Oléron Liberté

et par delà le littoral charentais

Préambule

Les journées pétoles (comprenez sans vent) sont légions en Charente-Maritime. Même au bord de l'océan, vous pouvez me croire. Dans ces conditions bien sûr, la pratique du mountainboard sur la plage s'avère impossible ! ... hormis s'il est électrique.

L'idée est séduisante, sa mise en oeuvre (le pourquoi de cet onglet) est, vous allez le découvrir (pour les plus courageux d'entre vous) une autre paire de manche.

D'abord, j'aurai été bien avisé de l'acheter tout fait !  Cela aurait été bien plus simple quand j'y repense. En construire un, soi-même, bien que chronophage, reste tout de même plus gratifiant.!

La base restera identique au modèle standard d'origine (voir photo ci-contre) que l'on retrouve sur internet et en provenance de Chine, car je ne souhaite pas réinventer la roue...chinoise elle aussi.

Mais comment s'y sont-ils pris, dans l'Empire du Milieu, pour électrifier un tel engin ?  Grâce à internet, aujourd'hui c'est relativement facile d'obtenir des réponses de la part de Youtubeur, je veux dire, car concernant les Chinois, ils ne divulguent que ce qu'ils veulent bien divulguer. Les plus anciens d'entre vous se remémoreront, avec ou sans nostalgie, la difficulté que nous avions d'obtenir des informations avant l'avénement planétaire d'internet. La jeune génération d'aujourd'hui d'ailleurs, ne cromprendrait ce dont je parle, alors fermons tout de suite cette parenthèse.
De prime abord, l'engin n'a pas l'air hypersophistiqué, il semble même accessible, intellectuellement parlant. Lui apporter des modifications devrait être à ma portée, pensais-je alors.

Ce qui semblait relativement facile à faire au départ, ne l'a plus été très longtemps, parce que mine de rien l'engin est déjà très bien pensé. Lui apporter des améliorations c'est comme essayer de rendre meilleur quelque chose qui l'est déjà. Une véritable gageure. Et vous connaissez l'adage, le mieux est souvent l'ennemi du bien.....je marche sur des oeufs !

Comprendre les choix techniques des personnes qui l'ont inventé, est indispensable. Connaitre les contraintes et ce qu'il est encore raisonnablement possible de faire est primordial. Ce qui est vraiment intéressant dans ce projet, ce sont les différents domaines scientifiques qui interviennent. Les mathématiques et la physique sont incontestablement présents dès le début, l'électricté et l'electronique bien entendu incontournables par la suite. Il faut beaucoup penser en amont, et ne négliger aucun détails. Il n'y a pas de petits paramètres car le plus insignifiant peut avoir une importance considérable au final. Ne dit-on pas que le diable se cache dans les détails ?

Face aux différents problèmes, j'ai le plus souvent opté pour des solutions simples (quand c'était possible), qui par expérience sont souvent les meilleures. Tout en me méfiant des fausses bonnes idées qui quelques fois me coutent chères ou pire, peuvent s'avèrer dangereuses à l'usage.

Alors comment s'y prend-t-on ? Eh bien comme je l'ai appris à l'école, on part du connu et reconnu pour aller vers l'inconnu... c'est beau, n'est-il pas ?

Il faut d'abord identifier le besoin. Pour ma part, c'était plus une envie qu'un besoin, vous l'aurez compris. Ensuite élaborer un cahier des charges des plus exhaustifs. Se poser les bonnes questions et leurs trouver des solutions adhoc. Faire des choix technologiques avisés et accessible financièrement. Plus facile à dire, qu'à faire, la tache va s'avérer ardue !

Mes solutions ne sont pas nécessairement les meilleures, je n'ai pas cette prétention. Elles sont sujettes à caution parfois, elles ne plairont pas à d'autres, j'en suis conscient. Mon mtb electrique a des qualités et des défauts comme toutes choses, mais je me suis éclaté à le réaliser, il fonctionne et c'est pour moi l'essentiel.

Alors, pour tous ceux qui voudraient tenter pareille expérience, qu'ils  soient simplement curieux ou en quête d'informations, je mets à disposition photos, vidéos ou diaporamas en ligne, puissent-ils trouver ici quelques idées, je l'espère intéressantes et me faire partager les leurs ainsi que leur ressenti.

