Une patinette électrique ou " Trotinette electrique "

Pratique, sympathique, écologique : c’est notre proposition d’une patinette à moteur électrique avec une autonomie de 30 kilomètres à une vitesse de plus de 20 kilomètres par heure. Un véhicule facilement réalisable par tous les passionnés d’électronique, pour peu qu’ils aient quelques notions de mécanique et un minimum d’outillage.




La patinette, ma passion ! Après des décennies d’oubli de ce… moyen de locomotion (qu’on appelait alors, dans les années 50, “trottinette”), nous assistons aujourd’hui à son retour en force : un véritable engouement pour ce véhicule à deux roues s’empare des enfants, bien sûr, mais aussi des grandes personnes, voire des personnes âgées. Tous veulent l’essayer et filer sur les routes, les trottoirs, les places et autres lieux où cela est (plus ou moins) possible !
D’ailleurs des courses de vitesse ou de slaloms sont organisées aux niveaux local et national. Nous ne serions pas autrement étonnés si, dans peu de temps, quelqu’un organisait des compétitions au niveau mondial !
Cependant, les patinettes engagées dans ces courses, de même que les patinettes ordinaires du commerce, sont très différentes de nos “trottinettes” de la moitié du siècle dernier : la plupart étaient construites par le papa de l’utilisateur, à partir de deux axes de bois articulés entre eux sur une monopoutre par deux roulements à sphère.
Aujourd’hui la patinette est devenue un produit industriel, en acier chromé ou en aluminium poli, elle est bien profilée, légère mais robuste et elle n’est plus réservée aux seuls galopins.
De là vient, sans doute, l’évolution du concept. On trouve désormais des versions à moteur dont les emplois sont très divers : on les rencontre sur les quais, dans les villages touristiques, sur les aéroports et dans les parcs d’attraction. Et, de fait, la patinette électrique est le véhicule idéal pour se déplacer en de tels lieux : elle est pratique, peu encombrante et permet de parcourir sans fatigue des distances non négligeables pour un coût dérisoire.
Contrairement à la patinette ordinaire, la patinette électrique présente un cocktail serré de technologies mais, en dépit de cela, on peut la construire soi-même : une personne possédant, outre sa passion pour l’électronique, quelques connaissances en mécanique, peut se lancer sans crainte.



Notre réalisation
Etant donné l’intérêt manifesté pour ce type de matériel, nous avons pensé vous proposer la construction d’une patinette électrique. Vous trouverez dans cet ar ticle la description des circuits électroniques utilisés, ainsi que du montage mécanique. Cette construction est à la portée de tous, pourvu que vous disposiez du minimum d’outillage nécessaire (dans le domaine mécanique, bien sûr, car, en ce qui concerne l’électronique, nous considérons que c’est acquis).
Plusieurs éléments peuvent être achetés dans le commerce spécialisé (par exemple, les roues, le moteur ou le frein) alors que d’autres (châssis, guidon) seront facilement réalisés dans du tube métallique.
En ce qui concerne l’installation électrique/électronique, la patinette comporte un moteur électrique, un groupe de batteries rechargeables, un régulateur PWM et un chargeur de batteries. Pour notre réalisation, nous avons mis en oeuvre un moteur à courant continu de 180 W, fonctionnant sous 36 V avec une consommation de 5 A environ. La source d’énergie est constituée de trois batteries au plomb-gel (hermétiques) de 12 V sous 7 Ah (en série pour obtenir 36 V). Un “réservoir” de ce genre donne une autonomie de presque 1 heure 30 à fond. Si l’on modère la vitesse, on peut dépasser les 2 heures. A propos de la vitesse, nous avons pu vérifier qu’avec une charge faible (30 à 50 kg) on peut atteindre 20 à 25 km/h alors qu’avec une forte charge (80 à 100 kg) la vitesse maximum atteint 20 km/h.

