la propulsion electrique

LA PROPULSION ELECTRIQUE
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
SOMMAIRE :
1) PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA PROPULSION
ELECTRIQUE :
page 3
2) LE FONCTIONNEMENT :
page 5
3) CINQ MODES DE FONCTIONNEMENT :
page 7
4) FONCTIONNEMENT EN MODE REGENERATION 4 & 5
UNIQUEMENT :
page 8
5) AUTONOMIE SUR BATTERIES :
page 9
6) PERFORMANCES :
page 9
7) QUELQUES QUESTIONS :
page 10
8) RECAPITULATIF DES MODES DE FONCTIONNEMENTS
ELECTRIQUES DU L420 :
Janvier 2007
page 14
Document non contractuel. Modifiable sans notification
1) PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DE LA PROPULSION ELECTRIQUE
• Groupe électrogène 11,5 KVA - 50Hz (220V) ou 13.5 KVA - 60Hz (110V)
• Groupe électrogène 17,5 KVA - 50Hz (220V) ou 21.5 KVA - 60Hz (110V) en
option.
• Chargeur / Convertisseur 220V – 72V, 3x40 A en 11,5 KVA ou 6x40A en 17,5
• Stockage de l’énergie dans un parc entièrement dédié aux moteurs électriques de
deux fois six batteries séparables (sécurité: en cas de défaut d’une batterie un parc
peut encore alimenter un ou deux moteurs)
• Propulsion par deux moteurs électriques 10 KW chacun, en 72V
Schéma de principe 1
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
Schéma de principe 2: prop. batteries 72V et charge batteries 12V.
Prise de de quai
Shore power
GE
Genset
mode 3 (100%)
mode 4 (60%)
110V / 220VAC
120A
72VDC
Chargeur
Charger
Bord
110 ou 220V
Domestic circuit
Mode 4 & 5
72VDC
12VDC
25A x2
Moteurs
électriques
Electrical motors
10KW DC
Parc Batterie moteur
72VDC, 6 x 210A
Motor Battery bank
Parc servitude
12VDC, 2 x 140A
Service Batteries
Chargeur
Charger
Mode 5 (up to 100%)
Mode 4 (40% max)
Régénération
Regeneration
Alimentation par batteries seules
Batteries only
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
2) LE FONCTIONNEMENT
• Bateau à quai batteries chargées à 100%.
• Mise sous tension du groupe électrogène par des coupe-batteries (12v) situés en
face avant de la couchette arrière tribord, on y trouve aussi les coupes batteries du
bord.
• Mise sous tension des moteurs électriques par deux coupes circuits (72v) en face
avant de la couchette arrière bâbord.
• La clef au tableau électrique (dans le carré à tribord) permet la mise sous tension
du système de propulsion électrique. Les batteries de propulsion alimentent les
moteurs électriques de propulsion. On sélectionne alors le mode de fonctionnement
au tableau électrique (5 modes) grâce à un commutateur (voir chapitre : ‘’Les 5
modes de fonctionnement’’). Pour utiliser la propulsion électrique, il faut sélectionner
le mode 4 ou 5.
COMMUTATEUR 5 POSITIONS
Permet de choisir les différents modes d’utilisation des
fonctions liées à la motorisation électrique
Mode 1 : Alimentation par la prise de
quai.
- batteries 72V en charge
- batteries 12V en charge
- alimentation prises 220V ou 110V
- fonctions du bord disponibles
- moteurs inactifs
Mode 2 : Arrêt du système.
12V dispo.
Mode 4 : Alimentation Bord 220V
(ou 110V) + marche moteur.
- mise en route automatique du
générateur en fonction du niveau
de charge des batteries.
- alimentation 220V par le
générateur
- batteries 12V et 72V en charge
- moteur en fonctionnement,
puissance limitée à 40%.
- Pas de régénération sous voile
car le GE charge le parc de
propulsion
Janvier 2007
Clé de contact: la clé de contact active
uniquement l’autorisation de
fonctionnement des moteurs, le
commutateur en position 4 ou 5.
Après son activation, les boutons
ON/OFF du tableau moteur sont actifs.
