Skate électrique

[Randy]

Bonjour à tous

Tout d'abord, j'espère que vous passez de bonnes fêtes malgré la pluie (ça dépend où on se trouve oui je sais ). Nous sommes entrés au lab depuis janvier avec comme projet monter une entreprise dans le skate électrique. Il est fort possible que vous ayez déjà croisé des membres de la team (ça fait 1 an qu'on est là quand même ). La plupart du temps quand j'ai un problème je pose directement ma question à un membre du lab mais cette fois j'ai décidé de passer par le forum pour avoir plusieurs avis.

Ma question concerne sur le montage d'un circuit de freinage pour un moteur brushless. Effectivement, quand un moteur freine il devient générateur de courant du coup on recharge les batterie (regenerative brake) ce qui est cool . En revanche, si on fait pareil avec une batterie pleine on risque de la surcharger et ça c'est pas cool . C'est là qu'entre en jeu la résistance de freinage qui va dissiper l'énergie fournie par le moteur lors du freinage TANT QUE la batterie est pleine.

Je suis tombé en général sur deux idées sur internet:
1) on contrôle directement Q1 avec la sortie numérique BRAKEn du microcontrôleur.

Brake Circuit2.PNG (26.14 Kio) Vu 9340 fois

2)on fait ce genre de montage http://e2e.ti.com/cfs-file/__key/communityserver-discussions-components-files/38/1031.Brake-Circuit.PNG

Ayant une préférence pour la 1re (parce que j'y avais pensé avant de me renseigner) j'aimerais quand même comprendre les avantages et inconvénients de chacune surtout que la 2e est utilisée par TI. J'ai jeté un coup d’œil sur les datasheets et je ne vois pas pourquoi il ne font pas la 1re.

Donc si vous pouviez donner un avis avec explication ce serait cool.

Merci d'avance

[NicoM]

Le second circuit opère une conversion 3,3V vers 5V et peut fournir un courant bien plus important (5/33=150mA ici) qu'une sortie de microcontrôleur (pas plus de 30mA, et encore je crois que je suis généreux). Ce courant détermine la vitesse à laquelle le MOS commute.
Il faudrait retrouver la discussion dans laquelle ce schéma a été posté sur le forum de TI, il y a sûrement des explications.

[rude_ulm]

Quelques remarques

Attention à la valeur de la puissance de la résistance de charge (et donc aussi à sa valeur) qui doit être fonction de celle du moteur et du freinage recherché, en tout cas beaucoup plus que 10W..
Attention aussi à ne pas recharger directement la batterie sans passer vers un circuit d'équilibrage

Mais surtout penser que pour un freinage (progressif) va falloir moduler le courant quelque part, sinon ... gamelle (pas progressive)

L'idée est bonne, sa réalisation un peu plus complexe mais c'est très faisable

Bonne année à tutes et à tus

Dom

[Randy]

Merci encore pour les réponses

Du coup le 2e schéma serait le meilleur si je veux que mon MOS commute le plus rapidement possible ok c'est noté.

Les schémas sont surtout là pour faire comprendre le principe... les MOS ne seront pas ceux là et la résistance de freinage pas celle là non plus (elle serait vraiment sous dimensionée ). Oui il faut équilibrer les cellules pendant le freinage je m'en doutais aussi j'ai un circuit (BMS) qui permet d'équilibrer quand je recharge mes batteries (à l'aide d'un chargeur) je pense donc qu'il peut gérer le regenerative brake. On a bien un pont à 6 MOSFET qui permet de passer d'un bus continu à du triphasé pour contrôler le moteur dans les 4 quadrants (ainsi on peut gérer le freinage) de ce coté pas de soucis.

Bonne année

[FRoussel]

Bonjour Randy,

Il y a le freinage (principe des ralentisseurs de camion) en mettant en court-circuit plus ou moins franc les bobinages
Il y a récupérer le courant pour recharger la batterie avec un bms pour protéger et équilibrer
il y a la commande du brushless avec un ESC du commerce je suppose...
Pour moi ce sont trois trucs indépendants qui fonctionnent de manière isolée et j'adorais savoir comment faire pour les gérer ensemble

[Randy]

Bonjour Francis,

Si ça peut t'aider à comprendre voilà comment c'est fait dans mon skate à l'heure actuelle et ça marche:

synoptiqueSkate.png (29.66 Kio) Vu 9312 fois

Un moteur électrique a 2 sens de rotation et pour chacun de ses sens il a 2 modes de fonctionnement. Il peut fonctionner en moteur où il va tracter une charge là les mosfets de l'ESC vont commuter de telle sorte que le courant aille du bus continu (fils rouge et noir après l'interrupteur de puissance) au moteur. Et puis il peut fonctionner en générateur où il va s'opposer au mouvement (freiner quoi...) là les mosfets de l'ESC vont commuter de telle sorte que le courant aille du moteur au bus continu. 2 modes X 2 sens = 4 quadrants

Ensuite, le BMS permet la charge et la décharge de la batterie de manière équilibrée. Plus ou moins j'appuie sur la gâchette plus ou moins l'ESC va appeler du courant et plus ou moins je décharge la batterie par le biais du BMS. Pour la charge on a 2 cas, d'abord la charge par chargeur où je connecte un chargeur DC sur ma planche (comme sur un ordi portable), et la recharge lors du freinage quand le moteur devient générateur (regenerative brake).

