circuit inductif) dans la diode. Nous sommes donc en conduction continue car l'énergie retransmise
par le bobinage du moteur ne sera pas complète au moment de mise en conduction de l'IGBT au
cycle suivant.
Les caractéristiques de la diode doivent donc être similaire à celles de l'IGBT, c'est pourquoi nous
avons sélectionné la diode suivante (cf annexe p36) :
• ref : BYW81
• Id = 15A
– la capacité :
Nous allons dimensionné la capacité d'entré du convertisseur qui a pour rôle d'absorber les
ondulations de tension afin de maintenir une tension continu constante en entrée du hacheur.
Nous avons expliqué précédemment que le bobinage du moteur jouerait le rôle de l'inductance de
lissage. Nous allons toutefois avoir besoin de déterminer l'ondulation maximal en courant dans la
charge :
 Ich=1−∗∗Valim/ L∗ f
On montre donc que l'ondulation maximale est valable pour un rapport cyclique de 0,5.
D'où :
 Ich max=Valim/4∗L∗ f
Voici la caractéristique Ic = f(t) d'après la loi des mailles :
Ic
Ic= Ialim – Ich=C∗dVc /dt.
Ialim
0
T
t
Ic = Ialim <Ich>
9
En effet pour 0t T l'IGBT est en conduction donc Ic= Ialim−Ich . Or considérant une
faible ondulation, nous assimilons cette variation à sa valeur moyenne.
Nous savons que la valeur moyenne du courant dans un condensateur est nulle, nous en déduisons
la relation suivant : Ialim=∗Ich 
Par application de la loi des nœuds :
C= Ialim/4∗ f ∗ Vc
Nous accepterons un  Vc=0,05∗Ve , ce qui nous permet de dimensionner notre condensateur
C=190  F .
Pour des raisons de disponibilité de matériel et de pratique, nous utiliserons deux condensateurs de
100  F en parallèles.
– le capteur de courant :
Afin d'effectuer un contrôle du courant moteur lors des essais, et pour une éventuelle étude des
promotions suivantes, nous avons mit en place un capteur à effet hall.
Cette technologie permet de mesurer le champ magnétique généré par le courant traversant le
capteur. Une tension de Hall (Vh) est alors crée et sera amplifiée à l'intérieur du capteur.
Le capteur nous a été imposé, et nous utiliserons un HXS 20-NP (cf annexe p34)
Pour la configuration en puissance du composant, nous utilisera le câblage permettant 1 tour sur
l'enroulement car nous nous basons sur le courant moyen en charge, soit 18,3A.
Cette configuration nous permet un courant nominal à 20A ce qui limite nos risques de sous
dimensionnement avec la configuration à 2 tours.
Nous récupérons donc une information en tension telle que :
Ipn= Ip∗0,625/Vout−Vref 
Ip = 20A
Vref = 3,3V
Ipn → courant dans le moteur Ich
(cf annexe pour la doc technique complète)
10
Le montage que nous avons mit en place permet une lecture à l'oscilloscope de ce Vout. La
protection en courant sera effectué à l'aide d'un shunt depuis le SG3524.
– Shunt :
La mise en place d'un shunt permet la protection en courant du dispositif. En effet le SG3524 dont
le fonctionnement sera expliqué ci-après, permet cette protection en courant.
Une ondulation de courant de charge à 10% tolérable, donc on en déduit un courant de charge crête
de : I =1810/ 2∗100∗18=18,9 A .
La doc technique du SG3524 nous donne une tension de déclenchement de la protection à 200mV.
Donc :
Rshunt ≥0,2 /18,9=11 m
De plus elle doit tenir en puissance :
P=Ri² =0,011∗19²=4W
– Dissipateurs thermiques
Afin d'évacuer la chaleur produite par le courant traversant l'IGBT et la diode, il faut leur associé un
dissipateur thermique.