Mode 3 : Alimentation Bord 220V (ou
110V)
- démarrage du générateur.
- alimentation 220V par le générateur.
- batteries 12V et 72V en charge.
- moteur inactif.
Mode 5 :
- marche moteur
- mise en route automatique du générateur en
fonction du niveau de charge des batteries.
- régénération sous voile si les commandes
moteurs son sur neutre .contact tableau + clé
intérieur.
- pleine puissance disponible : GE + batteries.
Document non contractuel. Modifiable sans notification
• En position 4 et 5, au poste de barre, activer "ON" sur le tableau de contrôle + clé
intérieur: les manettes moteurs fonctionnent et le bateau peut se déplacer, la
puissance délivrée est au maximum disponible du parc batteries. Cette sécurité
supplémentaire permet de désactiver la rotation des hélices lorsque le bateau est au
mouillage ou arrêté, mais pour plus de sûreté, tourner la clef du tableau électrique et
la retirer, ainsi il n'
y a plus de risque en se baignant autour des hélices.
TABLEAU MOTEUR
tableau indiquant l’état des composants liés à la motorisation
électrique
indicateur de
consommation de
courant ou de
régénération du moteur
bâbord
indicateur de
consommation de courant
ou de régénération du
moteur tribord
niveau de
consommation ou de
régénération du parc
batteries 72VDC
Témoin (voyant fixe) de
fonctionnement des
moteurs bâbord et tribord
Indicateur de la tension
du parc batteries 72VDC
jauge batteries (taux
d’intensité restant en %)
Témoin (voyant
clignotant) indiquant un
défaut d’isolement du
circuit électrique : coupe
batteries off
témoin de présence (voyant fixe):
- générateur en marche
- prise de quai branchée
- chargeur en marche
- défaut batterie détecté
(voyant clignotant)
boutons de mise en
marche/arrêt des
moteurs
• La puissance délivrée par le générateur est de l’ordre de 11kW en mode 4 et
passe à 13.5kW en mode 5 grâce à un passage de 220V 50Hz à 220V 60Hz (ou de
110V 60Hz à 220V 60Hz), ce qui explique pourquoi, en position 5, seuls les moteurs
de propulsion peuvent être alimentés.
• En mode 5 uniquement il est possible de cumuler la puissance générateur à celle
du parc batterie, on est alors à pleine puissance jusqu’à ce que le parc soit à 80% de
charge.
Dès lors, la puissance est fournie uniquement par le GE ; la vitesse maximum du
bateau est réglée par la puissance disponible (variable suivant le mode de
fonctionnement choisi et suivant la puissance du générateur).
• En mode 5 uniquement le générateur se met en marche automatiquement à 80%
de charge et s’arrête automatiquement toutes les heures pour tester l’état du parc de
propulsion, il redémarre immédiatement si les batteries sont à moins de 80% de
charge, ou reste arrêté si la charge est supérieure.
A ce jour, l'
équipe de développement travaille toujours à l'
automatisation du
démarrage du générateur, car le système est indexé sur la tension (Volts) ce qui
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
provoque un démarrage du générateur dès qu'
une forte sollicitation est faite. Nous
avons ajouté un temporisateur de démarrage mais cela ne suffit pas à ce que le
générateur ne démarre pas alors que les batteries sont encore bien chargées.
Cette imperfection sera corrigée rapidement, en attendant, le système est "trop"
protecteur pour les batteries, ce qui n'
est pas grave.
3) CINQ MODES DE FONCTIONNEMENT
Sélection au tableau de contrôle :
Le fonctionnement peut être résumé à 5 situations principales sélectionnées par le
commutateur de mode situé au tableau électrique.
Mode 1 :
Energie fournie par la prise de quai
Les utilisations bord sont connectées à la prise de quai
Une partie de la puissance est réservée à la recharge batterie
Les commandes motrices sont inhibées.
Mode 2 :
Arrêt :
Mode 3 :
GE en fonctionnement 220V 50Hz (ou 110V 60Hz).
Réseau de bord alimenté sans propulsion
Les utilisations bord 220VAC (ou 110VAC) sont connectées au GE.
Une partie de la puissance est réservée à la recharge batterie
Les commandes motrices sont inhibées.