Le régulateur de vitesse PWM
Le schéma électrique
Reportez-vous à la figure 1. Le coeur du système est constitué par l’ensemble batterie/moteur/régulateur qui, comme on le voit sur les photos (par exemple, figure 2), est fixé sous le cadre de la patinette afin d’abaisser le plus possible le barycentre du véhicule.
Le circuit du régulateur de vitesse produit un signal PWM de puissance appliqué au moteur. La durée des impulsions positives peut être réglée entre une valeur nulle (0 %) et une valeur (référée au rapport cyclique) de presque 100 %. Pratiquement, on applique au moteur une tension comprise entre 0 et 36 V environ et, par conséquent, la vitesse de rotation passe d’une valeur nulle à une valeur maximale. La régulation PWM permet d’obtenir un couple constant avec un rendement optimal, même à bas régime, et une vitesse de pointe convenable.
Notre circuit utilise trois comparateurs de tension faisant partie du circuit intégré U1, un LM339 (voir figure 7a). Le premier (U1a) est un buffer permettant d’obtenir un seuil de tension compris entre deux valeurs adaptées au pilotage des étages suivants.
Les trimmers R2 et R6 règlent les valeurs minimum et maximum pour que la rotation du potentiomètre P1 permette d’obtenir une vitesse linéairement croissante, de l’arrêt complet du moteur jusqu’à la vitesse maximum.
Les deux comparateurs suivants et les deux portes NAND à trigger de Schmitt, constituent le générateur d’impulsions proprement dit : les valeurs des réseaux RC utilisés déterminent une fréquence de travail d’environ 5 à 6 kHz. Le rapport cyclique change en fonction de la tension présente sur la broche 13, selon la description faite ci-dessus.
Lorsque la tension varie, la fréquence de travail change aussi légèrement. Les transistors T1 et T2 opèrent comme drivers de petite puissance et le signal présent en sortie pilote directement la gâchette (gate) du MOSFET de puissance canal N, un RFG70N06 (voir figure 7b). Ce dispositif peut travailler sous 60 V maximum avec un courant de 70 A : ce qui est plus que suffisant pour satisfaire nos besoins.
L’alimentation du régulateur de vitesse est confiée à un circuit intégré régulateur 12 V en série avec une résistance de puissance qui fait “chuter” une grande partie de la différence entre 36 et 12 V.
Le circuit complet, avec le MOSFET de puissance et le moteur, est activé au moyen d’un relais : nous avons utilisé un 24 V à double contact de 10 A chacun.
En série avec le bobinage du relais nous avons prévu, outre une résistance chutrice (compensant la différence de tension), une clé de mise en marche générale et un poussoir normalement fermé (NF). Ce dernier est fixé au levier de frein de manière à arrêter le moteur quand on freine. Non seulement le freinage sera ainsi plus efficace mais encore on n’endommagera ni le régulateur PWM ni le moteur par des actions contraires.

Figure 1 : Schéma électrique du régulateur de vitesse PWM.

Figure 2 : Notre prototype de patinette à moteur électrique. Ici, on a enlevé le carénage, ce qui permet d’apercevoir le groupe de trois batteries au plomb-gel en série 36 V - 7 Ah garantissant une autonomie de 30 km environ à plus de 20 km/h.

Figure 3 : Vue de notre “chopper” ou régulateur de vitesse PWM. MOSFET et diode FAST sont montés sur un petit dissipateur en aluminium.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants du régulateur de vitesse PWM.

Figure 5a : Photo d’un des prototypes du régulateur de vitesse PWM. Le montage du régulateur de vitesse ne présente aucune difficulté particulière.
Le circuit utilise un MOSFET de puissance capable de travailler sous 60 V maximum avec un courant de 70 A : il peut piloter sans problème le moteur à courant continu de 36 V 180 W.

Figure 5b : Schéma pratique du faisceau des commandes allant au guidon. Le potentiomètre permet de régler la vitesse. Le circuit de mise en marche prévoit un interrupteur poussoir normalement fermé : ce dernier, placé sous le levier de frein, coupe l’alimentation du moteur quand on freine.

Figure 6 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du régulateur de vitesse PWM.

Figure 7a : Brochage du comparateur LM339, vu de dessus.

Figure 7b : Brochage du MOSFET RFG70N06.