J'espère que ça t'éclairera.

[FRoussel]

et la recharge lors du freinage quand le moteur devient générateur (regenerative brake)

C'est sur ce point que je bute...
Ton ESC ne va-t-il pas empêcher la chose ? Ou alors tu me caches quelque chose dans ton schéma :-)

[Flax]

Bonjour,

Le deuxième circuit est bien effectivement la même chose que le premier, mais au lieu de faire driver le MOS en direct par le micro-contrôlleur on ajoute un étage push-pull. Ça a deux avantages:

• La tension de commande est plus élevée (ici 5V au lieu de 3.3V si les IOs du MCU sont en 3.3V).
• La charge parasite de la gate du MOS sera chargée par un push-pull qui aura une bien meilleure sortance qu'un GPIO de micro-contrôlleur, et ça aura le bon goût de ne pas faire écrouler l'alim du MCU et donc de le reset si vraiment pas de bol.

Petit (gros) apparté : Commander correctement un MOSFET sur de la puissance est très compliqué. Il faut prendre en compte plusieurs choses:

• La résistance série (paramètre Rds_ON dans la datasheet) est dépendatne de la tension de commande Vgs. Dans les datasheet ils donnent dans le tableau "operating conditions" une valeur qui est indicative (Vgs_th), mais plus bas il doit y avoir la courbe de Rds_ON = f(Vgs). Et sur cette coube on voit que la résistance série diminue quand on augmente Vgs, et parfois au Vgs_th du tableau du début la résistance série est looooin du minimum indiqué sur la première page. Et surtout, en général les MOS de puissance ont besoin d'une tension Vgs bien plus élevée que 3.3V ou même 5V pour avoir un Rds_ON acceptable. Donc, si on commande avec une tension trop basse, le MOS n'est pas completement commuté et il va chauffer et ne pas passer assez de courant.
• La grille d'un MOS est assez fragile, en général elle n'encaisse pas plus de 20V (à check dans le tableau "absolute maximum ratings"), ce qui limite beaucoup la plage utile.
• La grille d'un MOS a une capacité parasite qui n'est plus du tout négligeable quand on commence à faire du découpage à haute fréquence (comprendre : plus que 1kHz). Or, cette capa parasite a une facheuse tendance à ralentir le temps de montée de la tension Vgs et le temps de commutation intrinsèque du MOS. Deux conséquence : 1) Le MOS a un retard de commutation et 2) Pendant que la capa parasite se charge le MOS est en régime linéaire et se mange U x I pendant le temps de commutation. Quand c'est une seule fois quelques µs, l'inertie thermique fait que ça ne pose pas de problème. Quand ça arrive des milliers de fois par seconde (découpage) ça devient très vite largment supérieur aux pertes statiques dans Rds_ON. Croyez-en mon expérience : la dissipation en commutation des MOS est en général LE problème majeur et le plus dimensionnant.

Pour toutes ces raisons, il est fortement conseillé - et parfois inévitable - de designer un étage de driver pour commander les MOSFETs. Le but de cet étage sera:

• Isoler les alims du MCU et les alims de puissance - galvaniquement si besoin.
• Convertir les tensions ridicules du MCU en tension suffisamment grande pour que le MOS soit bien commuté avec le Rds_ON le plus faible possible.
• Protéger le grille du MOS en évitant les surtensions (généralement une Diode Zener suffit).
• Fournir suffisamment de courant en instantané pour tenir l'appel de courant qui aura lieu au moment de la charge de la capa parasite, de façon à avoir le temps de commutation du MOS le plus court possible.

(Pour info sur les onduleurs et chargeurs sur lesquels je bosse au taf il y a toujours une carte dédiée à driver les IGBT ou MOS de puissance, avec une alim à découpage dédiée. Par exemple sur des IGBT on fait la commande en +15V / -8V pour être surs qu'ils soient toujours commutés au mieux. Après on parle d'alims à 400V et de puissance 9kW à 43kW, c'est pas les même contraintes)

Donc attention : il faut calculer les performances de ce circuit en prenant tout ça en compte, pour voir s'il est nécessaire d'ajouter un driver. En tous cas le deuxième circuit me semble un peu léger. Driver des MOS avec des MOS ne résout pas vraiment le problème des temps de commutation, et passer de 3.3V à 5V est un peu léger - après je ne connais pas le contexte, peut-être c'est la plus haute alim de la carte, je ne sais pas. Donc le deuxième circuit est déjà mieux que le premier mais ce n'est peut être pas encore acceptable. Il faut calculer - et mesurer si possible - les performances de la commutation du MOS si on ne veut pas avoir de mauvaises surprises. C'est à voir en fonction de votre besoin exact.