Le mode 4 et 5 sont deux modes de propulsion et opérationnel
uniquement avec la clé intérieur sur "on" et le contact au tableau
extérieur.
Mode 4 :
GE en fonctionnement propulsion 220V 50Hz (ou 110V 60Hz) et
réseau bord alimenté : environ 60% de la puissance du groupe
électrogène est dédiée aux utilisations du bord, tandis que 40% est
destinée à la propulsion et/ou recharge des batteries de propulsion.
Mode 5 :
Propulsion, réseau 220V (ou 110V) de bord non alimenté. Navigation.
Navigation sous voile. La régénération est activée automatiquement si
les commandes moteurs sont sur neutre.
Navigation au moteur. L’énergie nécessaire à la propulsion est fournie
par les batteries. Quand leur état de charge devient insuffisant, le GE
démarre automatiquement.
Janvier 2007
- sous voile, les hélices tournent librement
- bateau au port sans personne à bord
Document non contractuel. Modifiable sans notification
4) FONCTIONNEMENT EN MODE REGENERATION 4 & 5 UNIQUEMENT
• Pour ne pas freiner le bateau à basse vitesse, le variateur se cale sur la vitesse de
rotation de l’hélice à 4,5 nœuds, soit 150 t/min.
• En dessous de cette vitesse, pas de régénération, l’hélice tourne librement en
fonction de la vitesse du bateau.
• A partir de 5 nœuds le variateur «freine» la rotation de l’hélice pour produire de
l’énergie: à 5 nœuds au lieu d’une rotation libre à 230 t/min, l’hélice est freinée à 150
t/min, produisant environ 3 Ampères (par moteur).
• Jusqu’à ce que la régénération atteigne sa valeur optimum (en sortie de variateur),
l’hélice est bloquée à 150 t/min; une fois cette valeur atteinte, l’hélice accélère
progressivement (le variateur relâche la pression sur l’hélice). La valeur optimum est
calibrée à 18 ampères par moteur, ce qui pénalise la vitesse à 9,5 nœuds d’environ 1
nœud.
• En très haute vitesse (autour de 18 nœuds) la régénération se désamorce
automatiquement pour ne pas surcharger.
• Les batteries de propulsion chargent les batteries du bord via deux chargeurs
convertisseurs 72/12V de 2 x 25 ampères. Ainsi les batteries du bord sont-elles
toujours chargées, et profitent de la régénération pour maintenir leur charge lorsque
le bateau navigue. Au mouillage ou si les besoins du bord sont importants, la
décharge du parc batteries de propulsion à 80% déclenche automatiquement le
démarrage du groupe électrogène : les deux parcs sont donc parfaitement protégés.
Bien sûr, l'
utilisateur, en fonction de sa consommation personnelle constatera au
bout de combien de temps intervient cette décharge, et pourra décider de lui-même
de redémarrer son générateur à l'
heure qu'
il souhaite, afin d'
éviter un démarrage
automatique en pleine nuit.
Il est toujours possible de quitter le mode régénération en appuyant sur le bouton
OFF du tableau moteur ou en tournant le sélecteur situé au tableau électrique
(mode 1, 2, 3) pour ne plus freiner le bateau
Lorsque les batteries sont chargées l’hélice est libérée et le système se teste pour
relancer la régénération selon le niveau des batteries
Le système de régénération gère la charge de manière entièrement automatisée
(comme un chargeur de batterie standard).
La vitesse du bateau n’est jamais freinée de plus de un noeud en mode
régénération.
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
5) AUTONOMIE SUR BATTERIES
• L’autonomie sur batteries est calculée sur une base de 4,5 noeuds de vitesse
avec moins de 5 nœuds de vent (c’est un voilier)
• L’autonomie de 100 à 80% de décharge est estimée à 2 heures.
• Si on coupe le groupe électrogène qui démarre automatiquement à 80% de
charge :
• L’autonomie de 80 à 60% de décharge est estimée à 1 heure
• Soit au total 3 heures de fonctionnement sur batteries à 4,5 Nds, en sachant que
l’on commence à dégrader les batteries après 2 heures
• A 60% de charge, le groupe démarre automatiquement à nouveau pour protéger
les batteries. Si on essaie de le couper, il reste en fonctionnement jusqu’à ce que les
batteries soient rechargées. La seule façon de l’empêcher de fonctionner consiste à
couper les coupes batteries dans la cabine arrière tribord puis à forcer son arrêt.