Liste des composants régulateur
R1 = 1 kΩ
R2 = 47 kΩ trimmer
R3 = 10 kΩ
R4 = 33 kΩ
R5 = 270 kΩ
R6 = 1 MΩ trimmer
R7 = 330 kΩ
R8 = 2,2 MΩ
R9 = 2, 2 kΩ
R10 = 39 kΩ
R11 = 100 kΩ
R12 = 470 kΩ
R13 = 100 kΩ
R14 = 5,6 kΩ
R15 = 390 kΩ
R16 = 100 kΩ
R17 = 100 kΩ
R18 = 4,7 kΩ
R19 = 33 kΩ
R20 = 10 Ω
R21 = 470 Ω 2 W
R22 = 330 Ω 2 W
P1 = 2,2 kΩ pot. lin.
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 10 μF 16 V électrolytique
C3 = 22 nF polyester
C4 = 47 nF polyester
C5 = 470 μF 16 V
électrolytique
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 100 nF multicouche
C8 = 1 000 pF céramique
C9 = 470 μF 63 V électrolytique
D1 = Diode 1N4148
D2 = Diode 1N4148
D3 = Diode BYW80-200
T1 = NPN BC547B
T2 = PNP BC557B
U1 = Intégré LM339
U2 = Intégré 4093
U3 = Régulateur 7812
MSFT1 = MOSFET RFG75N06
RL1 = Relais 24V 2 RT 10 A
CH1 = Inter. à clé
P1 = Poussoir NF
M = Moteur 180 W 36 V DC

Divers :
2 Supports 2 x 7 broches
1 Radiateur TO220
1 Kit d’isolation pour TO3P
1 Kit d’isolation pour TO220
1 Barre d’aluminium (radiateur)
4 Cosses FASTON pour c.i.
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles


La réalisation pratique
Reportez-vous aux figures 4 et 5a. En ce qui concerne le montage du régulateur, nous avons prévu un circuit imprimé visible figures 3, 5a et 6. La réalisation de ce circuit imprimé pourra être effectuée par le système classique de photogravure ou par le procédé révolutionnaire (et bien pratique) de la “pellicule bleue” (voir ELM 26, page 59 et suivantes).
Le montage proprement dit ne présente aucune difficulté particulière.
Pour la mise en place des deux circuits intégrés nous avons utilisé deux supports et pour les connexions externes deux borniers, un pour le potentiomètre et l’autre pour le circuit d’activation (clé et poussoir). Pour la liaison au moteur et au groupe de batteries, vu les courants en jeu, nous avons prévu quatre contacts FASTON mâles pour circuit imprimé. Le régulateur de tension est muni d’un dissipateur à deux ailettes pour TO220. Le MOSFET de puissance et la diode FAST seront aussi pourvus d’un dissipateur : c’est une barre d’aluminium de petites dimensions qui sert pour les deux (ne pas oublier d’isoler le dos de ces composants avec les kits d’isolation correspondants).
Pour vérifier le fonctionnement du régulateur PWM il est conseillé, dans une première phase, de ne pas monter le MOSFET et de contrôler avec un oscilloscope qu’à la sortie de T1/T2 sont effectivement présentes les impulsions positives à rapport cyclique variable.
Réglez les trimmers R2 et R6 de manière à obtenir une excursion linéaire du potentiomètre ; c’est-à-dire absence d’impulsions lorsque le curseur est tourné à fond d’un côté et impulsions à rapport cyclique de presque 100 % lorsque le curseur est en position opposée.
Alors seulement insérez le MOSFET et connectez le moteur (fixez ce dernier sur votre banc de travail pour éviter qu’il ne sursaute !). Connectez la tension d’alimentation et vérifiez que la vitesse de rotation du moteur varie en fonction de la position du potentiomètre.