Rappel de formule : Rth= T /
Donc la documentation technique de l'IGBT nous donne les valeurs des résistances thermique par
jonction ce qui nous permet de dimensionner le dissipateur : 637-10ABP
Même méthode pour la diode : SK 64/75 SA 2 XM 3
➢ Matériel réellement utilisé
Pour réaliser notre projet nous avons utiliser un maximum de matériel mit à notre disposition
notamment au niveau des composants.
En réalité, quelques composants sont différents de notre étude théorique :
• IGBT utilisé est un IRG4BC20F qui présente les mêmes caractéristiques que dont le
IGP20N60H3 mais avec un courant de collecteur de 9A (Icmax=15A). La documentation
technique est fournie en annexe p31.
• La résistance de shunt a donc été adapté : Rshunt=33 m 
• le capteur de courant a été câblé la seconde configuration (nb tour = 2)
• les dissipateurs thermiques sont plus grands.
➢ Tests et améliorations
Pour tester la partie puissance du hacheur nous avons réaliser le montage suivant :
Alim
stabilisée
Hacheur :
partie puissance
MCC
GBF
11
Nous avons utilisé une alimentation stabilisée pour alimenter le montage sous tension réduite dans
un premier temps.
Le GBF permet de générer le signal carré produit par la suite par la partie commande. Puis en
faisant varier le niveau de tension continue du GBF nous pouvions influer sur la vitesse de rotation
du moteur.
Cependant quelques améliorations sont envisageables :
➢ La mise en place d'un interrupteur de puissance en série avec les batteries permettant de
couper l'alimentation générale du système et donc d'éviter la décharge des batteries. La
mobylette ne possédant qu'un interrupteur permettant la protection en tension du SG3524, il
faudrait donc implanter un second interrupteur ou remplacer l'actuel par un interrupteur NONC.
2. La commande
La seconde partie du projet a consisté à réaliser la commande du convertisseur. Pour cela, le
SG3524 nous a été confié et il nous a donc fallut apprendre à l'utiliser.
Une première étape fût donc d'appréhender ce composant afin de le mettre en œuvre pour répondre
au mieux au cahier des charges.
Dans un second temps, réaliser le circuit de commande tout en prenant compte des protections
possibles de mettre en place afin de garantir la sécurité des composants.
➢ Fonctionnement du SG3524
Le SG2524 est un circuit de commande de régulateur de tension alimenté en 15V DC.
Le régulateur fonctionne à une fréquence fixe qui est programmé par une résistance de
temporisation RT, et un condensateur de temporisation CT.
RT établit un courant de charge constant pour CT. Cela se traduit par une rampe de tension linéaire
à CT visible sur le pin 7. Il alimente le comparateur, fournissant un contrôle linéaire de la durée
d'impulsion de sortie par l'amplificateur d'erreur.
La SG2524 contient également un régulateur intégré de 5V sur le pin 16, qui sert de référence. Cette
tension est ensuite comparée à la rampe linéaire de tension à CT.
Voici une vue du SG3524 :
Le pin 2 correspond à l'information à traiter par le composant. Notre projet consistant à piloter le
moteur depuis la poignée d'accélération de la mobylette, l'information à traiter sera donc
l'information en tension compatible renvoyée par la poignée.
12
Le rapport cyclique des transistors à collecteurs ouverts du SG3524 varie entre 0 et 50 %, les
sorties, pins 12 et 13, étant décalées d'une demi période d'oscillation.
Pour disposer d'un rapport cyclique variable entre 0 % et 100 % avec une période de hachage deux
fois plus petite (soit une fréquence de hachage de 10 kHz), on réalise un "OU" logique en
connectant les deux transistors en parallèles, les émetteurs étant à la masse et les collecteurs reliés à
une résistance de tirage commune RPU connectée à une alimentation continue.
Une fois cette fonction réalisée, il suffira de récupérer l'information traitée complètement soit
depuis le pin 12 ou le pin 13.
