Comprendre les bases des systèmes d'alimentation RC

Introduction

Il fut un temps où les systèmes d'alimentation embarqués radiocommandés (RC) étaient assez basiques, avec simplement un récepteur et quelques servomoteurs alimentés par une batterie NiCad. Depuis, avec le lancement des moteurs à commande électrique et d'autres exigences liées à la puissance, les systèmes RC ont quelque peu changé. Cet article de blog explique la terminologie et les composants utilisés dans les systèmes d'alimentation RC modernes, et la manière dont ces composants sont couramment configurés.

Le récepteur

Les récepteurs (RX) RC servent à deux choses. La première consiste à interpréter les signaux provenant du transmetteur et à envoyer ces données au bon canal. La seconde consiste à fournir un rail d'alimentation qui délivre le courant et la tension aux différents servomoteurs ou autres dispositifs périphériques qui occupent les canaux de servocommande. Le récepteur a besoin d'une alimentation constante de 4,8 à 6 VCC pour réaliser ses tâches de commande (Figure 1). Si le modèle RC est propulsé par un moteur au nitrométhane ou au gaz, il suffit d'avoir une batterie NiCad ou NiMH capable de fournir une tension au récepteur. Dans certains cas, les véhicules RC avec moteur à essence disposent d'une batterie séparée pour le système d'allumage.

Figure 1 : Disposition d'un récepteur RC. (Source de l'image : Don Johanneck)

Moteurs à commande électrique

Le lancement des moteurs électriques pour propulser un modèle nécessite des batteries plus puissantes et un système de commande d'accélérateur indépendant. La commande moteur reçoit le signal d'accélérateur envoyé par le récepteur et le traduit dans la plage de tensions de la batterie pour donner au moteur tout ce dont il a besoin. Pour répondre aux besoins d'alimentation du récepteur, certains contrôleurs moteurs incluent une sortie 5 V dédiée et régulée rien que pour le récepteur, appelée « circuit d'élimination de batterie » ou BEC (Battery Elimination Circuit). Cela permet aux concepteurs de systèmes de ne pas avoir à installer deux batteries (une pour le moteur et une pour le récepteur). Un circuit BEC indépendant directement relié à la batterie peut également être installé si le contrôleur n'a pas de circuit BEC ou si sa sortie 5 V ne fournit pas le courant adéquat.

Moteur à balais ou sans balais ?

Les moteurs CC à balais pour la propulsion des avions RC n'ont pas duré longtemps et ont vite été remplacés par des moteurs CC sans balais (BLDC). Le contrôleur pour les moteurs est appelé « variateur de vitesse électronique » ou ESC. Les ESC sont répertoriés selon leur puissance de sortie et leur capacité à prendre en charge les diverses batteries LiPo qui ont remplacé les batteries RC en raison de leur capacité élevée. Comme indiqué précédemment, la plupart des ESC disposent d'un BEC, mais certains n'en ont pas. Le terme BEC fait normalement référence à un circuit régulé linéaire qui est inefficace et qui génère de la chaleur. Cela a donné naissance à l'uBEC, un régulateur de tension à découpage plus efficace.

Figure 2 : Système d'alimentation et de commande RC. (Source de l'image : Don Johanneck)

Tandis que les moteurs à balais sont tout simplement répertoriés par la tension d'entrée et la consommation de courant, les moteurs sans balais plus populaires sont répertoriés en Kv, ce qui correspond essentiellement aux tours par minute par volt. Si votre moteur sans balais est répertorié à 850 Kv, cela signifie qu'il tourne à 850 tr/min par volt appliqué. Une batterie LiPo 4S fournit environ 14,8 V, ce qui fera tourner le moteur 850 Kv à 12 580 tr/min au courant de batterie maximum et sans charge au niveau de l'arbre de sortie du moteur. L'ESC régule la tension afin de fournir une plage complète de commande de la rotation proportionnelle à la position de la commande d'accélérateur du transmetteur (TX).

La détermination de la consommation de courant potentielle d'un moteur sans balais nécessite quelques calculs plus ou moins clairs. En multipliant le poids du moteur en grammes par un facteur de 3,5, on obtient la puissance maximale approximative. Supposons que le moteur de 850 Kv pèse 174 g. Ce moteur pourrait consommer environ 600 W. Étant donné que la puissance est le produit de la tension multipliée par le courant, il convient de diviser la puissance par la tension appliquée pour obtenir la consommation de courant approximative, soit environ 41 A à la vitesse de rotation maximale.

