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Le projet e-power-one

Fin 2020, au terme de quelques années de vol avec des motorisations thermiques, un bilan de ma pratique du paramoteur était nécessaire. Cet engin comblait ma passion du vol mais il y avait tout de même un sérieux bémol dans ce bilan: le moteur 2 temps. Suite aux désagréments rencontrés et étant de plus en plus rebuté par leur côté pétaradant, sale, capricieux et coûteux aussi bien à l'achat qu'à l'entretien, j'arrivai à la conclusion suivante :  mon prochain paramoteur sera électrique ou ne sera pas.
Les rares et coûteux produits disponibles sur le marché ne répondant pas à mes attentes et n'étant pas prêt à engager une telle dépense pour un gros ventilateur, je pris la décision de bricoler mon propre paramoteur électrique.
Je reviens ici sur les éléments qui ont motivé ce choix et résume succinctement les principales phases du développement d'e-power-one.

Origines du projet

Pourquoi avoir choisi un paramoteur électrique ?

Le choix de m'orienter vers un paramoteur électrique était motivé essentiellement par :

• La possibilité de couper et remettre en marche le moteur en l'air instantanément et aussi souvent que souhaité (pratique orientée vol libre).
• L'absence de bruit jusqu'à la mise en puissance.
• L'absence de bruit lorsque la commande d'accélérateur est relâchée et le bruit très faible à bas régime.
• Les vibrations quasiment inexistantes.
• La fiabilité de la machine et sa maintenance quasi nulle.
• La propreté d'une propulsion électrique (pas d'odeur d'essence, de trace d'hydrocarbure, d'huile, de calamine,...) et son côté écolo.
• La mise en œuvre très simple. Préparation plus rapide, pas besoin de faire chauffer le moteur,...
• La priorité n'était pas donnée à l'autonomie et à la vitesse.

Pourquoi en avoir développé un ?

Il existait bien, tout comme à l'heure actuelle, de rares machines proposées sur le marché mais j'ai choisi de développer le mien pour les raisons suivantes :

• La rédaction du cahier des charges pour que la machine réponde le mieux possible à mes attentes.
• Les prix très excessifs pour des machines clé en main et des kits trop chers. L'idée était de faire un paramoteur électrique au prix d'un thermique et nettement plus économique ensuite à l'usage.
• La très faible représentation des motorisations électrique actuellement dans le milieu paramoteur (à la louche moins de 1%) et le manque de recul.
• L'absence de garantie sur la pérennité des acteurs de ce marché confidentiel. Quid du SAV, de la maintenance, de la disponibilité des pièces si disparition du fabriquant du jour au lendemain ?
• Le souhait de bien connaître ma machine, son fonctionnement, sa conception, ses limites et de pouvoir en assurer la maintenance et l'évolution.
• La montée en compétences, l'opportunité d'acquérir de nouvelles connaissances.
• Une appétence pour la technologie, les questions de mobilité et d'ordre environnemental plus généralement.

Le développement d'e-power-one

Recherches préliminaires

La phase initiale a consisté à effectuer quelques recherches préliminaires sur la physique et les technologies impliquées dans le projet. Le but était d'avoir une compréhension globale des aspects et paramètres à avoir à l'esprit pour dimensionner correctement le système et appréhender les différentes phases et contraintes du projet.
De manière non exhaustive et sans entrer dans les détails, ont été abordés :

• La mécanique de vol
• Le fonctionnement et les caractéristiques électriques et mécaniques des moteurs brushless.
• L'électricité.
• La mécanique des propulsions par hélice.
• Un peu de physique des matériaux.
• Le fonctionnement, les caractéristiques et les contraintes des batteries lithium.
• Les BMS (battery management system).
• La soudure par point pour l'assemblage des batteries.
• Conception assistée par ordinateur en particulier pour la commande d'accélérateur.
• Impression 3D fdm.
• Les micro contrôleur de type Arduino et leur programmation.
• La recherche et la sélection des composants, notamment le moteur, l'ESC, le BMS, l 'hélice, les éléments batterie et divers autres composants depuis les connecteurs et câbles électriques aux éléments en aluminium brut à usiner en passant par le choix des types de vis, boulons, écrous sécurisés, entretoises, imprimante 3d, outillages spécifiques,...
• Choix des composants en cohérence les uns avec les autres de sorte que l'ensemble soit fonctionnel, délivre bien la poussée requise et s'adapte effectivement au châssis.

Dimensionnement

Dimensionnement électro mécanique de la chaîne propulsive

Le vol en paramoteur nécessite une poussée nominale à calculer selon les conditions atmosphériques, le poids total en vol, l'aile utilisée et la Vz souhaitée avec des valeurs minimales en dessous desquelles le décollage et la montée deviennent hasardeux voire impossibles. Cette poussée étant définie avec une bonne marge de sécurité, la puissance de sortie sur l'arbre moteur est calculée et la chaîne propulsive doit être dimensionnée pour délivrer cette puissance. Cela passe essentiellement par le choix cohérent des éléments suivants:

• Le moteur qui doit être capable de délivrer en continu le couple et la puissance requis à la vitesse de rotation définie.
• Le contrôleur moteur adapté à la tension et à l'intensité à faire passer.
• La batterie : puissance, tension, intensité et capacité nominales.
• l'Hélice qui doit produire la poussée demandée à RPM donné.