Afin de mieux illustrer nos explications, voici une vue plus détaillé du SG3524 :
Ce composant offre également deux types de protection :
– Une en courant en connectant une résistance de shunt aux pins 4 et 5 du SG3524. Cette
protection se déclenche pour une tension supérieur à 100mV et vient couper
l'alimentation des bases des transistors à collecteurs ouverts.
– Une autre en tension sur le pin 10, qui a le même rôle que la protection en courant.
Nous avons mis en place l'interrupteur ON/OFF sur cette protection.
➢ Schéma électrique
Après avoir appréhender ce nouveau composant, nous avons établis un schéma électrique de la
partie commande.
Nous avons pour cela, divisé en sous parties les fonctionnalités du composant afin de nous assurer
du bon fonctionnement au fur et à mesure des tests.
13
Voici le schéma électrique du dispositif de commande :
+ 5V
R14
2.4k
R1
100k
R15
100 R13
0
-
100k
SG3524
+
100k
0
+15V
OUT
R2
poignée
OPAMP
U4
Créf
100k
R3
0 100n
0
0
Rt
12k
0
Ct
10n
MIN_V = 1 AVMAX = 80
GM = 2E-3 GBW = 3E+6
MAX_V = 3.5 PERIOD = 20E-6
DEAD_TIME = 1E-6
U2
R21
15
2.2k
16 REF
3 5V
6 5V
7 OSC
1 - 5V
2 E/A
+
8
C2
100n
5V
FF
5V
+
C
-
12
11
13
14
5V
-4
CL 5
+
10
R6
200
R22
2.2k
IRG4BC20F
Z1
0
R23
0
10k
Q1
2N2222A
+ 15V
2
9
+15V
+ 5V
1.2k
0
R17
U2
1
0
R20
100
Rshunt
0
0
33m
➢ Dimensionnement des composants
– Protection en tension.
L'entrée shutdown du SG3524, pin 10, permet une protection en tension. Le principe est d'obtenir
un potentiel supérieur à 0,72V pour couper l'alimentation des collecteurs de sortie.
Possédant un interrupteur 3 positions, nous avons réalisé un simple diviseur de tension avec une
résistance amont limitant le courant lors de phase d'arrêt.
Nous constatons qu'en fonctionnement ON de l'interrupteur, le pin 10 est à un potentiel nul. Tandis
qu'à l'arrêt de l'utilisateur, interrupteur OFF :
U =15∗100 /1001200=1,15V
Ce qui permet de passer le transistor interne en fonctionnement plaçant alors le comparateur avec la
rampe à la masse.
Dans cette situation, les transistors de sortie ne seront plus alimentés donc arrêt du moteur.
– Rt, Ct et Cref.
Deux composants permettent de régler la fréquence de hachage que l'on désire : Ct et Rt.
Pour obtenir une fréquence d'oscillation de 10 kHz, le constructeur nous fournit la relation suivante:
f =1,18/Ct∗Rt 
14
En se référant aux courbes techniques, , nous déterminons : RT = 11,8 kOhms, CT = 10 nF.
Enfin le pin 3 du SG3524 correspond à l'oscillateur, et la doc technique prévoit un condensateur
Cref de 100pF pour son fonctionnement.
(cf annexe, doc technique SG3524).
– Résistance de tirage
Le signal de sortie complet du SG3524 est généré en court-circuitant les pins 12 et 13. Afin
d'adapter le niveau de tension dans l'étage inverseur, nous avons placé une résistance de tirage.
Au début du projet, nous devions utiliser un SG3525 dont la datasheet conseillait l'utilisation d'une
résistance de tirage de 1,1kOhms. Le composant présentait des dysfonctionnements et nous avons
donc dû utiliser le SG3524 qui possédait les mêmes fonctionnalités.
Nous avons alors conservé cette résistance de tirage.
– Information d'entrée.
Nous souhaitons mettre en place la commande du moteur par l'action de la poignée d'accélération
présente sur la mobylette. Plusieurs étapes ont été nécessaires pour adapter ce « potentiomètre » à la
plage de tension nécessaire sur le pin 2 du SG3524.
