BattMobile 001, un groupe électrogène qui ne pollue pas!
Notre premier prototype est une batterie mobile de 2kWh rechargeable sur le secteur ou par des panneaux solaires. En sortie, deux prises 220 Volts peuvent fournir un total de 1500 watts pendant plus d'une heure. Sont également prévues une sortie 12 volts (prise allume-cigare classique comme dans les voitures) et une sortie USB pour recharger un téléphone ou d'autres appareils mobiles.
Les usages de ce type de batterie sont nombreux comme pour alimenter des petits appareils électriques sur des sites hors réseau (en camping, à la plage, …) ou encore fournir de l’électricité en cas de coupure du réseau public, comme, par exemple, alimenter un éclairage ou un poêle à pellets.
Vu sa capacité limitée, BattMobile ne pourra pas alimenter un chauffage électrique pendant une nuit, mais peut s'avérer très utile dans de nombreux cas.
Recharge sur une prise de courant : Le chargeur secteur et son cordon d'alimentation sont inclus dans le chariot.
Chargeur solaire en option : Le chargeur solaire optionnel n'est pas inclus dans l'appareil. Il reste à l'extérieur et se connecte par une prise Anderson située sur le côté. Il est en effet plus logique de laisser le chargeur solaire connecté aux panneaux photovoltaïques qui sont stationnaires.
Extension : La prise Anderson sur le côté du BattMobile permettra, à terme, d'ajouter en parallèle des modules basse tension supplémentaires pour augmenter la capacité de stockage de l'appareil - mais au dépens de sa mobilité, bien sûr.
Caractéristiques générales :
Batterie 48 Volts 50 Ah, 2 kWh, rechargeable en 6 heures.
Poids : 30 Kg
Sortie principale : 220 V 8 A, soit environ 1500 watts
Sorties auxiliaires: 12 V 10 A, USB 5V 2A.
Dimensions : environ 45 x 64,5 x 35 cm (poignée repliée)
Usage extérieur : Les deux roulettes et les deux poignées permettent de déplacer BattMobile. L'étanchéité à l'eau n'est pas garantie mais une certaine protection est assurée contre une exposition occasionnelle aux intempéries.
Sur la photo ci-dessus, au tableau de bord , on voit le coupe circuit général à mettre sur "OFF" pendant la non-utilisation. Le poussoir vert est peu visible (il est derrière le couvercle de la double prise USB). L'onduleur, situé sous le tableau de bord, affiche la tension de batterie et la tension de sortie alternative.
BattMobile001 en action
Composants utilisés et prix de revient approximatif TVAC
• un chariot à outils sert de base au boîtier (origine Lidl, 35€),
• 2 modules de batterie Panasonic 48Volts 25Ah de seconde vie (origine Audi eTron, 11kg chacun , 100€ la pièce au moment de l'achat - maintenant 54€),
• un onduleur low cost 2kW (179€)
• un chargeur 220V-48V (JMYSD, 130€),
• un microcontrôleur Arduino, avec sa connectique et un petit écran d'affichage pour contrôler le système et protéger la batterie contre les décharges intempestives, plus son programme « home made » (100€ estimé),
• Câblage, interrupteur, relais, fusibles, prise de sortie 200V (100€ estimé)
• Convertisseur DC-DC 48Volts vers 12 Volts 10A. (22€)
• Quincaillerie (contreplaqué, gaine thermo, cosses, boulons, 50€ estimé)
Soit un budget de l'ordre de 700€, TVAC, main d’œuvre non comprise (estimation difficile pour un prototype)
Schéma électrique
Mode d'emploi et logique de contrôle
On voit sur le schéma ci-dessus que le contrôle de l'appareil se fait par un interrupteur et deux boutons poussoirs. Celui de démarrage est vert et doit être enfoncé jusqu'à l'allumage de l'Arduino (ce qui se voit à son affichage du pourcentage de batterie). Pour éteindre, appuyer sur le poussoir d'arrêt) rouge. Le témoin 12 volts s'allume pendant le fonctionnement, ce qui prouve que la tension de 12 Volts est bien présente.