Cahier des charges fonctionnel

Expression du besoin en termes de fonctions de service

Cet engin motorisé devra être capable de:
-transporter un encore jeune (dans sa tête) gaillard sur son dos,
-rouler à la vitesse autorisée sur route ou sur piste cyclable en toute sécurité,
-franchir dunes de sable et chemins caillouteux sans rechigner à la besogne,
-voir et être vu par les autres usagers de la route ou promeneurs des chemins à l'aube comme à la tombée de la nuit,
-d'être d'un coût de fabrication abordable pour le service rendu,
-parcourir des dizaines de kilomètres sans flancher impromptement, avant d'être rechargé à la maisonnée.

Fonction d'usage et fonctions techniques

Formalisons l'idée du mtb-e. Là c'est l'ancien prof de techno qui parle.

Fonction d'usage: ce mtb-e est un moyen de locomotion ludique.

Fonctions techniques principales (FTP) à réaliser par cet objet:
Il doit être capable de:
transporter --> planche
accueillir --> straps
être diriger --> chassis, articulation, suspension et roues
propulser &  freiner --> moteurs et transmission
controler sa vitesse --> télécommande, récepteur et ESC
informer --> indicateur visuel
éclairer --> lumière
gérer des paramètres --> microcontroleurs
être autonome en énergie --> batterie rechargeable

Fonctions de contraintes (FC)

Le Mtb-e doit 
-accueillir l'ensemble des éléments assurants son fonctionnement normal de façon logique, ordonnée et sécuritaire,
-résister à des conditions climatiques et environnementales difficiles,
-être conforme aux normes en vigueur,
-être utilisé dans le cadre de la réglementation en vigueur du code de la route concernant les engins de déplacement personnel motorisés (EDPM),
-pouvoir se mouvoir sur des pentes et terrains difficiles sans peiner,
-supporter un poids maximal pour la personne transportée,
-résister à des contraintes de flexion et de torsion dans une utilisation sportive intensive,
-être d'un coût de fabrication raisonnable,
-être simple de mise en oeuvre et d'utilisation,
-pouvoir être démonté et remonté facilement pour assurer son entretien, sa maintenance, son dépannage, sa réparation ou son rétrofitage,
-pouvoir être tenu à la main pour le transport sur les trottoirs ou en cas de panne,
-pouvoir être utilisé sans risque d'explosion de sa batterie dans une utilisation normale,
-résister à un choc léger contre une surface dure ou à un retournement sur le dos à une vitesse donnée,
-avoir une autonomie suffisante,
et le tout, ne pas peser un âne mort....

Nul n'est censé ignorer la loi...

Que dit la réglementation en vigueur pour les EDPM dont relève le mtb-e :
-en ville, obligation de circuler sur les pistes cyclables ou à défaut sur la chaussée limitée à 50 km/h,
-hors agglomération, sur les pistes cyclables ou pistes vertes,
-interdiction de circuler sur les trottoirs,
-équipement obligatoire du pilote pour une utilisation de nuit ou par manque de visibilité: gilet rétro-réfléchissant,
-feux avant et arrière obligatoires,
-klaxon obligatoire,
-usage des écouteurs interdit,
-assurance responsabilité civile obligatoire,
-vitesse maximale autorisé par bridage logiciel: 25 km/h

Je crois que j'ai fait le tour, du moins pour le moment, ouf !

Pour ma sécurité et celle des autres

J'ai rajouté un système de changement de direction télécommandable ainsi que des feux de détresse. Le grand fou quoi!

Quelques choix techniques personnels:

-Motorisation: moteurs brushless, 4 roues motrices,
-Source d'énergie: cellules lithium-ion,
-Gestion interne des charges et décharges des cellules par BMS (Battery Manager System),
-Gestion externe des paramètres physiques par microcontroleur,
-Controle électronique de la vitesse des moteurs par ESC (Electronic Speed Controller)

Tout le reste est négociable !

Tout n'est qu'affaire de compromis !

Et choisir c'est renoncer....