DONC
• Pour une conservation optimale des batteries, il est conseillé de ne pas
naviguer sur batteries plus de 9 miles, ce qui est largement suffisant pour
gérer n’importe quelle entrée de port et amarrage.
• Au delà de 13,5 miles : risque de dégradation du parc batteries.
6) PERFORMANCES
GE 11KVA:
• Vitesse de croisière permanente:
• Vitesse de pointe:
5.8 nœuds.
5.9 nœuds.
GE 17.5 KVA:
• Vitesse de croisière permanente:
• Vitesse de pointe:
7.2 nœuds.
7.3 nœuds.
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
7) QUELQUES QUESTIONS
Q.: Lorsque l’on est sur batteries seules, quelle est la vitesse maximum et
pendant combien de temps ?
A.: Estimation après Calculs : Batteries pleine charge (60% de marge) - 210 * 0.6 =
126 Ah
Puissance Disponible = 126 Ah * 72V = 9072 Wh ---> Au final, on a 9072 Wh de
disponible par moteur, et une vitesse d’environ 6,5 nœuds. Pour l’autonomie, tout
dépend de la vitesse.... mais aujourd’hui, à plein régime (10kW par moteur) on
tient 1 h environ.
Q.: A partir de quelle vitesse faut-il éviter d’enclencher la régénération ?
A.: C'
est transparent pour l'
utilisateur, le variateur sait lorsqu'
il faut enclencher ou non
la régénération et de toute façon les actions sur l'
arbre d'
hélice se font
progressivement sans risque d'
abîmer les appareils.
Q.: Quelles sont les différentes puissances que l’on peut fournir aux moteurs
et par quels moyens ?
A.:Le GE seul délivre 9.6kW (par le chargeur - le générateur envoie 11kW au
chargeur, le chargeur restitue 9.6kW) de puissance directe aux deux moteurs
1. En fonctionnement continu 24h / 24h, le GE envoie directement aux moteurs
(sans utiliser le potentiel batteries) 9.6 kW, soit 4.8 kW par moteur .... ce qui fait
une vitesse mesurée d’environ 7 Nds. La déconnexion du parc peut se faire
manuellement au niveau des disjoncteurs 72VDC lorsque la propulsion est
enclenchée.
2. Au maximum des moteurs (10 kW) les batteries fournissent 3.2 kW à chaque
moteur. Donc à fond avec le GE + les batteries, l’autonomie théorique est de
2h45.
3. Théoriquement après 2h45 à fond, la tension batterie diminue, normalement le
bateau ralentit jusqu’à atteindre la vitesse d’équilibre citée au point 1.
Q.: Est-ce cher de changer les roulements à 20 000 H ? Qui peut le faire ?
A.: Les roulements sont des pièces standard, et nous travaillons à ce que leur
remplacement soit facilement effectué par le SAV mondial de Leroy Somer. De
plus, les 20 000 heures sont une valeur industrielle minimale, il est hautement
probable que la plupart des roulements dépasseront de beaucoup cette valeur.
Q.: Charge du parc moteur par le GE : combien d’Ampères ? Si on choisit le
groupe de taille supérieure, est-ce que le chargeur est changé pour être
adapté à la puissance du gros groupe ?
A.: 3 x 40 A avec le mode 5. Si on met un GE 17.5 kW, on met 2 chargeurs (2 x 3 x
40 A) en parallèle, pour pouvoir fournir 19.2 kW aux moteurs, sans prendre de
l’énergie aux batteries.
Q.: Le chargeur du quai vers le parc moteur est-il le même que celui du GE vers
le parc moteur ?
A.: Le chargeur est le même quelle que soit la source d’énergie (quai ou générateur).
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
Q.: Peut-on avoir des hélices repliables ? Si oui, lesquelles ? Cela modifiera-t-il
les performances au moteur ?