En général, un opérateur RC ne fonctionne pas à fond pendant toute la durée d'un vol ou d'un trajet, mais si c'était le cas, un bloc-batteries de 6500 mAh pourrait faire fonctionner un moteur de 850 Kv à pleine charge pendant environ 9 minutes et 30 secondes (6500 mAh/41 000 mA = 0,1585 heure).

Batteries LiPo

Les termes LiPoly, Lithium-polymère et « LiPo » font référence au même type de batteries à sortie élevée. Le choix se fait en fonction de ce que l'ESC est capable de prendre en charge et des exigences du moteur. Ce qui est pratique, c'est que la plupart des batteries LiPo fournissent ces informations sur leur étiquette, où sont indiqués le nombre de cellules, la capacité nominale en ampèreheures et le taux de décharge. La tension nominale est directement liée au nombre de cellules. Comme chaque cellule LiPo produit une tension nominale de 3,7 V, la valeur série ou « S » indique le nombre de cellules en série qui composent le bloc-batteries. Un bloc-batteries 2S correspond à 7,4 V, un bloc-batteries 3S correspond à 11,1 V et ainsi de suite. La capacité nominale en ampèreheures est utilisée pour déterminer la durée pendant laquelle le bloc-batteries peut fournir du courant à une consommation de courant donnée. DigiKey propose un outil pratique pour calculer l'autonomie d'une batterie en fonction de la consommation de courant (Figure 3).

Figure 3 : Autonomie estimée - Calculateur d'autonomie des batteries de DigiKey. (Source de l'image : DigiKey)

La valeur « C » décrit la consommation de courant maximale du bloc-batteries qui n'endommagera pas les cellules. Il suffit de multiplier la valeur « C » par la capacité en ampères. Un bloc-batteries 15C de 3200 mAh peut fournir une consommation maximale de 48 A. La valeur « C » est également utile pour déterminer le taux de charge (Figure 4). La bonne charge d'une batterie LiPo nécessite une certaine discipline pour ne pas endommager les cellules et pour éviter les incendies potentiels dus à la surcharge ou aux cellules physiquement endommagées. Utilisez toujours un chargeur avec des taux de charge ajustables, des connecteurs d'équilibrage et si possible un capteur pour surveiller la température du bloc-batteries. Un bloc-batteries « gonflé » doit être éliminé selon les normes en vigueur afin d'éviter toute combustion ou explosion au cours de la charge. Il est d'usage de choisir un taux de charge 1C, calculé en convertissant la valeur mAh en ampères, puis en chargeant à ce taux. Le bloc-batteries de 3200 mAh mentionné précédemment est chargé à 3,2 A (1C) maximum. La sortie d'équilibrage veille à ce que le bloc-batteries soit chargé de manière uniforme et permet à l'utilisateur de surveiller chaque cellule à l'aide d'un compteur spécial qui se branche directement à la sortie d'équilibrage.

Figure 4 : Temps de charge estimé - Calculateur d'autonomie des batteries de DigiKey. (Source de l'image : DigiKey)

Veillez à ne pas décharger un bloc-batteries en dessous de 3,7 V par cellule. Un déchargement régulier en dessous de ce niveau peut réduire la durée de vie de la batterie et sa capacité.

Un bloc-batteries sérieusement endommagé en raison d'une surcharge ou de dommages physiques peut éclater et sortir de son boîtier de protection. N'essayez pas de charger un bloc-batteries qui a éclaté et faites attention en le manipulant. Dans cet état, il est explosif et imprévisible. Pour des raisons de sécurité, les blocs-batteries LiPo doivent être neutralisés et recyclés lorsqu'ils ne sont plus utilisables.

Résumé

Les systèmes d'alimentation RC peuvent être simples et peu coûteux, ou atteindre des centaines de dollars. Dans tous les cas, de bonnes interconnexions et une surveillance assidue de la batterie peuvent prolonger la durée de vie du système d'alimentation. Il est fréquent que des systèmes d'alimentation durent plusieurs années, voire plusieurs dizaines d'années. Des batteries bien entretenues peuvent durer plusieurs saisons, mais nécessitent souvent un remplacement en raison de la décharge rapide régulière associée aux véhicules RC. Essayez d'y voir le côté ludique !