Un test sous alimentation continu du pin 2, nous a permit de déterminer la plage de tension d'entrée
à imposer afin de pouvoir utiliser la plage de rapport cyclique totale.

100%
0
0,8
3,9
4,45
Vcommande
Nous constatons que plus la tension de commande du SG3524 est faible et meilleur est de rapport
cyclique. Donc le moteur fonctionnera à son maximum lorsque la poignée d'accélération sera au
repos. Il faudra penser à un moyen d'inverser le signal.
Puis nous avons cherché à connaître la plage de tension disponible de cette dernière. A l'aide d'un
second essai qui consistait à alimenter la poignée sous 5V, nous avons pu déterminer la plage de
tension de la poignée : 0,86 < u < 4,4 V.

100
%
0
0,8
3,9
4,45
Vcommande
15
En effet la poignée d'accélération possède un fonctionnement semblable à celui d'un potentiomètre
classique à la différence que la variation de tension en sortie s'effectue par la variation d'un champ
magnétique.
Un léger problème est alors intervenu. En effet nous ne correspondions pas à la plage de tension
requise par l'entrée du SG3524, il nous a donc fallut créer un étage soustracteur de 0,2V lui même
crée à partir du 5V continu disponible.
Pour cela, un montage inverseur a été constitué :
V1
Vs
V2
Afin de pouvoir considérer l'amplificateur comme idéal donc i+ = i-, il nous faut dimensionner les
quatre résistances de forte impédance afin de considérer les courants nuls ainsi que de même valeur
afin d'établir la relation suivante après application du théorème de Millman
Vs=V2−V1.
Pour créer le 0,2V continu sur l'entrée inverseur de l'amplificateur, nous avons simplement mis en
place un pont diviseur de tension à partir du 5V. Afin de réaliser cela, une relation entre les
résistances R14 et R15 a été établi par application de la loi des mailles :
0,2=5∗R15 / R15R14 d'où R14=24∗R15.
Ce qui nous amène à R15=100 Ohms et R14=2,4 kOhms.
– Inversion et remise à niveau du signal de sortie.
A la suite d'un choix totalement arbitraire, nous avons choisit d'utiliser le pin 13 du SG3524 pour
récupérer le signal de sortie à 10kHz.
Les résistances de tirage permettant de récupérer le créneau de 5V à 10kHz, il nous faut modifier ce
signal afin de piloter correctement l'IGBT. (La documentation technique nous donne un Vge de
15V.)
Nous allons donc mettre en place un inverseur puis effectuer une remise à niveau en tension du
signal de sortie du SG3524.
Nous avons utilisé un transistor P2N2222A type NPN (cf annexe p38), afin de réaliser l'étage
inverseur. Une fois l'état bas sur la base du transistor, celui-ci sera bloqué donc la base de l'IGBT
récupèrera le potentiel +15V à travers une résistance de tirage. Puis à l'état haut sur la base du
transistor, celui ci sera en conduction court-circuitant alors la base de l'IGBT avec la masse. L'IGBT
est bloqué.
Nous venons donc d'inverser le signal de sortie du SG3524 ainsi que d'ajuster en tension le créneau
à 10kHz.
16
➢ Tests et améliorations
Dans un premier temps nous avons mis en place, après dimensionnement, la partie à droite de
l'amplificateur.
Le pin 2 étant alimenté par une alimentation stabilisée réglée à 5V , nous avons pu vérifier divers
point tel que :
– Une tension de référence Vref=5V au pin 16, constante quelques soit la consigne
d'entrée.
– L'obtention de la rampe au pin 7.
– Puis dans un premier temps les sorties pin 12 et 13, sans résistance de charge et
l'inverseur, dont les résultats seront donnés ci-après :
Nous pouvons observer que les deux créneaux sont bien complémentaires puisque chaque sortie
couvre un rapport cyclique d'une demi période.