Le chargeur de batterie
Le schéma électrique
Reportez-vous à la figure 8. Le second circuit électronique utilisé pour notre patinette est le chargeur de batterie destiné, bien sûr, à recharger le groupe des batteries à partir du secteur 220 V.
Le circuit que nous avons mis au point utilise (pour la conversion CA/CC) un système PWM permettant de se passer de transformateur de puissance.
Avec la tension continue obtenue nous rechargeons les batteries et nous vérifions, à l’aide d’un circuit adapté, l’état de charge : quand les batteries sont chargées, le circuit interrompt la charge.
Dans notre montage, la charge se fait sous 1 à 1,5 A de courant et elle est complète après environ 5 heures.
Mais voyons de plus près le circuit.
La tension alternative 220 V atteint le pont redresseur RS1 par un double filtre LC éliminant les risques de perturbation du secteur par les signaux parasites du circuit de commutation.
En aval du pont redresseur se trouve un condensateur de filtrage aux bornes duquel une tension continue de 300 V est présente. Cette tension alimente directement l’étage de puissance aboutissant au MOSFET MSFT1 et au primaire du transformateur TF1 (points 3 et 4).
Au circuit intégré U1, un simple TL3842, se rattachent toutes les fonctions relatives à l’étage PWM. En pratique, ce circuit intégré oscille à la fréquence de 57 kHz et produit un train d’impulsions dont le rapport cyclique dépend de la consommation du circuit alimenté : plus grande est la consommation du circuit, plus longue est la durée des impulsions.
Pour vérifier la consommation du circuit, il suffit de mesurer la tension chutant aux bornes de la résistance de très basse valeur placée en série avec la source du MOSFET : cette tension agit sur le comparateur interne contrôlant le générateur PWM.
Cet étage présente deux autres particularités : l’alimentation du chip et l’extinction du circuit au moyen d’un optocoupleur. La tension d’alimentation est obtenue à partir du 300 V continu par l’intermédiaire de deux résistances chutrices fournissant un courant plutôt faible, juste suffisant pour faire démarrer le chip et déclencher l’oscillation. Ensuite le circuit est alimenté par la tension présente sur l’enroulement de TF1 (points 1 et 2).
Cette tension, redressée par la diode D1 et filtrée par C7, s’additionne à la tension initiale, ce qui procure une alimentation correcte au chip.
Quant à l’optocoupleur, c’est un composant qui, lorsqu’il est actif, permet d’inhiber presque entièrement le fonctionnement du PWM, soit de réduire au minimum l’amplitude des impulsions produites.
A noter enfin que l’étage à haute tension est galvaniquement isolé de l’étage basse tension grâce à l’emploi du transformateur TF1 et de l’optocoupleur.
Voilà comment s’explique la présence de deux masses distinctes avec des symboles différents (figure 8).
Les impulsions présentes sur le secondaire de TF1 (enroulement points 5 et 7) sont redressées par la double diode FAST D6 et rendues parfaitement continues par le filtre LC dont C13 et L2 font partie. Aux bornes du condensateur, nous trouvons normalement une tension continue d’environ 45 V utilisée pour recharger les batteries et pour alimenter le circuit de régulation utilisant les quatre amplificateurs opérationnels contenus dans U2, un banal LM324. La LED verte LD1 signale par son allumage que la tension est présente sur le secondaire et que donc tout l’étage en amont fonctionne correctement.
Le circuit intégré LM324 est alimenté par une tension stabilisée de 28 V fournie par la zener DZ2.
Une autre zener (DZ1) fournit la tension de référence aux amplificateurs opérationnels fonctionnant comme comparateurs de tension.
Pour vérifier l’état de charge des batteries on mesure le courant qu’elles consomment. Dans ce but on a placé, en série avec les batteries, une résistance de faible valeur dont la chute de tension est comparée à la tension de référence. Quand le courant de charge descend sous 100 mA, la LED de signalisation bicolore LD2 passe de rouge à vert pour indiquer la fin de la charge. Cette dernière n’est cependant pas interrompue : la batterie est maintenue “en tampon”.
Ce circuit est constitué des amplificateurs opérationnels U2c et U2b alors que les deux autres amplificateurs opérationnels sont là pour vérifier si la batterie est connectée ou non aux bornes de sortie ou si ces dernières sont en court-circuit. Dans les deux derniers cas, l’optocoupleur est activé pour limiter le fonctionnement du PWM. Par les trimmers R25 et R29, il est possible de régler les seuils d’intervention du circuit. C’est le cas aussi pour U2d (contrôlant le seuil d’intervention de court-circuit) : il est possible d’effectuer une sorte de réglage en éliminant R15, augmentant ainsi le seuil d’intervention.

