Nous sommes une équipe enseignante de l’IUT de l’Aisne département Génie Electrique et Qualité Logistique Industrielle qui réalisons des prototypes faibles consommations énergies depuis 2010 par le biais de nombreux projets et challenges nationales pour les étudiants.
Pour l’instant pas d’enseignant génie mécanique.
Ces réalisations ont permis aux étudiants de participer à ces nombreux challenges Eco marathon Shell, Solar cup chartres, educeco, challenge karting electrique…….
Dont voici un bilan non exhaustif de nos prototypes…..
- un velomobile leiba XL (72V, 20A.h, contoller 40A) qui a 40 000 km
- un velomobile waw (72V, 20A.h, contoller 40A) qui a 5 000 km
- un velomobile aerorider (72V, 20A.h, contoller 40A) qui a 1 000 km
- un azub 5 (72V, 20A.h, contoller 40A) qui a 50 000 km
- un velo pendulaire solaire (48V, 15A.h, controleur 40A)
- 4 kartings dont 2 kartings électriques (72V, 100A.h, 50kW) qui a abouti à la réalisation de la twizi en 2010
- Revamping de scooter EVT qui était en batterie au plomb et un variateur mort et remplacé par une batterie lithium.
- Revanping de Trotinettes electriques et modification avec du matos open source
https://forum.arduino.cc/t/commande-et-instrumentation-de-trottinette-electrique-500w-avec-arduino-mega/454567
Nos spécialités sont nombreuses :
- choix et montages de kit électrique en fonction d’un cahier des charges, ainsi que leurs paramétrages.
- réalisation de variateurs
- montage et soudage de batterie et tests
- programmation de microcontrôleur qui nous a permis de programmer un algorithme pour connaitre l’état de santé de la batterie en fonction de son vieillissement pour ajuster l’autonomie.
D’ailleurs, une application sur smartphone par Bluetooth permet de mettre les données sur un cloud pour faire des études de cycles de vie de batteries open data. https://forum.arduino.cc/t/bms-etat-de-charge-et-sante-de-batterie-lithium-banc-cyclage-arduino/607106
- Réalisation d’instrumentation pour connaitre les performances du véhicule pour maitriser l’autonomie en fonction de la vitesse et du dénivelé.
- Réalisation de chargeur de batterie open source
- Réalisation et tests d’éclairage. D’ailleurs, nous faisons les tests d’éclairages vélo pour la FUB
https://www.fub.fr/tests-eclairages http://velorizontal.1fr1.net/t26614-eclairage-a-del-pour-velo-led-light-for-bike-partie-2 https://forum.arduino.cc/t/commander-des-leds-de-puissances-application-eclairage-velo/967409 https://forum.arduino.cc/t/eclairage-a-led-de-velo-3w-tracker-atmega-esp32-maker/567964/69
- Tests de consommation et de grip de pneu
http://velorizontal.1fr1.net/t18840-pneu-velo-adherence-et-coefficient-de-roulement
- Tests d’étriers de frein et de plaquettes
- Gérer un flux logistique de production
La liste n’est pas exhaustive mais voilà une base de publications nationale et internationale avec leurs liens
[1] A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, J.Aubry, T.Lequeu3 « Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique, Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps » Revue 3EI N°86, Sept 2016
http://www.fichier-pdf.fr/2016/11/30/optimisation-strategy-pilotages-vehicle-electric-energy/
[2] Arnaud Sivert, Bruno Vacossin, Franck Betin, Sebastien Carriere, Jose Claudon,
“ Mechanical problems of faired tricycles: investigation of features using smartphones (Low consumption electrical vehicles Eco marathon)” WSEAS jully 2016, 11 pages
http://www.wseas.org/multimedia/journals/education/2016/a065810-178.pdf
[3] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, J.accart “Étude des pneus pour tricycles carénés à faible consommation ” Revue Technologie janvier 2016
http://www.fichier-pdf.fr/2016/09/30/etude-pneu-de-velo-faible-consommation/
[4] A.Sivert, F. Betin, B. Vacossin, T. Lequeu, M. Bosson “Optimization of the mass for a low-power electric vehicle and consumption estimator (e-bike, e-velomobile and e-car) ” WSEAS jully 2015