17
– Puis le créneau haché à 15V-10kHz à la sortie de l'inverseur et cela quelque soit la sortie
utilisée du SG3524.
Une fois que nous avions les signaux désirés nous avons connecté la partie commande et entrainé le
moteur à vide en rotation afin d'observer le bon fonctionnement de ce dernier, ainsi que les
commutations de l'IGBT.
Pour cela nous avons d'abord sous-alimenté le hacheur afin de ne prendre aucun risque pour les
composants puis nous nous sommes placés au conditions nominale de fonctionnement.
Plusieurs problèmes sont alors apparus :
• l'IGBT ne se bloquait pas correctement
•
Dès que l'alimentation dépassait une vingtaine de volt, toutes les tensions s'effondraient et le
moteur s'arrêtait.
Commençons par l'écroulement de la tension du hacheur dès que Valim>22V. Cette anomalie a été
résolue mais l'explication de ce phénomène reste encore très sombre.
Lors des premiers essais, nous avions une résistance fixant le Ib du 2N2222 de R23=1kOhms et
nous avions constaté ce décrochage de tension. Ne voyant pas l'origine du problème nous avons
augmenté la résistance à 10kOhms et ce problème a disparu.
18
Nous n'avons pu nous attardé trop longtemps la dessus car il restait encore beaucoup de travail mais
c'est une question qui serait intéressant de revenir lors d'étude du système par de futur promotion
par exemple.
Passons maintenant second problème avec un relevé à l'oscilloscope des commutations de l'IGBT :
Légende :
• En jaune, le signal carré en sortie du SG3524. On observe bien malgré la légère chute de
tension dû à la résistance de tirage un carré de 5V.
• En vert, le signal à la sortie de l'inverseur (Vce) qui est ajusté à 15V et bien opposé à celui
produit par le SG3524 permettant donc une commande de l'IGBT en adéquation avec les
variations de tensions produite par la poignée d'accélération.
Nous constatons alors que la mise en conduction de l'IGBT se fait correctement : Vce=15V.
Cependant, les oscillations qui apparaissent sur Vce témoigne d'une difficulté à bloqué l'IGBT. De
plus, ces oscillations se propagent donc sur tout le signal de commande.
Nous avons donc également voulu observé le courant dans le moteur afin d'identifier toutes les
éventuelles anomalie supplémentaire.
Le relevé ci-dessus montre en jaune le courant moteur, puis toujours Vce en vert. Nous pouvons
constaté que les morceaux de droite théoriquement attendues ne sont pas présente et que l'on
constate une discontinuité de conduction au moment du blocage de l'IGBT.
19
Nous avons donc commencé par étudier le problème des commutations de l'IGBT qui nous
paraissait le plus urgent puisque cela engendre des pertes et que ce n'est pas le fonctionnement
attendue.
Pour cela revenons à la manière de bloquer un l'IGBT → il faut lui imposer Vce = 0V.
En observant les relevés nous constatons que le 0V théorique de l'IGBT n'est pas correctement
atteint. Ce qui correspond à la phase de saturation du transistor 2N2222 qui possède une tension de
seuil de 0,3 à 1V.
Il faut donc penser à un montage permettant de fixer un 0V afin d'éliminer ces commutations
parasites de l'IGBT.
20
Nous avons donc, après avoir examiner ce problème avec Mr Boitier, choisit d'utiliser un montage
dit « Push-Pull » à l'aide de deux transistors dont voici le schéma électrique?
Nous avons donc implanté ce montage entre le 2N2222 et l'IGBT donc nous allons expliquer le
fonctionnement :
• 2N2222 bloqué → potentiel +15V donc Ib>0 pour les transistors NPN et PNP. Le transistor
NPN sera donc saturé ce qui permet la conduction de l'IGBT.
• 2N2222 saturé → potentiel quasiment nul (0,3 à 1V) donc courant Ib<0 sur les bases du
Push-Pull. Le PNP est en saturation tandis que le NPN vient de se bloqué. Nous imposons
donc 0V sur la gille de l'IGBT.