A.: Si on a des pales repliables on ne régénère plus, sauf à utiliser des hélices à pas
variable réglables depuis le bord. Des essais en Autoprop vont être menés.
Q.: Sensibilité des commandes moteurs : de 1 t/mn à 100%
A.: La sensibilité est comparable à des commandes électriques sur un diesel.
Q. Comment voit-on que l’on est embrayé, ne serait-ce qu’à 1 t/mn?
A.: L’état de consommation indique que l’on est embrayé. De plus, les commandes
ont un positionnement neutre net, et un premier embrayage net lui aussi; on sait
donc si on est embrayé à la fois par une lecture sur les deux cadrans du haut et
un regard sur les manette de commande
Q.: Y a t il beaucoup de bruit en régénération ?
A.: on entend la rotation de l’arbre d’hélice dont le bruit est inférieur à 46 Dbs,
sachant que le bruit de l'
eau le long de la coque est de l'
ordre de 55 à 60 Dbs!
Q.: Est-ce que les moteurs chauffent beaucoup ?
A.: Entre 40 et 65°c.
Q.: Est-ce que les batteries gel apportent un avantage en terme de performance
et de longévité ?
A.: Pas d’entretien, pas besoin de ventilation. Pour le reste, elles ont quasiment les
mêmes caractéristiques que les acides standard.
Mais nous travaillons à un solution Lithium Ion qui semble prometteuse: 3 fois
moins lourd, 3 fois moins encombrant, garantie constructeur de 8 à 15 ans, à
l'
issue de laquelle la perte est de moins de 20%. C'
est donc techniquement très
intéressant et nous travaillons à rendre cette solution abordable.
Q.: Quelle est la consommation du GE en 11KW et en 17,5KW avec les moteurs
à 100% ?
A.: Consommation GE 100% puissance : 11 KW : environ 3.4 l/h 13.5 KW :
environ 4.5 l/h 17.5 KW : environ 6.1 l/h 21.5 KW : environ 7.2 l/h. Mais ce sont
des valeurs maxi car le groupe n’est pas toujours sollicité à pleine puissance.
Q. : Comment utiliser en traversée l’énergie accumulée par la régénération sur
les parcs moteurs pour le bord ?
A: L’énergie est immédiatement disponible puisque les batteries du bord sont
chargées par les batteries de propulsion qui sont
chargées par la régénération ou le groupe électrogène.
Q. : Pourquoi des moteurs en 72V et pas plus ?
A.: la norme de dangerosité de voltage pour l’homme est à 80V. Nous avons
volontairement choisi de rester 10% en dessous de la norme par sécurité, de plus
ce voltage est suffisant.
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
Q : la puissance de 2x10KW est bien faible pour un cata de ce poids et de ce
fardage car on n'a pas toujours un calme plat pour accéder à nos mouillages
ou en sortir. Même en sachant qu'
avec l'électricité, il est possible de diviser
par 2 la puissance.
A : Caractéristiques mesurées sur Lagoon 440 : vitesse 5 noeuds avec mer
formée et 25 - 30 noeuds de vent de face.
(Caractéristiques maintenues constantes avec GE 17.5/21.5KW)
La vitesse de rotation des moteurs thermiques engendre beaucoup de pertes
(hélices de faible diamètre avec peu de pas, vibration, transmissions, etc.) ;
lorsque l’on regarde les courbes de traînée des carènes, on s’aperçoit qu’en fait,
les Kilowatt théoriques nécessaires à obtenir les vitesses visées sont très proches
des valeurs mesurées sur les bateaux à propulsion électrique. De plus, nous
avons volontairement limité la vitesse cible, car la puissance nécessaire au-delà
de 7,5 nœuds est asymptotique : il faut plus que doubler la puissance pour passer
de 8 à 9 nœuds !
Q : Le parc batteries et l'
autonomie sont trop faibles. La surface du roof et du
bimini permettrait l'installation d'une grande puissance de panneaux
solaires mais hélas, inutile avec un parc batteries aussi ridicule. Les
batteries seraient chargées très rapidement (trop!) mais vidées aussi vite et
cela imposerait quand même l'utilisation intensive du GE. Ce serait vraiment
ridicule! Ou est localisé le parc batteries? Est-il possible de l'augmenter
avec ces petites batteries ou beaucoup mieux avec des golf cart ou des L16
en 6V (problèmes de hauteur disponible ?)