Charge : Pour recharger la BattMobile, il suffit de connecter la fiche 220 Volts (en haut à gauche sur le schéma) à une prise de courant ordinaire. La consommation est de l'ordre de 300 watts. Une recharge complète dure environ 6 heures.
On remarque que le chargeur est tout le temps en fonction quand il est branché. Il contient toutefois une protection contre les surcharges à la valeur de 50,4 V, le maximum toléré par la batterie. En plus d'alimenter le chargeur, le courant du secteur active un relais qui met en service le convertisseur 12 volts, ce qui démarre l'Arduino. donc, durant toute la charge, ce dernier contrôle les BMS par son bus CAN et assure l'équilibrage de charge des différentes cellules de la batterie. Le mot "Balancing" apparaît sur l'afficheur tant que l'équilibrage est actif.
L'Arduino contrôle aussi une éventuelle surcharge et coupe l'alimentation en cas de dépassement des tensions autorisées.
Démarrer la fourniture de courant :
1) l'interrupteur ON/OFF de l'onduleur doit être sur ON (On peut le laisser en permanence dans cette position, ce sont les poussoirs qui provoquent la mise en marche et l'arrêt de l'onduleur en temps normal.
2) appuyer sur le poussoir "Démarrage de l'onduleur" pendant quelques secondes.
Le rôle du poussoir est similaire à celui du relais utilisé lors de la charge : il met en service le convertisseur 12 Volts, ce qui active l'Arduino. Le relais de l'Arduino se ferme après une seconde environ. Étant monté en parallèle avec le poussoir de démarrage, ce relais simule un appui continu sur le bouton, ce qui permet à l'onduleur et à l'Arduino de rester en marche.
Arrêter la fourniture de courant : Pour stopper le processus - et donc cesser de consommer de l'énergie de la batterie-, il suffit d'appuyer sur le poussoir d'arrêt de l'onduleur. Ce poussoir interrompt l'alimentation de l'Arduino qui coupe son relais, ce qui arrête l'onduleur et l'alimentation de courant 12 Volts de l'Arduino lui-même.
En quelque sorte, le programme "se suicide" lui-même !
Ce fonctionnement peut paraître compliqué, mais il est nécessaire pour que la fourniture d'énergie par la batterie reste sous le contrôle de l'Arduino. Ceci lui permet de couper tout le système en cas d'anomalie, comme par exemple une chute de tension brutale, un court-circuit, ou une décharge trop importante qui pourrait endommager la batterie.
Arrêter seulement la sortie 220 Volts : Il est possible de laisser l'appareil en marche sans activer la sortie 220, par exemple si on n'utilise que la sortie 12 Volts ou les prises USB. Il suffit alors d'actionner l'interrupteur à bascule du tableau de bord, qui est l'interrupteur de mise en marche de l'onduleur déporté sur la tableau de bord.
Le coupe-circuit général: Le gros bouton rouge du coupe-circuit doit être en position "Off" pour le transport de l'appareil. Il doit être sur "On" avant emploi.
ATTENTION, le coupe-circuit ne peut pas être utilisé comme interrupteur de mise en marche du système. Il sert de protection, mais n'est pas conçu pour couper des courants forts. On ne le change de position que quand aucune charge n'est active et jamais quand la batterie est en charge.
Le convertisseur 12 Volts : le convertisseur est nécessaire pour alimenter le microcontrôleur Arduino. On profite de sa présence pour alimenter un voyant 12 Volts LED à faible consommation, une prise allume-cigare et un chargeur USB 5 volts pour la recharge d'un téléphone portable.
Le contrôle des BMS
Le BMS (Battery Management System) est un circuit électronique qui équipe chaque module et qui équilibre les tensions des 12 cellules du module. Il est soudé sur le dessus des cellules dans chaque module, sous le couvercle orange. On communique avec lui par un connecteur suivant le protocole appelé bus CAN.
