Watt Mètre pour Vélo

Le Prototype avant intégration dans la boite…

Voici un Watt Mètre pour chargeur de batterie de vélo avec arrêt de charge automatique et log des informations de charge.

J’ai donc construit un Watt Mètre pour contrôler, lors de la charge, de la batterie (48 V) de mon vélo équipé d’un moteur électrique (nucléaire).

Le système de base tourne autour d’un Arduino Nano équipé :

  • d’un afficheur LCD 2 lignes de 16 caractères en I2C ;
  • d’une Horloge DS3231 plus précise en I2C ;
  • d’un Convertisseur Analogique/Numérique 16 bits à 4 entrées ADS1115 en I2C ;
  • d’une mémoire EEPROM externe de 32 Ko en I2C ;
  • d’un Shunt 5 A intelligent ACS712-5 pour mesurer le Courant ;
  • d’un relais 5 V qui coupera la Charge (sur le ‘+’) ;
  • d’un convertisseur 60 V/5 V pour alimenter tout ce monde à partir du Chargeur ;
  • d’un Buzzer 5 V ;
  • de 2 prises rondes d’alimentation 5,5 x 2,5 mm (malle-femelle), cela permet d’insérer le Watt Mètre sur la ligne de charge sans couper ou modifier le circuit existant.

Le matériel

– Arduino Nano : Arduino Nano 1€60
– Afficheur LCD I2C : Écran LCD I2C 1€70
– Horloge DS3231 I2C : Horloge DS3231 I2C 0€90
– Convertisseur Analogique Numérique ADS1115 I2C : Convertisseur A/D 16 bits 1€50
– EEPROM 32Ko Externe I2C : EEPROM 32Ko I2C 0€50
– Shunt 5A ACS712-5 : Shunt 5A ACS712-5 1€05
– Relais 5V : Relais 5V 0€60
– Convertisseur 60V/5V : convertisseur 60V en 5V 1€75
– Un Buzzer : Buzzer 0€25
– Fiche 5,5 x 2,5 mm : Fiche Alimentation Mal Femelle 5,5mm 1€10

(Référence en début 2019… si vous ne trouvez pas, chercher par le Nom des éléments).
L’investissement sera de l’ordre de 11€ sans la boite… à faire dans un FabLab par exemple.

Le module Dc/Dc n’est pas toujours disponible sous le format directe 5 V, un autre module peut être utilisé, il abaisse la tension de 60 V une valeur variable à l’aide d’un réglage par un potentiomètre de 10 tours. Vous devez donc régler pour avoir 5 V et bloquer ce potentiomètre pour éviter qu’il ne bouge dans le temps, avec par exemple de la colle chaude…

La Boite

Le schéma qui suit permet d’avoir une belle boite en bois avec l’afficheur visible et l’accès au port USB disponible sur la droite. L’épaisseur du bois est de 4,8 mm, vous pouvez choisir une autre épaisseur, mais il faudra refaire le dessin (voir le site de la Cité des Sciences).

Les petits carrés rouges sont à coller sur les faces pour fixer les visses de maintient des cartes.

Un exemple de boite en bois coupé par laser.

Le fichier ci-dessus est disponible ici : La Boite.

Principe de Fonctionnement

L’Arduino analyse la Tension de la Batterie et du Chargeur, évalue le zéro de l’ampèremètre (légèrement flottant) et récupère dans l’EEPROM interne les valeurs précédentes (Numéro de Charge, valeur des anciennes charges, seuil de coupure pleine charge…)
10s après le démarrage, la charge commence si la Tension de batterie chute en-dessous du seuil de Fin de Charge fixé à 53,8V dans mon cas.

Pour rappel, une sur-tension sur la batterie entraîne une perte de cycle de charge ce qui équivaux à moins de vie de cette dernière.

Une coupure avant la pleine charge à 53,8V au lieu des 54,6V permet d’augmenter le nombre de cycle de charge d’un coefficient 2 !!!