http://www.wseas.org/multimedia/journals/education/2015/a225810-158.pdf
[5] A.Sivert, F.Betin, T.Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » Revue 3EI N°81, Juillet 2015
http://www.fichier-pdf.fr/2015/09/07/instrumentation-vehicule-faible-consommation-eco-marathon/
[6] Arnaud Sivert, F.Betin, B.Vacossin, T.Lequeu « Optimisation de la masse en fonction de la vitesse, puissance, autonomie, prix, centre de gravité, frein d’un Véhicule électrique à faible consommation (vélo, vélo–mobile, voiture électrique) » Revue 3EI N°80, avril 2015
http://www.fichier-pdf.fr/2015/05/05/optimisation-masse-vehicle-faible-estimateur-consommation/
[7] A.Sivert, F.Betin, « Vehicule electrique à faible consommation : eco marathon (systéme pluritechnologique et embarqué) » Revue 3EI N°78, oct 2014, page 9-22
http://www.fichier-pdf.fr/2014/10/12/vehicule-faible-consomation-cycle-motorise-elec/
http://studylibfr.com/doc/8776756/v%C3%A9hicule-%C3%A9lectrique-%C3%A0-faible-consommation---eco-marathon-
[8] A.Sivert, F.Betin, « Réalisation d’un kart electrique : Etude de choix technologique, instrumentation embarquée, caractérisation)» Revue 3EI N°78, oct 2014, page 23-32
http://www.fichier-pdf.fr/2014/10/20/karting-electrique-cetsis-2014-sivert/
[9] A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, T.Lequeu « Limitation Thermique et Paramétrage moto-variateur
pour Véhicule Electrique » Revue 3EI N° 87, 36 à 45 01/2017
http://www.fichier-pdf.fr/2017/03/18/limitation-thermique-et-parametrage-controler-vehicule-elec/
[10] A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, T.Lequeu « Limitation Thermique et Paramétrage moto-variateur pour Véhicule Electrique » Revue 3EI N° 87, 36 à 45 01/2017
http://www.fichier-pdf.fr/2017/03/18/limitation-thermique-et-parametrage-controler-vehicule-elec/
[11] A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin «Eclairage de vehicules normes ECER112 113 STVZO (banc de test de phare) » Revue 3EI N 99°, janvier 2020
https://www.fichier-pdf.fr/2020/02/19/fichier-pdf-sans-nom/preview/page/3/
[12] A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, “Protection numérique pour moto-variateur de véhicule électrique” Revue 3EI N°101 juin 2020
https://forum.arduino.cc/index.php?topic=668081.0
Bilan de ce qui existe et choix d’un nouveau prototype :
Depuis 2010, nous avons fait de nombreux tests de consommations et même réalisé un estimateur de consommation en fonction de n’importe quel trajet qui a une erreur de 5%.
Pour des vitesses inferieurs à 20km/h, la consommation du a l’aérodynamisme est faible. Mais à 45km/h, c’est loin d’être négligeable comme on peut l’observer sur nos différents prototypes.
Les coques arrières peuvent améliorer fortement l’aérodynamisme et augmente le bagage mais la forme rajoute de la masse.
Pour répondre à l’extrême défi réaliser une véhicule 10 fois moins cher, 10 fois moins énergivore donc 10 fois plus léger, d’augmenter par 3 la durabilité par rapport à la voiture thermique et prendre des parts du marché sur la vente de véhicule, il faut un véhicule avec une faible consommation donc une masse faible (<140kg) et une bonne aérodynamique pour permettre de rouler à 45km/h pour avoir un bon rayon d’action d’aller à 70km.
Sachant que l’extrême défi veut répondre à la transition énergétique, climatique mais il y a aussi le climat social du budget et du pouvoir d’achat.
Pour répondre à l’extrême défi, nous avons fait un article qui permet de faire un bilan de consommation de diffèrent véhicule et leur budget
https://www.fichier-pdf.fr/2022/09/12/challenge-extreme-defi--vehicule-faible-impact--iut-geii-soisson/
mais, nous avons collaborer pour des articles de véhicules de faibles consommations « L’avenir des véhicules intermédiaires » dans la revue de transport urbain avec le sociologue Frédéric Héran,
https://www.cairn.info/revue-transports-urbains.htm
- Donc, voici la consommation et le budget des différents véhicules à ce jour.