Nous nous sommes alors penché sur le second problème qui était d'améliorer la forme d'onde du
courant dans la charge.
Relativement simple à résoudre car il existe deux technique :
• Augmenter l'inductance de la charge
• Augmenter la fréquence de commutation de l'IGBT.
Pour des raisons de pratique, nous avons doublé la fréquence des commutations afin de diminuer
l'amplitude de l'ondulation de courant par 2 et d'améliorer la conduction.
Pour cela la valeur de Rt et Ct sur les pin 6 et 7 permettent de fixer la fréquence de travail par la
relation suivante : f =1,18/Ct∗Rt 
Nous sommes alors passé à : Ct = 10nF et Rt=6 kOhms
Après avoir résolu ces divers problèmes techniques, nous nous sommes penché sur la création du
+15V et du +5V afin de pouvoir travailler en autonomie et donc d'embarquer le hacheur sur la
mobylette.
Tous les essais étant réalisés avec des alimentations stabilisées nous avons utilisé un LM7815 et
LM7805. Cependant le LM7815 ne supporte que 35V maximum en entrée et la seule source
disponible sur la mobylette est le 36V produit par les batteries.
21
Pour cela nous avons placé une résistance en amont du régulateur de façon à produire une chute de
tension à ses bornes.
i
Ip
R
36 V
Ir
Régulateur
15V
Régulateur
5V
partie
commande
Partie
puissance
Nous avons mesuré le courant que devra fournir le régulateur et en admettant que le régulateur ne
produit aucune pertes on déduit :
Loi d'Ohms : R=1 / Ir =1/0,025=40
Or nos batteries étant neuves, nous avons une tension de 38,5V. Nous avons précédemment qu'une
fois chargées, les batteries présentaient une tension de 12,8 à 13,2V.
Donc il faut dimensionner R pour avoir une chute de tension de 3,5V minimum.
R=1 / Ir=3,5/0,025=140 
Nous prendrons donc R=150 
22
IV.Schéma final et améliorations possibles.
Tous les problèmes mis en avant par les essais que nous avons réalisé ont été résolu, nous avons
donc pu procédé à la partie « retour en enfance » de ce projet en essayant réellement la mobylette.
1
Auparavant, voici un récapitulatif du schéma électrique du hacheur :
Battery
36V
D2
C
200µ
Moteur
+5V
2
+ 5V
U3A
VCC
VO
GND
R14
2.4k
HCPL6731
R1
R15
100 R13
0
-
100K
100K
U4
SG3524
MIN_V = 1 AVMAX = 80
GM = 2E-3 GBW = 3E+6
MAX_V = 3.5 PERIOD = 20E-6
DEAD_TIME = 1E-6
U2
R21
15
2.2k
16 REF
Créf
R3
0 100n
0
C2
100n
0
Rt
6k
0
Ct
10n
+ 15V
0
+15V
+
100K
0
33m
OPAMP
OUT
R2
poignée
Rshunt
100K
0
Z1
IRG4BC20F
3 5V 5V
6 5V FF
7 OSC 5V
+
C
1 - 5V
E/A
2
+
8
9
0
12
11
13
R4
R22
2.2k
R18
0
0
14
5V
-4
10k
CL 5
+
10
R17
2
ON/OFF 0
1
+15V
+ 5V
1.2k
200
R5
200
Q3 NPN
Q1
2N2222A
PNP
+ 15V
Q5
0
0
R20
100
0
23
Puis un essais mettant en avant l'amélioration indiscutable des modifications apportées.
Nous constatons que la forme du courant de charge correspond plus à la forme théorique et que les
problèmes de blocage de l'IGBT ont disparu grâce au montage « Push-Pull ».
Ayant terminé de résoudre ces différents problèmes, il ne nous restait plus qu'une demi-journée pour
tester la mobylette en charge. Nous avons donc intégré, sur la mobylette, la carte où la partie
puissance était déjà câblée puis le circuit de commande encore sur plaque Labdèque.
