Présentation du Projet de Kart Électrique

1. Introduction

Présentation du sujet

Dans le cadre de ce projet, nous nous sommes concentrés sur la conception et le développement de la carte de commande d'un kart électrique destiné à la compétition. Le but principal de ce système est de permettre au kart d'atteindre des performances optimales, tout en répondant aux contraintes du cahier des charges.

Contexte

Ce projet s'inscrit dans le cadre de l'enseignement au département GEII, et il est principalement utilisé dans un environnement compétitif. Ce kart électrique joue un rôle crucial en démontrant la faisabilité et la performance d'un système de commande intégré dans le cadre d'une application de course.

Objectifs

Développement

Développement de la carte de commande fonctionnelle

Documentation

Rédaction d'un rapport technique en PDF

Schéma électrique

Création d'un schéma électrique sous KiCAD

Présentation

Présentation orale en soutenance individuelle de 10 minutes

Planning (Diagramme de Gantt)

Début Fin

Conception initiale Semaine 1-2

Dimensionnement Semaine 3-4

Réalisation Semaine 5-6

Tests Semaine 7-8

2. Cahier des Charges

Caractéristiques du kart électrique

Masse maximale

250 kg (175 kg pour le kart + 75 kg pour le conducteur)

Vitesse maximale

60 km/h

Accélération

Atteindre 40 km/h en 4 secondes

Coefficient aérodynamique

Cx = 0,5

Transmission

Roues motrices sans différentiel.
Système de réduction pignons + chaîne avec rendement de 92%

Batterie

48 V (4x12 V) avec une capacité de 50 Ah

Spécifications de la carte de commande

Protection

Protégée contre les courts-circuits.
Protégée contre les inversions de polarité.

Indicateur d'état

Permet de voir si la commande est sous tension

Limitation du courant

Dans le moteur

Carte

Simple et analogique

Coût maximal

25 €

Dimensions maximales

Moins de 10 cm de côté et moins de 4 cm de hauteur

Connexions

Jvit (variation vitesse), Jint (mesure du courant),
Jcom (commande de l'interrupteur de puissance), Jent (entrée d'alimentation)

Livrables

Rapport en PDF

Format : PDF

Contenu : Page de garde avec nom et prénom à gauche, IUT de CHARTRES Département GEII au centre, et la date à droite.
Sommaire paginé généré automatiquement.
Texte structuré comprenant figures, analyses, et conclusion.
Annexes éventuelles.

Mise en page : Texte justifié. En-tête et pied de page générés automatiquement.

Carte de commande

Une carte fonctionnelle respectant les contraintes définies (techniques et budgétaires)

3. Étude Théorique: Dimensionnement Moteur

Calculs de base

4.1.1 Vitesse en m/s

Conversion de 60 km/h en m/s :
V = 60/3.6 = 16.6 m/s

4.1.2 Vitesse de rotation des roues

D = 26 cm → Périmètre = π×0.26 = 0.816 m
N = 16.6/0.816 × 60 ≈ 1200 tr/min

4.1.3 Rapport de réduction

Dents moteur = 19, Dents roue = 74
K = 19/74 = 0.256

4.1.4 Pertes par frottement

Pente de 1.6m pour 100m
Énergie = 250×10×0.256 = 640J

Calculs aérodynamiques

4.1.5 Surface frontale

Kart: 1.45m × 0.37m = 0.53m²
Pilote: 0.30m × 0.37m ≈ 0.11m²
Total = 0.65m²

4.1.6 Masse d'air déplacée

Volume = 0.65×16.6 = 10.8m³
m = 10.8×1.2 ≈ 13kg

4.1.7 Énergie cinétique air

Ec = ½×13×(16.6)² = 1791J

4.1.8 Puissance aérodynamique

Cx = 0.5
P_aéro = 1791×0.5 ≈ 900W

Dimensionnement mécanique

4.1.9 Puissance mécanique

Frottement + Aérodynamique
P_méc = 640 + 900 = 1540W

4.1.10 Couple résistant

Ω = 2π×20 = 126 rad/s
C_r = 1674/126 ≈ 12.2 N·m

4.1.11 Moment d'inertie (ponctuel)

J_mp = m × R²

4.1.12 Moment d'inertie kart

m = 125kg, R = 0.13m
J_t = 2×(125×0.13²) = 4.2 kg·m²

Performance et motorisation

4.1.13 Couple pour accélération

V = 40 km/h → Ω_roue = 85.5 rad/s
dΩ/dt = 85.5/4 = 21.4 rad/s²
C_em = 4.2×21.4 + 12.2 ≈ 102 N·m