- Mais pour qu’un véhicule puisse remplacer une voiture et être accepté, il lui faut une grande flexibilité d’utilisation donc permettre un transport des objets et des marchandises du quotidien.
De plus, il faut que la vitesse permettre une assez grand rayon d’action donc la vitesse sera de 45km/h a été choisi pour être dans la catégorie L1eb.
Mais quel sera le business modèle des assurances pour cette catégorie ?
Donc, pour voir une grande flexibilité d’utilisation, il faut différents bagaging qui soit être proposée en optimisant leur coefficient aérodynamique et leurs masses.
- Remorques
- Coques arrières en composites sera proposée en fonction de la dimension de la charge.
- Différentes sacoches (droite, banane…)
Mais Quelle sont les normes sur les portes bagages, les sacoches, les remorques ?
Quelle sera la surconsommation des sacoches et remorque ?
Les Norme sur un porte bagage vélo est l’ISO 11243 « Luggage carriers for bicycles » de 2016 doit tenir seulement 27kg minimum et donc nombreux fabricants de sacoche limite à cette valeur.
https://law.resource.org/pub/in/bis/S13/is.14363.2009.pdf.
Donc, Les sacoches vélo classiques ont de petits formats (2*20litres) car elles sont prévues pour être utilisé avec des vélos sans moteurs et que le porte bagage puisse résister à la masse introduite dans ces sacoches.
De même, les normes remorques EN15918 vélo sont à 45kg minimum. Les essais sur les remorques sur ce lien sont intéressant.
https://www.economie.gouv.fr/files/files/directions_services/cnc/Avis_CSC/2008_AVIS_REMORQUES_VELO.pdf
En vélo électrique speed pedelec, on peut rajouter pas mal de masse…. Et dépasser les valeurs des masses précédentes….pour que ce vélo soit plus utile.
Chaque kilo supplémentaire sur un vélo entraine une consommation supplémentaire de 0.093W.h/kg.km qui sont dû à la résistance des pneus sur la route avec une pente moyenne de 1%.
Les accessoires pour vélo ne sont pas trop adaptables (porte bagage, top case avec des sacoches démontables, chaise enfant sur porte bagage….. )
Avantage et inconvénient de rajouter des panneaux solaires sur le véhicule ?
Pour 300 €, 200Wcc*50% de 1m^2 de panneau solaire de 7kg+3kg de structure rajoute une consommation de 0.7 W.h/km. Avec du soleil, la recharge est de 100W.h, la déperdition du rajout des 10kg de panneaux solaire à 25km/h est de 32.5W.h.
Mais en 2 roues, les panneaux solaires augmentent l’aérodynamismes. De plus, si l’on tombe, il y a un risque de casser le panneau solaire.
Donc, il faut mieux que les panneaux solaires soient stationnaires sur un toit et pas sur un véhicule.
De plus, l’embarquement d’un chargeur 720W à 100€ fait seulement 2.5kg avec une capacité de recharge de 70km/h, il faut juste trouver une prise.
Avec nos batteries choisies, il est possible d’avoir une recharge de 140km/h
Par conséquent, les panneaux solaires sur un véhicule ne sont pas pertinents.
Cahier des charges du prototype pour le Xdefi:
Donc pour répondre à l’Xdefi, seul un véhicule avec une aérodynamique inferieur de 0.0025 W/(km/h)^3 et une masse inférieure 30kg peut répondre aux objectifs de extrême défi tout en roulant à 45km/h que l’on surnommera UPLHC (Human powered Ultra light hybrid cycle).
Pour minimiser le prix, le matériel sera des produits de masse venant du vélo.
Nous avons écarté le Velomobile car la coque rajoute 17kg et que le cout de la coque rajoute 4000 à 5000€. De plus, la troisième roue demande de travailler correctement le centre de gravité ou de réaliser un avant pendulaire au velomobile.
Alors que Le centre de gravité n’est pas un problème pour un 2 roues, car il se penche dans les virages donc plus maniables.
De plus 99% du temps, la météo n’est pas à la pluie même dans le nord de la France (il est rare de ne pas avoir plusieurs fenêtres sans pluie dans une journée). De plus, depuis les années 2000, il y a de très bon vêtement anti pluie. 75% de l’année, les températures sont agréables à rouler les cheveux au vent.