Pour info, avant de jeter mon dévolu sur un demi pont-en-H intégré - que j'ai dû surdimensionner pour avoir des temps de commutation acceptables à 25kHz - j'ai regardé les composants intégrés drivers de MOS "simples". J'avais trouvé ce genre de truc:

http://fr.farnell.com/microchip/mcp1416t-e-ot/ic-mosfet-driver-non-inv-sot23/dp/1630421
http://fr.farnell.com/microchip/tc4427acoa/ic-driver-mosfet-dual-smd/dp/1467705

Attention à la tension d'alim. J'avais besoin de tenir une alimentation 24V donc je n'avais le choix que de modèles très chers (5€ pièce). Ceux-là font du 18V max ...
Par contre ça fait des front de commutation bien droit ! Avec ce genre de truc tu es sûr de diminuer tes pertes en commutation de façon drastique !

Flax

[Eric]

Ma question concerne sur le montage d'un circuit de freinage pour un moteur brushless. Effectivement, quand un moteur freine il devient générateur de courant du coup on recharge les batterie (regenerative brake) ce qui est cool . En revanche, si on fait pareil avec une batterie pleine on risque de la surcharger et ça c'est pas cool . C'est là qu'entre en jeu la résistance de freinage qui va dissiper l'énergie fournie par le moteur lors du freinage TANT QUE la batterie est pleine.

Plusieurs membres t'ayant déja répondu concernant la commande de Mosfet, je souhaitais apporter un complément concernant freinage régénératif.
Un peu de trolling ne fait pas mal

Le cas de la la batterie pleine (et son éventuelle surcharge) ne se présente que dans des cas particuliers (mais qui effectivement doivent être pris en compte) :
-tu habites en haut d'une colline et la première utilisation du skate ( avant d'utiliser le mode moteur et avec sa batterie pleinement chargée) est de freiner dans la descente;
- tu avances en poussant avec le pied (sans se servir du moteur) et tu freines en régénératif (permet de recharger un peu la batterie).

Dans tous les autres cas, l'énergie de la batterie (qui te sert à avancer) se transforme en énergie cinétique qui lors du freinage sera reconvertie en courant de recharge avec un rendement < 1 (voire << 1). Le site sur le vélo électrique ci-desssus indique une autonomie accrue de 10% si le vélo dispose d'un frein régénératif. C'est loin d'être miraculeux comme gain.
Le frein régénératif est par contre d'un grand intérêt pour les voitures électriques.


Rendements usuels :
- moteur brushless (en mode moteur) : 0.9-0.98
- moteur brushless (en mode générateur) : ? <si quelqu'un a des infos> http://www.sciencedirect.com/science/ar ... 7915001768
- contrôleur de moteur : 0.8-.0.98
- chargeur régénératif : 0.5 - 0.8 (car il y a en principe un boost pour élever la tension et permettre la charge)


Même si tu prends des batteries très performantes, le courant de charge est toujours bien inférieur au courant de décharge. Sauf à surdimensionner les batteries (poids) tu n'auras pas la possibilité d'injecter un courant très élevé dans les batteries. La plupart du temps, il est nécessaire de stocker le courant de freinage dans une batterie de supercondensateurs. L'énerige des supercondensateurs est ensuite utilisée pour recharger lentement les batteries. Une charge trop rapide fait vieillir les batteries prématurément. La gestion de la recharge consécutive à un freinage doit être étudiée avec soin.

Je ne sais pas si tu fabriques toi-même le contrôleur/frein régénératif mais en matière de produits tout faits, je ne pense pas qu'il y en ait beaucoup sur le marché pour le moment. Pour les vélos électriques c'est encore balbutiant https://www.electricbike.com/regenerative-brakes/ .
Le surcoût, la complexité, le risque de défaillance, le volume et le poids de la fonction frein régénératif font que si tu as peu de place et si tu souhaites limiter le poids (skate, trotinette, vélo), cela mérite une vraie réflexion pour savoir si c'est vraiment une fonctionnalité indispensable.
Par contre mettre une résistance de puissance pour faire un frein électrique (sans recharge) est indéniablement d'une vraie utilité pour un skate.


Eric
...a les deux pieds sur le frein (électrique)

[Randy]

Salut à tous,

Tout d'abord, merci Flax pour tes précisions elles ne sont pas tombées dans l'oreille d'un sourd. Maintenant que je pense avoir bien compris le principe et ce qu'il y a à prendre en compte je vais choisir des composants et des niveaux de tensions qui correspondent plus à mon projet.

Ensuite, Francis je te confirme que tu as tout sur ce synoptique l'ESC n’empêche rien vu que c'est lui qui fait ça. En fait pendant le freinage il convertit ton triphasé qui vient du moteur (générateur) en monophasé continu pour la batterie en quelque sorte.