1-Compromis entre tension d'alimentation et autonomie.
Il faut se positionner en premier lieu sur la tension d'alimentation. 24, 36 ou 48V ?
Plus la tension est élevée, plus je peux aller vite mais moins j'aurai d'autonomie pour une quantité de cellules données.

2-Compromis entre autonomie et place disponible sous le mtb-e.
L'espace sous le mtb n'est pas illimitée, si je veux une garde au sol suffisante, je ne dispose de place que pour 120 cellules.

3-Compromis entre vitesse et couple moteur.
Plus j'ai de vitesse, moins j'ai de couple.

4-Compromis entre instrumentation et simplicité de réalisation.

5-Compromis entre complexité et poids de l'engin.

6-Compromis entre puissance disponible et motorisation.

Aparté

Le mtb-e représente un danger physique bien entendu de part son utilisation, mais pas seulement. Le plus grand danger reste chimique ! Le lithium est un élément chimique instable qui n'est pas sans danger, loin s'en faut. 

Calculs préliminaires

La batterie: élément le plus important donc c'est de sa tension que je pars. Je fais le choix réfléchi d'une valeur de 36V ou 10S dans le jargon du modélisme. Ce qui me permet de mettre 12 cellules en parallèle vu la place disponible sous le mtb. J'obtiens donc une batterie 10S12P. Cela représente 120 cellules et un poids conséquent de 6kg !

D'après les données (optimistes) du constructeur, chaque cellule a une capacité de 3300mAH, donc 12 x 3300mAH = 39AH (du moins au début car la répétition des cycles de charges/décharges des cellules réduira rapidement la capacité initiale des cellules).

Le courant maximum disponible par cellule est de 30A d'après le constructeur des cellules. Ce courant important débité fait monter la température de la cellule très rapidement à plus de 110°C ! Pour un débit continu de 20A par cellule la température avoisine encore les 95°C...le paramêtre "température des cellules en fonctionnement" est un réel souci  qu'il faudra surveiller de près !

La batterie devra néanmoins être capable de fournir un courant continu de 240A sans prendre feu ! Des tests sont à prévoir.

Afin de protéger les moteurs, ESCs et autres BMS, un fusible normalisé de 250A est inséré dans le circuit d'alimentation.

Attention un autre danger se cache: la tension continue TBT (très basse tension) de 36V ne représente pas un danger d'électrisation dans des conditions normales d'utilisation. La résistance du corps humain étant de l'ordre de 2500 ohm, la valeur du courant pouvant le traverser est égal à 36 / 2500 = 15 mA, donc sans réel danger. Ce qui n'est plus le cas pour un corps mouillé, car sa résistance peut alors chuter de moitié, donc voir le courant doubler. Personnellement, je me retrouve souvent en contact avec un sol humide après une averse passagère par exemple, il m'est alors déconseillé de mettre un genou à terre et de farfouiller dans les boitiers électroniques de mon mtb à moins que je ne veuille me stimuler par une chataigne. Pour mettre déjà électriser par le passé, je vous déconseille la sensation, elle n'est pas très agréable ! 

La motorisation:
Mon choix s'est porté sur le moteur Bldc 6368-190 Kv sensored.
Le moteur 63 (diamètre en mm) 68 (longueur en mm) sans balais (Bl pour Brushless) est un moteur triphasé (mais fonctionnant comme un moteur à courant continu grâce à l'ESC en amont d'où l'appelation dc) avec capteurs de position rotorique par  effet Hall.
De part sa construction dite "outrunner" (couple élevé et vitesse faible), il est composé de 6 paires soit 12 bobines (12N) reparties autour de son stator (lui même fixé solidement au chassis) et de 14 aimants permanents (14P) sur la périphérie de son rotor. L'axe du moteur est solidaire du rotor. Les trois capteurs à effet Hall sont quant à eux positionnés à 120° autour du rotor.  

Kv = constante de vélocité = 190 tr/min/V c'est à dire qu'alimenté sous 36V, la vitesse de rotation maximale à vide que j'obtiendrai, sera de N = U x Kv = 6840 tr/min.

Kc = constante de couple = 1/Kv = U / N = C / I = 0,00526 Nm/A

Si je néglige les pertes pour le moment, je dispose d'une puissance nominale P= U x I = 36 x 50 = 1800W par moteur (à vide bien entendu).