4.1.14 Puissance pour accélération

P_roue = 102 × 85.5 = 8720 W

4.1.15 Puissance moteur

Rendement réducteur = 92%
P_ent = 8720/0.92 ≈ 9500 W

4.1.16 Vitesse moteur

n_roue = 20 tr/s, K = 0.256
n_mot = 20/0.256 ≈ 78 tr/s → 4680 tr/min

4.1.17 Couple électromagnétique

P = 9500 W, Ω = 2π×78 rad/s
C_em ≈ 19.4 N·m

4.1.18 Avantage réducteur

Augmente le couple transmis aux roues tout en optimisant le régime moteur

Autonomie et énergie

4.1.19 Puissance absorbée

Rendement global = 80%
P_abs = 9500/0.8 ≈ 11875 W

4.1.20 Consommation 30min

Puissance moyenne = 70% de 11.875 kW
E = 8.3 × 0.5 = 4.15 kWh

4.1.21 Capacité batteries

4×12V 50Ah en série → 48V 50Ah
E_max = 48 × 50 = 2400 Wh = 2.4 kWh

4.1.22 Autonomie

Énergie utilisable = 50% de 2.4 kWh
Distance = 40 × (1.2/8.3) ≈ 5.6 km

4. Étude Théorique: Convertisseur

4.2.1 Machine à courant continu

Vitesse de rotation

Dépend de la tension appliquée (U) et du flux magnétique (Φ):
n = U / (N × Φ) = K × U

Couple électromagnétique

Dépend de l'intensité (I) et du flux magnétique (Φ):
C_em = (N × Φ / 2π) × I = K' × I

4.2.2 Nature des sources

Source d'entrée (tension)

• V_e > 0 (48V spécifié)
• I_e > 0 (toujours positive)

Source de sortie (courant)

• V_s > 0 (pas de marche arrière)
• I_s > 0 (toujours positive)

4.2.3-4.2.4 Structure du convertisseur

Identification des séquences

• K1 toujours fermé → peut être remplacé par un fil
• K3 toujours ouvert → peut être supprimé

Simplification possible?

Oui, en éliminant K1 (remplacé par fil) et K3 (éliminé)

4.2.6-4.2.7 Choix des interrupteurs

IGBT pour K4

• Meilleur compromis pour notre application
• Facile à commander
• Nécessité de mettre 2 IGBT en parallèle (I ≈ 250A)

Diode pour K2

• Ne laisse passer que du courant positif
• Bloc de 2 diodes (100A chacune) suffisant

Calculs thermiques

4.2.8 Puissance dissipée IGBT

P_diss = V_CE × I_C = 1.75 × 125 ≈ 219W

4.2.9 Radiateur IGBT

R_TH(ha) = 0.2 (°C)/W

4.2.11 Puissance dissipée diode

P_cond = 0.95 × 100 × 2 ≈ 190W

4.2.12 Radiateur diode

R_TH(ha totale) ≈ 0.58 (°C/W)

Configuration

4.2.13 Régulation vitesse

Modification du rapport cyclique des IGBT pour contrôler la tension moyenne appliquée au moteur

4.2.14 Isolation commande

Pas d'obligation sous 50V (tension de sécurité)