Voir beaucoup plus, si la décharge reste au-dessus de 3,1V par élément (soit 40,3V). Cela se règle sur le contrôleur du BBS02 du vélo… qu’il est judicieux de reprogrammer si la valeur est trop faible (c’est correcte à l’origine, normalement).

Voir : La reprogrammation du BBS02

Les données de la charge sont enregistrées toutes les minutes dans l’EEPROM Externe avec : une information du Delta de changement de Courant et de Tension pour limiter la taille dans la mémoire (optimisation)…

Cela peut être récupéré sur un PC pour une analyse ultérieur via le connecteur USB.

Le programme en ‘C’ (documenté) pour l’Arduino Nano est ici : Le Fichier Zip du programme

Le câblage est assez facile, tout est en I2C, donc il faut juste relier les modules entre eux sur le Bus I2C (Arduino A4 -> SDA et A5 -> SLC) de l’Arduino Nano.

Le schéma de principe, remarqué la séparation entre le 5 V et le 48 V.

Pour la mesure de Tension, j’ai monté 2 ponds diviseurs avec des résistances de 100 KΩ sur le ‘+’ des 48V (Chargeur et Batterie) et une résistance de 6,8 KΩ sur la masse (GND).

Le Point de Mesure (PM) est donc au centre, soit :

+48V Chargeur —-Résistance 100 KΩ—PMc—Résistance 6,8 KΩ—-GND
+48V Batterie —-Résistance 100 KΩ—PMb—Résistance 6,8 KΩ—-GND

Pmc (Chargeur) est connecté à la broche A3 de l’ADC AN1115…

Pmb (Batterie) est connecté à la broche A2 de l’ADC AN1115…

La mesure de Courant se fait en connectant la sortie ‘OUT’ du Convertisseur de Courant ICL712-5 sur la broche A1 de l’ADC AN1115.

On peut mesurer la Tension 5 V de l’Arduino avec un pond diviseur d’un rapport 2 avec 2 résistances de 10 KΩ entre le ‘+5 V’ et le ‘GND’, le Point de Mesure sera connecté à la broche A0 de l’ADC AN1115.

Le Buzzer est connecté sur la broche 6 de l’Arduino Nano et sur la masse ‘GND’.

Le Relais est connecté sur la broche 2 de l’Arduino Nano.

Le Chargeur se branche sur le Relais (pôle ‘+’), la sortie du Relais (pôle ‘+’) sera connecté sur la puissance du Shunt ACS712-5 (à droite en regardant la carte composant vers vous), la sortie du shunt va vers la Batterie (pôle ‘+’).

Les pôles moins (GND) sont tous relier en communs (masse commune) pour la partie puissance (48 V).

L’alimentation +48 V du convertisseur DC-DC 60 V -> 5 V est connecté sur le ‘+’ du Chargeur (sur le Relais). La sortie du convertisseur alimente l’Arduino en +5 V, les GND ne sont pas connectés entre le 48 V et le 5 V (important).

Les prises de Tension des 2 ponds diviseurs (Chargeur et Batterie) sont connectés à l’entrée et la sortie du Relais (côté puissance).

À vous de jouer maintenant …

Le prototype en cours de test.
L’Arduino Nano, l’Horloge, l’EEPROM, l’ADC et les diviseurs de Tension.
Le Convertisseur Dc/Dc 60 V en 5 V, le Schunt et le Relais.
La face arrière du Relais,, du Schunt et de l’Alim Dc/Dc…
Le Lcd et le Buzzer…
Fonctionnement et test avec le Chargeur branché…

La Batterie est simulée avec 4 résistances de 7,5 Ω pour calibrer l’Ampèremètre.
Indication de la Tension de la Batterie, l’intensité de charge, l’heure système et le temps de charge.

A bientôt,
Jean-Noël MICHEL de la Rochefoucauld

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