Connexion

Les trois phases de chaque moteur doivent être connectées à l'ESC dans un ordre précis eu égard à l'utilisation des capteurs. Sans eux les démarrages sont faits avec acoups, s'est une sensation désagréable. Ils renseignent l'ESC sur la position angulaire du rotor pour une accélération  en douceur. Puisqu'il s'agit de triphasé, il y a 6 combinaisons possibles de branchement des phases.

Le truck

   En fer et aluminiun, ce chassis est un classique des Mtbs. De conception simple mais efficace et d'une finition irréprochable, il se fixe par quatre vis sous la planche au travers d'une cale en caoutchouc. J'ai rajouté des coussinets en forme d'oeufs pour durcir la suspension à ressorts jugée trop souple.

Le support moteurs

 Nouvel ensemble support moteurs, cette version est plus aboutie. Elle nécessite néanmoins de changer les courroies devenus trop courtes. L'entraxe entre les deux poulies étant augmentée de part sa conception, voit aussi l'angle d'enroulement grandir ce qui a pour conséquence d'augmenter à son tour le couple de transmission.

Que la force soit avec toi, mtb !

Oui, il va lui en falloir de la force parce qu'elles sont nombreuses à s'opposer à son déplacement. Il y a :

La force de friction (Ffr) (des 4 pneus  sur le sol) qui se calcule à l'aide de la formule Ffr = masse x constante de gravitation x coef fr.
Coef fr pouvant aller de 0,004  sur du bitume, à 0,04 dans l'herbe, chemins ou sable. Donc sur un chemin dégradé Ffr = m x g x cf = 100 x 9,81 x 0,04 = 40N

La force de trainée aérodynamique (Fta) qui s'applique dès qu'on roule et se calcule grâce à une formule savante dont le résultat est de l'ordre de 13N à 20Km/h.

et enfin la force résistante à l'ascension d'une pente (Fp) dans laquelle le sinus de son angle intervient dans la composante du poids.

de manière à ce qu'au final:

F(4 moteurs) - Ffr - Fta - Fp = masse x accélération 

Quelle est l'accélération à laquelle je peux m'attendre ?

Autant le dire de suite, faut y aller mollo sur la manette des gaz car l’accélération est démoniaque et peut facilement vous laisser sur le carreau.
Pour atteindre la vitesse maximale théorique de 50 km/h dans les meilleures conditions, le travail nécessaire sera égal à la variation d’énergie = 1/2 x m x V²finale – 1/2 x m x V² initiale = 1/2 x 100 x (14,4)² = 10368 joules ou 10368/3600 = 2,8 Wh
Je ne peux raisonnablement pas utiliser toute la puissance disponible au démarrage sous peine d’une sanction immédiate par son éjection de l’engin.
Je veux rouler à 50 km/h au bout de 10s. Donc Acc= (V2-V1)/(t2-t1)= 14,4/10 = 1,44 m/s² ou 0,144 g.
La distance D étant l’intégrale de la vitesse (V=Acc x t). J’aurais alors parcouru D = 1/2 Acc x t ² = 72 m. La force motrice à développer sera de F = Travail / Distance = 10368 / 72 = 144 N ou 36N par roue. La position de la gâchette des gaz sera donc dans son premier quart d’utilisation... Heureusement les constructeurs chinois "offrent" la possibilité physique de 3 positions sur la télécommande pour high, medium or low speed. 

De l'énergie aux puissances

La puissance moy sera égale au quotient du travail  par le temps considéré. Donc 10368 / 13,98 = 741 watts ou 1 cheval vapeur. C'est aussi le produit de la force constante appliquée par la vitesse moy = 103 x 7,2.
La puissance max sera égale à la force motrice totale des 4 roues x la vitesse maximale de l'engin = (4x143)x14,4= 8236 W ou 11CV (les moteurs électriques sont alors poussés à leur maximum)

La puissance disponible sera-t-elle suffisante?