Figure 8 : Schéma électrique du chargeur de batteries.

Figure 9 : Notre platine chargeur entièrement montée.

Figure 10 : Schéma d’implantation des composants du chargeur de batteries.

Figure 11 : Photo d’un des prototypes du chargeur de batteries.

Figure 12 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du chargeur de batteries.

Figure 13a : Brochage du PWM TL3842, vu de dessus.

Figure 13b : Brochage de la double diode rapide STPR1620CT.

Liste des composants chargeur
R1 = 220 kΩ 2 W
R2 = 68 kΩ 1/2 W
R3 = 82 kΩ 1/2 W
R4 = 82 kΩ 1/2 W
R5 = 10 Ω
R6 = 33 Ω
R7 = 4,7 kΩ
R8 = 560 Ω
R9 = 0,33 Ω 5 W
R10 = 4,7 kΩ
R11 = 4,7 kΩ
R12 = 4,7 kΩ
R13 = 68 Ω
R14 = 560 Ω
R15 = 2,2 kΩ
R16 = 5,6 kΩ
R17 = 10 kΩ
R18 = 39 kΩ
R19 = 1 kΩ
R20 = 10 kΩ
R21 = 3,3 kΩ 2 W
R22 = 10 kΩ
R23 = 6,8 kΩ
R24 = 1,2 kΩ
R25 = 22 kΩ trimmer
R26 = 4,7 kΩ
R27 = 68 kΩ
R28 = 820 Ω
R29 = 22 kΩ
R30 = 10 kΩ
R31 = 4,7 kΩ
R32 = 0,22 Ω 5W
R33 = 820 Ω
C1 = 100 nF 275 V pol.
C2 = 100 nF 275 V pol.
C3 = 470 pF 1 kV céramique
C4 = 470 pF 1 kV céramique
C5 = 47 μF 400 V électrolytique
C6 = 10 nF 1 kV céramique
C7 = 100 μF 35 V électrolytique
C8 = 1 000 pF céramique
C9 = 5 600 pF céramique
C10 = 10.000 pF céramique
C11 = 33 nF céramique
C12 = 10 000 pF céramique
C13 = 220 μF 63 V électrolytique
C14 = 100 μF 63 V électrolytique
C15 = 470 pF 1 kV céramique
C16 = 47 μF 50 V électrolytique
C17 = 100 nF multicouche
C18 = 100 nF multicouche
C19 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
D3 = Diode 1N4148
D4 = Diode 1N4007
D5 = Diode 1N4007
D6 = Diode STPR1620CT
D7 = Diode 1N4007
D8 = Diode 1N4007
DZ1 = Zener 5,6 V 0,5 W
DZ2 = Zener 28 V 1 W
RS1 = Diode 1N4007 (4)
L1 = Self de filtrage secteur
L2 = 10 μH 5 A
LD1 = LED verte 5 mm
LD2 = LED bicolore 5 mm
FC1 = Optocoupleur TLP627 ou éq.
MSFT1 = MOSFET IRF840 o eq.
U1 = Intégré TL3842
U2 = Intégré LM324
TF1 = Transfo. (voir texte)
FUS1 = Fusible 2 A

Divers :
1 Support 2 x 7 broches
1 Support 2 x 4 broches
1 Porte-fusible pour c.i.
2 Radiateurs pour T0220