4.2.15 Inductance

Pour L = 400 μH:
N = √(L/AL) ≈ √(400/2.79) ≈ 12 spires

5. Spécifications Matérielles

5.1 Analyse fonctionnelle: SADT

Niveau 0: Vue globale

Commande du kart électrique

Niveau 1: Fonctions principales

Alimentation

Gestion puissance

Contrôle

Régulation vitesse

Protection

Sécurité circuit

Niveau 2: Détails techniques

Convertisseur

DC/DC

Driver

Commande IGBT

Capteurs

Courant/tension

Logique

Contrôle PWM

5.2 Nomenclature des composants

Matériel	Valeurs	Quantité	Prix
C1	680uF	1	0,5
C2	100nF	1	0,1
C3	390nF	1	0,2
C4	15nF	1	0,15
C5	3,9nF	1	0,12
C6	1000uF	1	0,8
C7	390nF	1	0,25
D1	D	1	0,05
D2	LED	1	0,3
F1	Fusible	1	0,6
Total	N/A	N/A	16.22 €

5.3 Schéma électrique

6. Conclusion

En conclusion, ce projet autour du kart électrique nous a permis de mettre en pratique les connaissances acquises au cours de notre formation, tout en développant de nouvelles compétences. La conception et le développement de la carte de commande, ainsi que les calculs théoriques pour optimiser les performances du système, ont été des étapes clés.

Grâce à un travail méthodique et collaboratif, nous avons atteint les objectifs fixés, notamment la réalisation d'un kart performant, capable d'atteindre une vitesse de 60 km/h dans les conditions définies par le cahier des charges. Ce projet fut une expérience enrichissante tant sur le plan technique que personnel, et il a permis de nous préparer à relever des défis complexes dans un cadre professionnel.

7. Abréviations

Abréviation	Définition
SADT	Structured Analysis and Design Technique
Cx	Coefficient aérodynamique
IGBT	Insulated Gate Bipolar Transistor

Table des Matières

Partie I: Introduction

Partie II: Étude Théorique

1. Introduction

Présentation du sujet

Contexte

Objectifs

Développement

Documentation

Schéma électrique

Présentation

Planning (Diagramme de Gantt)

2. Cahier des Charges

Caractéristiques du kart électrique

Masse maximale

Vitesse maximale

Accélération

Coefficient aérodynamique

Transmission

Batterie

Spécifications de la carte de commande

Protection

Indicateur d'état

Limitation du courant

Carte

Coût maximal

Dimensions maximales

Connexions

Livrables

Rapport en PDF

Carte de commande

3. Étude Théorique: Dimensionnement Moteur

Calculs de base

4.1.1 Vitesse en m/s

4.1.2 Vitesse de rotation des roues

4.1.3 Rapport de réduction

4.1.4 Pertes par frottement

Calculs aérodynamiques

4.1.5 Surface frontale

4.1.6 Masse d'air déplacée

4.1.7 Énergie cinétique air

4.1.8 Puissance aérodynamique

Dimensionnement mécanique

4.1.9 Puissance mécanique

4.1.10 Couple résistant

4.1.11 Moment d'inertie (ponctuel)

4.1.12 Moment d'inertie kart

Performance et motorisation

4.1.13 Couple pour accélération

4.1.14 Puissance pour accélération

4.1.15 Puissance moteur

4.1.16 Vitesse moteur

4.1.17 Couple électromagnétique

4.1.18 Avantage réducteur

Autonomie et énergie

4.1.19 Puissance absorbée

4.1.20 Consommation 30min

4.1.21 Capacité batteries

4.1.22 Autonomie

4. Étude Théorique: Convertisseur

4.2.1 Machine à courant continu

Vitesse de rotation

Couple électromagnétique

4.2.2 Nature des sources

Source d'entrée (tension)

Source de sortie (courant)

4.2.3-4.2.4 Structure du convertisseur

Identification des séquences

Simplification possible?

4.2.6-4.2.7 Choix des interrupteurs

IGBT pour K4

Diode pour K2

Calculs thermiques

4.2.8 Puissance dissipée IGBT

4.2.9 Radiateur IGBT

4.2.11 Puissance dissipée diode

4.2.12 Radiateur diode

Configuration

4.2.13 Régulation vitesse

4.2.14 Isolation commande