En négligeant les pertes de friction,  si je veux monter une pente de 15°( environ 27%) à 20 km/h il me faudra une puissance P égale à V x m x g x sin 15 = 5,5 x 100 x 9,81 x 0,65 = 3542 W ce qui correspond à la moitié de la puissance maximale disponible de l'engin.

Le chargeur de batterie lithium-ion

Ce chargeur d'une puissance de 1200W est spécifique au batterie 10S.

Il charge à 25A sous 42V.

Le truck complet

Roues jumelées de 8 pouces protéjées anti-crevaison.

Vu que c'est un 4wd, ce sont 2 trucks identiques à celui présenté qui sont nécessaires.

Caractéristiques physiques générales

La board

Elle est composée de 10 fines couches de bois, 2 de bambou et 8 d'érable. Ses dimensions (L x l x h): 950 x 220 x 15 mm

J'ai un moment pensé à la fabriquer à partir d'une chute de lame de terrasse faite en bois éxotique dur. Ce bois est bien plus dense mais il reste lourd et difficile à travailler. Qu'en tirerais-je comme bénéfice à l'utilier? ça ne m'a pas sauté aux yeux jusqu'à présent. Je m'en tiens à l'idée première, celle de nos amis chinois.. 

Je l'ai percèe au niveau des:
- passages de fils d'alimentation
- fixations des 3 boitiers, des trucks et straps.

Les défauts et éclats de bois lors du perçage ont été rebouchés à la pate à bois puis peinte en noir et vernis.

Peinture de la board

3 couches de peinture noire mat et deux couches de vernis protecteur recouvrent maintenant la planche. Ensuite j'ai posé un revètement anti-dérapant aux emplacements des pieds et fixé les straps.

Les cales

Deux cales alu ont été confectionnées à partir de disques brutes pleins. Une fois forés pour le passage des vis de fixation du truck, elles permettent de réhausser de quelques centimètres la garde au sol du mtb. Percées de plus grands trous pour les alléger au maximum elle pèse chacune maintenant 500g. Deux rondelles isolantes de chaque coté du disque sont destinées à éviter les contacts et frictions métal sur métal et ont été réalisées à partir d'une mousse anti-dérapante de récup.

Le cadre métallique nu

La planche d'origine est trop souple en l'état. Elle doit accueillir les batteries sous elle sur les 3/4 de sa surface. J'ai donc pensé à rigidifier à l'aide d'un cadre en tube métallique de section carrée, soudé maison, afin de garder les batteries à l'abri des contraintes mécaniques (torsions et étirement). Ce même cadre devait servir aussi à la fixation des garde-boues, idées abondonnée par la suite car cela compliqué et alourdissé encore la beast. 

Son débattement vertical est ainsi volontairement limité à 1,5 cm environ.

Le boitier batteries peint et monté sur son cadre

 Pas trouvé de boitier plastique d'une taille suffisante donc j'en ai fabriqué un avec deux. Jointé avec un caoutchouc et fixé sur le cadre par de la visserie inox.

La partie programmation des Fsesc 4.20

  Afin de configurer le mountainboard avec les paramètres adhocs, il est nécessaire de passer par un logiciel de programmation. Celui-ci est disponible gratuitement à l'adresse vsec-project.com et une aide non négligeable est fournie par des youtubeurs et forums pour les questions que l'on se pose. Avec un peu de jugeote et de patience, ça se fait.

Le banc de montage, de mise au point et de maintenance.

 Puisqu'un banc me semble nécessaire j'en ai fonctionné un, maison! Il me rend beaucoup de services pour un minimum d'investissement.

Le chti bébé en cours de développement.

 Le mtb electrique dans sa version "ville" en cours de réalisation et posé sur son banc de montage.

Premier essai en réel: ça déménage!

Constat immédiat, il a une force colossale. Même sur son mode "petite vitesse", faut y aller mollo sur la manette des gaz. L'accélération est puissante, la décélération tout autant. Donc on pense aux protections si vous ne voulez jouer finir aux urgences. Au minimum elles seront composées de:

• Casque et lunettes de soleil
• Haut du type veste capitonnée
• cuissard ou shorty rembourré
• genouillières
• protège-chevilles
• coudières
• et enfin gants renforcés avec une coquille au niveau de la paume et du poignet car par reflex on tombe souvent sur les mains.