Toutes les batteries au Lithium ont besoin d'un BMS. Sans cela, certaines cellules se chargent de plus en plus par rapport aux autres, ce qui les expose à des contraintes de plus en plus fortes. Cet effet néfaste peut se cumuler avec le temps et finir par détruire la batterie. Le BMS empêche tous ces effets indésirables et sert en plus d'alarme capable de signaler tout disfonctionnement.
Le travail de ces BMS se fait sous le contrôle d'un microcontrôleur de type Arduino (voir ci-dessous). La connexion entre l'Arduino et les deux modules se fait par un câble à 4 conducteurs qui transporte l'alimentation 12 V (un fil + et un fil -). Les deux fils du CanBus sont libellés Can+ et Can-. Une liaison bus CAN peut relier un grand nombre d'objets connectés (ici 3) qui se branchent tous en parallèle sur le même câble. La liaison doit se terminer à chaque bout par une résistance de 120 ohms. Il y en a une dans l'Arduino, l'autre est ajoutée par nous en fin de chaîne. La chaîne bus CAN de BattMobile connecte donc Arduino (avec résistance) - Module2 - Module 1 - résistance.
Câble de connexion entre Arduino et les BMS des modules Panasonic
Comme on le voit sur la photo ci-contre, le câble est constitué de deux paires torsadées:
Une paire rouge-blanc pour le 12 volts :
Borne 1 du connecteur = blanc = -12V,
Borner 5 du connecteur= rouge = +12 volts
Une paire brun-blanc
Borne 6 du connecteur = brun = CAN+
Borne 7 du connecteur= blanc = CAN-
On peut brancher jusqu'à 7 modules à l'Arduino par le bus CAN, chacun en série connecté en parallèle le long du même câble. Ne pas oublier d'ajouter aux deux extrémités du câble une résistance de 120 ohms entre les bornes CAN+ et CAN-, donc une côté Arduino et une autre au niveau du dernier module Panasonic de la chaîne (dans notre cas précis, il n'y a que deux modules).
On peut contrôler le double de modules (donc 14 auy total) si on ajoute un second interface CAN (noté MCP2515 sur le schéma ci-dessous) à l'Arduino. Dans ce cas, on installe aussi un second bus CAN indépendant du premier, y compris ses deux résistances de 120 ohms aux extrémités.
Le logiciel actuel développé par nous gère déjà cette possibilité.
Les parties métalliques non actives de tous les éléments sont reliés par des fils de terre (jaune et vert) et à un boulon accessible de l'extérieur pour connecter une prise de terre externe. Les connexions de terre de la fiche du chargeur et des prises 220V de sortie y sont aussi reliées.
On remarque de plus qu'un des pôles des prises 220 V de sortie est aussi relié à la terre. C'est obligatoire pour la détection des courants de fuite par les interrupteurs différentiels. Sans cette connexion, impossible par exemple de charger une voiture électrique avec la BattMobile.
Poussoirs, relais, prise allume-cigare: Le relais à bobine 220V qui est activé lors de la charge est fourni avec un support enfichable et bornes à vis. Le voyant vert est une LED à faible consommation. La prise allume-cigare est fournie avec ses cosses.Les poussoirs se placent dans des trous de diamètre 22 mm.
BMS contrôlé par Arduino
Les BMS passifs intégrés aux modules Panasonic sont contrôlés par un Arduino UNO qui gère aussi les deux relais normalement ouverts qui permettent d'arrêter la consommation si nécessaire.
L'Arduino UNO est donc complété par un module MCP2515 (interface Bus CAN), un convertisseur DC-DC LM2596 pour ramener le 12 volts au 6,5 demandés par l'Arduino UNO, le module afficheur SSD1306 et un module à deux relais.
Ci-dessus les divers modules du microcontrôleur. Le tout peut s'acheter pour environ 50€. On note sur le côté droit le bornier de communication vers le tableau de bord : le 12 volts (2 fils), le bus CAN (2 fils), et les contacts des deux relais (3 bornes chacun, dont seules 2 sont utilisées).
L'afficheur en fonction