Dimensionnement géométrique et mécanique du groupe motopropulseur

Il s'agissait de monter tous ces éléments sur un châssis de série (Macfly Moster185). Les contraintes pour l'assemblage du GMP sont 

• Géométriques car il s'agit d'intégrer tous les éléments du groupe et assurer un positionnement optimal de l'hélice,
• Mécaniques car le groupe subit des contraintes, certes modestes, mais qui ne doivent pas être négligées (compression, cisaillement, flexion, vibrations, variations de température, chocs éventuels,...)
• Massiques puisque le GMP est destiné au décollage à pieds. Il doit être le plus léger possible.
• Simplicité : pas de pièce complexe, de matériau composite,.... Tout doit être facile à trouver, fabriquer, changer et être bon marché.

Les éléments utiles au montage du GMP sont :

• La platine moteur sur laquelle est également fixé le boîtier électrique.
• Un ensemble de profilés.
• Quelques pièces réalisées en impression 3d.
• Un ensemble de vis, boulons, écrous et rondelles sécurisés, entretoises et autre quincaillerie,...

Batterie

Il fallait concevoir une batterie adaptée à l'application en termes de poids, de puissance, d'autonomie et de géométrie avec une attention particulière portée aux aspects sécuritaires lié à cette technologie. Les principaux points du développement de la batterie concernaient ainsi :

• Le choix du type puis du modèle de cellules Li-ion.
• La configuration xSyP retenue pour l'assemblage des cellules afin d'obtenir la tension nominale, l'intensité nominale , l'autonomie, la masse et les dimensions souhaitées.
• La soudure par point des éléments : matériel, méthode,...
• Choix et intégration du BMS.
• Conception et fabrication du boîtier batterie.
• Positionnement de la batterie pour lui permettre de s'intégrer dans le montage et être protégée en cas de choc (atterrissage dur, bris d'hélice,...).
• Câblage interne.
• Choix et montage des connecteurs.

Commande d'accélérateur

Elle constitue à elle seule une partie importante avec :

• Le design ergonomique adapté à l'activité en permettant notamment une prise aisée des commandes du parapente et des élévateurs A pour les phases de gonflages dos voile ou face voile et pour faire les oreilles en vol.
• La conception de la gâchette en termes de position, d'angle, d'amplitude de déplacement, de résistance de rappel et autres paramètres...
• Le choix d'un modèle de potentiomètre adapté et son intégration dans le mécanisme de la poignée.
• Choix et intégration du bouton on/off qui doit être très facilement accessible avec le pouce.
• Intégration d'un écran de visualisation des paramètres.
• Le dessin à l'aide d'un logiciel CAO des éléments de la commande.
• L'impression 3d de ces éléments et leur assemblage.
• Beaucoup d'essais suivis de corrections avant d'arriver à quelque chose de satisfaisant.
• Poignées en versions main gauche ou main droite selon les préférences du pilote.

Boîtier électrique

Conception, fabrication en impression 3d du boîtier électrique permettant notamment d’accueillir, protéger et ventiler l'ESC et la carte électronique. Les câbles en provenance de la batterie, du moteur et de la commande d'accélérateurs sont issus de ce boîtier dans lequel sont connectés tous ces éléments.

La carte électronique

La carte programmable de type Arduino assure l'interface entre la poignée de commande analogique, le contrôleur moteur piloté par un signal de type PWM et autres dispositifs optionnels dont je n'ai pas l'usage personnel mais qui peuvent facilement être installés (exemple : capteur de pression statique pour le maintien automatique de l'altitude en vol) La carte permet également divers réglages comme la réactivité du moteur à la commande, la courbe de puissance,... Elle est aussi programmée pour filtrer le signal analogique de la commande en cas de perturbations dont les origines peuvent être diverses.

L'hélice

L'hélice, à choisir parmi des centaines de modèles différents, doit être bien adaptée à l'application. Sans entrer dans les détails, les paramètres interdépendants à prendre en compte dans le choix de l'hélice sont :

• La vitesse de rotation souhaitée (RPM).
• La poussée requise.
• La poussée requise.à la RPM souhaitée.
• Le rendement.
• Le diamètre.
• Le nombre de pales.
• Le bruit.
• La masse.
• La qualité de fabrication.

Essais au sol, en vol, validations, modifications,...

Le développement a été jalonné de nombreux essais au sol sans hélice, au sol avec hélice, au portique puis en vol, un certain nombre d'entre eux donnant lieu à des modifications, réglages, améliorations,...

Conclusion Perspectives

e-power-one a dépassé avec succès la centaine de vol en octobre 2024 et rempli le cahier des charge. Passée la légère appréhension ressentie lors des tous premiers décollages, les vols plaisir sont maintenant la norme.
Une version un peu plus puissante est en développement pour les applications demandant plus de pêche comme les biplaces légers en décollage à pieds d'une vingtaine de minute et plus si l'aérologie le permet.
Il est également envisagé de développer une version trike mono ou biplace avec plusieurs modules batteries pour avoir la puissance nécessaire et plus d'autonomie.

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