MCC
Les batteries sont
en dessous du
hacheur
Partie
commande.
Partie
puissance.
24
Nous avons donc à ce moment pu essayer notre projet mais un point très important nous a échappé
lors des essais et nous en avons fait l'expérience très rapidement.
A la première accélération, nous avons malheureusement assisté à la destruction de l'IGBT. Nous
n'avions effectué que des essais avec la roue arrière de la mobylette dans le vide ce qui induit un
courant de charge relativement faible.
Mais une fois une personne assise sur la mobylette, la configuration est différente car un couple
résistant s'exerce sur l'arbre du moteur donc un courant nettement plus important est nécessaire.
La protection en courant du SG3524 n'ayant pas fonctionné, le résultat a été sans appel.
Nous avons alors pu changé l'IGBT et effectué un test depuis une alimentation stabilisée possédant
une limitation en courant que nous avons fixée à 8A pour tester la protection en courant.
Nous avons donc reproduit la charge du conducteur en s'opposant à la rotation de la roue afin de
faire monter le courant de charge. Nous avons constaté que la protection en courant était
défectueuse car avec Rshunt = 33mOhms le SG3524 aurait du limiter le courant à 6A et le moteur
fonctionnait alors que la limitation à 8A par l'alimentation était atteinte.
Finalement, quelques points restent à améliorer :
• Protection en courant du SG3524 : probablement un composant défectueux donc il faudrait
réaliser quelques essais pour s'en assuré.
• Implanter un interrupteur de puissance en série immédiatement après les batteries afin
d'éviter la décharge de celles-ci lorsque la commande est coupée.
• Intégrer la partie commande sur la carte électronique ou figure déjà la partie puissance afin
de finaliser le projet.
25
Conclusion
La conception d'un convertisseur a été une découverte pour nous. En effet, l'étude théorique
des convertisseurs fait partie de nos acquis cependant la phase de conception a été une nouveauté.
Nous avons donc été confronté à des choix technologiques en prenant en compte le critère
économique, le matériel dans un environnement scolaire. Puis à la résolution de problèmes diverse
tant technologique que logistique.
Au final, avec un délai assez court, nous avons pu répondre à l'ensemble du cahier des
charges mis à part l'installation correcte d'une protection en courant du convertisseur.
Nous avons donc pu mettre en avant les connaissances acquises depuis plusieurs années,
faire preuve d'adaptation ainsi que de travail en équipe dans un but commun : réaliser un projet
concret. Ce qui a été une source de motivation supplémentaire et différente du travail habituel du
reste de l'année.
26
Summary
A working time of 66 hours and 30 minutes distributed over 7 weeks was assigned to us to
realize an exercise book of loads workbenches by the heads of project management.
By using all the knowledge acquired during our programme, we had to recondition an electric
moped.
For this, professor asked to us to realize an direct-current at direct current electrical
converter. In first time we studied the existing system. In second time, we modelled the converter
and bought the material that we needed as batteries. The other component were supplied by Mr
Boitier. Moreover, the study of every component was essential
Finally, we tested the part power of the converter then the part control. We have some difficulties
during the tests because the performances wasn't as in theorie so we must improve them.
After some modifications, we succed the tests on bench test and we could try the moped outdoor.
But it wasn't a success and we have killed a component because a protection did'nt work.
To conclude, we repaired the converter but there are two points to be improved to finalize
the system. In particular the resolution of the bug of the running protection.
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Bibliographie
Site :
– 20/03/2011 : des sites qui ont permit la compréhension du fonctionnement des batteries
pour diverses technologies.
http://fr.wikipedia.org/wiki/Batterie_au_plomb#La_d.C3.A9charge_compl.C3.A8te
http://fr.wikipedia.org/wiki/Accumulateur_lithium
– tout au long du projet : fournisseur de matériel électronique.
http://fr.farnell.com
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Annexes
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30
31
32
33
34
35
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39
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