A : Le parc batterie a été calculé pour avoir une autonomie de 13,5 Milles (3 heures à
4,5 Nds). II représente 2 x 6 Batteries de 12V - 210 Ah et pèse environ 840kg.
Sachant que vous utiliserez votre parc batterie pour sortir du port, y rentrer et en
cas d'
urgence (panne GE).
Le parc batteries est localisé dans les jupes AR.
Plusieurs technologies de batterie peuvent assurer cette prestation. Dans notre
cas actuel les batteries choisies sont les mieux placées dans le rapport
coût/puissance/encombrement et disponibilité internationale.
La recharge du parc batteries est assurée dès que vous atteignez 5 Nds sous
voile. Avec la régénération, vous atteignez facilement 1500 W / h.
Enfin, avec un système de panneau solaire vous pourrez "tirer" au maximum 120
Watts.heure / m² pour un panneau très bien exposé, avec les meilleures
conditions d'
ensoleillement.
Q : Pourquoi travailler en 72V? Tension ou intensité, qu'elle est la donnée à
prendre en compte?
A : Le choix de 72VDC n'
est pas surprenant. Pour preuve, c'
est le niveau de tension
utilisé par la SNCF et la plupart des engins de manutentions / tractions (chariots
élévateurs, gerbeurs, etc.), ainsi que les ascenseurs.
Dans le cadre de la protection des usagers, il est préférable de travailler en basse
tension.
On ne peut pas dissocier les risques issus de la tension ou de l'
intensité puisque
ces 2 variables sont proportionnelles.
Tension max acceptable par le corps : 50VAC
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
Intensité max acceptable par le corps : 30mA
Résistance humaine : R = U/I = 50 / 0.03 = 1667 Ohm
Or on travaille en 72VDC : I = U / R = 72 / 1667 = 43 mA
Sauf qu'
en courant continu, l'
intensité max admissible par le corps humain est 130
mA (source constructeur), donc ce choix de tension est judicieux.
Si on travaillait en 220V : I = 131 mA, dangereux !!
Donc la tension est à prendre VRAIMENT en compte puisque c'
est elle qui va
"calibrer" l'
intensité.
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification
8) RECAPITULATIF DES MODES DE FONCTIONNEMENTS ELECTRIQUES DU L420
MODE 1
MODE 2
MODE 3
MODE 4
Mettre la clé en position 1 pour
activer la rotation des hélices
MODE 5
Mettre la clé en position 1 pour
activer la rotation des hélices
GENERATEUR à 60% dédié pour le
bord (démarrage automatique à 80%
de charge batteries 72V)
GENERATEUR 100% dédié à la
propulsion (démarrage
automatique à 80% de charge
batteries 72V)
SOURCE 220/110V
QUAI
OFF
GENERATEUR à
100% en continu
pour le bord
Fonction 12 V disponible
OUI
OUI
OUI
OUI
OUI
Fonction 220V disponible
OUI
NON (sauf avec
option
convertisseur)
OUI
OUI
NON (sauf avec option
convertisseur)
Recharge 72 V
OUI
NON
OUI
OUI
OUI sous reserve de puissance
disponible
Recharge 12 V
OUI
NON
OUI
OUI
OUI sous reserve de puissance
disponible
Electrique sur batteries (+ GE
démarrage automatique 100%
dédié à la propulsion, lorsque les
batteries 72V ont atteind leur limite
de décharge)
PROPULSION
NON
NON
NON
Electrique sur batteries (+ GE
démarrage automatique 40% dédié à
la propulsion, lorsque les batteries
de propulsion ont atteind leur limite
de décharge)
PROPULSION Pleine
Puissance
NON
NON
NON
40% de la puissance GE
uniquement
100% du GE + batteries 72 V
jusqu'
à 80% de leur charge.
REGENERATION
NON
NON
NON
NON
4,5 nds < OUI < 18 nds
Janvier 2007
Document non contractuel. Modifiable sans notification