Donc, pendant 6 mois, la coque du vélo mobile ne permet pas un top confort physiologique qui dépend de la température ambiante, des conditions d’humidités et de la vitesse du déplacement d’air avec l’action du pédalage.
Pour des conditions d’humidités classique entre 40% et 70%, dès que la température ambiante est au-delà de 23 °C à 26°C avec un pédalage, il faut rouler autour de 45km/h pour être bien.
Par contre en vélo, pour une température ambiante entre 27°C à 31°C, le confort est très bien à 45km/h grâce l’évaporation des calories grâce à la sudation sur la peau (mais cette sudation dépend de l’individu).
A l’inverse quand il fait froid, la vitesse du déplacement provoque un flux thermique plus important et donne une sensation de froid mais les vêtements permettent de se protéger.
D’ailleurs voici, le tableau de la température ressentie en rouge ou l’on a trop chaud en bleu ou il faut se protéger correctement.
Les courbes de la température ressentie en fonction de la vitesse en velos sont les suivantes
La démocratisation du vélo toute l’année donc l’hiver passe obligatoirement par de bon vêtement (pantalon, veste, chaussure, gants) en générale triples couches.
Mais, les vestes «gore tex » correctes sont souvent entre 100€ à 400 €. De meme, pour les autres accessoires, il peut y avoir un facteur 4.
Lors d’un achat, pas facile d’avoir les données suivantes : - Schmerbers, test à l’eau ….(1500 c’est un minimum) - La respirabilité RET qui est entre 6 et 12 ou en MVTR entre 5000 et 30 000 g/m^2/24h. Ret 6 ou MVTR de 20000 sont des minimums. - d'avoir la fonctionnalité de la température extérieure (mais cela va dépendre des couches que l'on a utilisées en dessous donc prendre une taille supplémentaire des vestes) - d’essayer avant d’acheter pour connaitre la bonne taille….sauf pour les grandes villes qui ont du choix - Le niveau antisalissure du vêtement. Sachant que les tests consuméristes des vêtements extérieurs sont faibles même pour les motards, la montagne et la marine.
FLEXIBILITE d'utilisation …..
Pour avoir une flexibilité de l’utilisation du véhicule (grande et moyenne autonomie), le prototype aura 2 batteries interchangeables (Swappable) malgré que nous avons des chargeurs qui permettent une charge en 1 heure.
Ces 2 batteries permettent une flexibilité de recharge, c’est-à-dire lorsqu’une batterie est utilisée, l’autre peut être rechargée chez soi.
Une des 2 batteries peut être en location chez un échangeur rapide comme ZEWAY
https://www.zeway.com/
De plus, le véhicule pourra être utilisée avec qu’une seule batterie pour les petits trajets et diminuer légèrement sa masse.
Donc, notre défi est de réaliser un prototype avec l’optimisation de la masse d’un 2 roues et d’améliorer son ergonomie et son aérodynamisme pour consommer 3 fois moins qu’un scooter électrique qui font en générale 90kg. Tout en améliorant, par 2 l’autonomie et par 3 à 5 le volume de transport de bagages avec la même fourchette de prix qu’un scooter et la même vitesse max 45km/h.
Par conséquent, notre but est de réaliser une vélo couché « long tail » flexible en utilisation avec différents bagaging (remorque, sacoches 140litres, 2 enfants, caisse, coque arrière pour améliorer l’aérodynamisme) qui permet de passer partout. D’ailleurs à ce jour, les vélos droits long tail qui peuvent prendre 2 enfants de 30kg ou un assez grand volume de marchandises. Mais la fourche oscillante n’existe pas. Pourtant, la fourche oscillante permet d’amortir les irrégularités de la chaussée. Le vélo couché permet de prendre des sacoches 2 fois plus longues qu’un vélo droit long tail car le pédalier est placé en hauteur.
Les vélos long tails sont bien plus maniable que les vélos cargos avec un coefficient aérodynamique bien plus faible. Son seul défaut et de ne pas avoir de coque et abriter les utilisateurs contre la pluie. Mais sans coque, la prise au vent de côté est plus faible Le vélo couché a une excellente ergonomie par rapport au vélo droit (pas de compression de la colonne vertébrale, nuque, poignée…pas de mal aux fesses).