La réalisation pratique
Reportez-vous aux figures 10 et 11.
Du point de vue pratique, la réalisation du chargeur de batterie n’est pas plus difficile que celle du régulateur de vitesse. Le seul composant à construire soi-même est le transformateur en ferrite dont les dimensions doivent supporter une puissance d’au moins 80 à 100 W. Tous les enroulements sont réalisés avec du fil de cuivre émaillé de 0,3 à 0,4 mm de diamètre.
L’enroulement primaire (points 3 et 4) nécessite 100 spires. Le secondaire (points 5 et 7) 25 spires et celui qui fournit sa tension au TL3842 (points 1 et 2) 8 spires. Le MOSFET de puissance et la double diode FAST sont munis de dissipateurs.
Pour vérifier le fonctionnement du circuit, il faut d’abord différer le montage du LM324 et mesurer avec un multimètre la présence du 300 V continu aux bornes du condensateur C5 et de 40 à 50 V aux bornes du condensateur C13.
Si vous disposez d’un oscilloscope, vous pouvez aussi vérifier la forme de l’onde présente sur les divers points du circuit haute tension.
Ensuite montez le LM324, reliez en série les batteries à recharger et mesurez la tension à leurs deux bornes extrêmes.
Réglez les trimmers R25 et R29 de manière qu’en atteignant 41,4 V (3 x 13,8 V) la LED de signalisation passe du rouge au vert.

Montage mécanique de l’entraînement et du frein
Les photos et dessins montrent la réalisation mécanique de la propulsion et du freinage de la patinette.
Le châssis a été réalisé en tubes soudés dûment profilés. Au centre, nous avons prévu le logement pour les trois batteries et le régulateur de vitesse PWM. La section la plus importante est la partie postérieure (14a et 14b) sur laquelle sont fixés tous les éléments de propulsion et de freinage. Nous avons utilisé deux roues avec pneus à chambres de 2,5 x 4”, ce qui fait environ 6 cm de largeur par 20 cm de diamètre. La fourche du châssis reçoit l’axe de la roue arrière : celle-ci comporte un roulement lui permettant de tourner librement. Deux demi-moyeux solidaires de la roue, un de chaque côté, permettent propulsion et freinage. Sur le demi-moyeu de droite est fixée une couronne dentée reliée au moteur par une chaîne métallique ; l’autre demimoyeu reçoit un frein à tambour de 80 mm dont la partie statique est fixée au châssis. Sur ce même châssis, à 20 cm environ de la roue, on a monté le moteur électrique dont l’arbre est lui aussi équipé d’une petite couronne dentée pour l’entraînement par chaîne.




Figure 14a.




Figure 14b.
Figure 14 : Montage mécanique de l’entraînement et du frein.

14c : La rotation de l’arbre du moteur est transmise à la roue arrière par chaîne.

14d : Sur le côté opposé on a monté un frein à tambour de 80 mm fixé au châssis et au demi-moyeu.

La réalisation mécanique de la patinette
Puisque nous en avons terminé avec les circuits électroniques, passons à la réalisation de la partie mécanique.
Le cadre a été réalisé en tubes soudés et dûment profilés.
La section la plus importante est la partie arrière où sont fixés tous les éléments relatifs à la propulsion et au freinage.
Les deux roues sont des 2,5 x 4” (soit à peu près 6 cm de large par 20 cm de diamètre).
A la fourche arrière du châssis est fixé l’axe de la roue motrice : la roue étant à roulement, elle tourne librement sur cet axe.
Deux demi-moyeux fixés chacun de part et d’autre de la roue gèrent la propulsion (par couronne dentée et chaîne) et le freinage (frein à tambour de 80 mm fixé au châssis pour la partie fixe et solidaire du demi-moyeu pour la partie mobile).
Le moteur est également fixé au châssis, à environ 20 cm de la roue. Lui aussi comporte une petite couronne dentée, solidaire de son arbre, transmettant par chaîne le mouvement à la roue motrice.
Tout cela se trouve dans le commerce à un prix modéré, notamment chez les revendeurs de pièces de cycles et motos.
Le guidon pourra être celui d’un vieux cyclomoteur et on en trouvera à la casse. Sur ce guidon arrive le câble de frein à fixer au levier correspondant (ne pas oublier de placer dessous le poussoir afin que le moteur ne soit plus alimenté quand vous freinez). De l’autre côté du guidon montez le potentiomètre (des “gaz” !) avec la poignée adaptée afin de pouvoir commander la vitesse de rotation du moteur.
Sur le châssis placez une solide plateforme et le tout pourra être orné par un carénage en bois ou en plastique.