MARCHE DE LA MOBILITE 45km/h …..
En France en 2022, le nombre de 2 roues vendues en France est de 300 000/an et le nombre de 2 roues équivalent 50cm3 est de 55 000/an dont 21 000 scooter électrique. Par conséquent, le marché est important. Alors que les scooters 50cm3 ne sont pas très utilitaires en déplacement de marchandises avec seulement des tops cases pouvant mettre 2 casques et un enfant à l’arrière.
Pourquoi le vélo couché :
Etre rapide tout en consommant 2 moins d’énergie qu’un vélo droit, cout au kilomètre faible du véhicule avec un confort de pédalage sur plusieurs heures sans problématiques pour les fesses, le dos, les poignets…avec un volume de transport de 150litre et 25kg. Fiable et facilement réparable. Avoir une liberté de mobilité utilitaire.
How : le vélo couché consomme 10 fois moins d’énergie qu’une voiture et à un cout de 1€ pour 2000km qui a une obsolescence de 20 ans
What : ainsi nous vendons des vélos couchés qui roule à 45km/h de moyenne avec 100 à 150km d’autonomie avec une pente moyenne de 1% pour devenir citoyen du monde.
Les clients : personne sensible à la planète, personne voulant une bonne hygiène de vie, personne voulant minimiser son impact carbone, personne voulant voyager autrement…. personne qui ne peut pas investir dans une voiture, personne n’ayant pas le permis En 2050, il faudra diviser par 5 son empreinte carbone et par 10 sa consommation d’énergie. Ce véhicule répond au besoin.
La différence de consommation entre un scooter électrique et notre prototype de vélo couché long tail est 3 fois plus faible et l’énergie musculaire réduit la consommation électrique de 25%
D’ailleurs, pour 150 000km la différence de consommation correspond au graphique suivant.
Le choix d’un 2 roues en 20 pouces permet de s’assoir et de relever facilement du vélo et d’avoir une large gamme de pneu. Ce diamètre de roue permet de monter un petit trottoir et de niveler les petits trous de la chaussée. De plus, la hauteur du coussin arrière permet aux enfants d’être assis convenablement avec les pieds touchant un reposoir en bois.
Ce véhicule pourra se faufiler facilement la jungle urbaine et rurale. L’autonomie sera de 150 km avec 2 batteries (72V, 10A.h, lipofer, 6000cycles de charges) pour avoir une grande zone de fonctionnement sans recharger.
La motorisation sera un moteur roue de 3000W qui permet de ne pas avoir d’action sur la chaine comme pour les moteurs pédaliers. De plus, cette motorisation est facilement réparable donc durable.
Les sacoches, les caisses, les coques seront amovibles ce qui permettra de transformer rapidement le véhicule en fonction du besoin.
Pour atteindre la réalisation, nous devons passer à la deuxième version d’un de nos prototypes et vérifier sa consommation en fonction du badabing. De plus, la consommation énergétique de remorque doit être étudiée pour optimiser sa consommation. Notre véhicule est fait principalement d’aluminium pour l’alléger. La coque sera en panneau alvéolaire pour faire des essais, puis en composite kevlar pour alléger la structure. Les sacoches seront en PVC (650g/mm^2), car cette matière est étanche avec une durée de vie de plus de 15 ans. Mais surtout, cette matière est soudable avec un simple pistolet à air chaud sans apport d’autres matières, donc sans couture pour garder l’étanchéité et très bon marché. Enfin, le PVC par notre fournisseur est recyclable à 100% et toutes les chutes sont repris par lui. Ce PVC est réalisé avec du chlorure de sodium (le sel courant) et de l’éthylène biosourcé.
Nous avons fait des études de réalisations avec différentes entreprises privées ( MBK Industrie de saint Quentin, technopole de Renault saint Quentin en Yvelines, Roulcouché AZUB, E4V chartres, A à Z COMPOSITE saint gobain, SEVCON, sport ebike, Denis bache….) et des associations tel que la FUB, shift Project, negawatt….
Certaines de nos techniques, voyages et nos challenges sont sur le forum velo horizontal suivant
http://velorizontal.1fr1.net/t17956-velomobile-electric-leiba-x-stream-iut-aisne
Fichier Narratif : XD defi IUT GEII soissons velo couché long tail V1.pdf
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