Arrière-plan
Chez Envo, nous sommes un comité pour faire évoluer la mobilité électrique pour tous. Notre passion réside dans les solutions de mobilité électrique conçues de manière durable et lorsque nous parlons de solutions de mobilité électrique, nous ne parlons pas seulement de produits traditionnels mais également de produits de niche hautement spécialisés. Hydrofoil WaterBike est l'une de ces entreprises dans laquelle nous travaillons sur une mobilité électrique ultra-portable pour les amoureux de l'eau. Ce vélo nautique est votre partenaire pour explorer le littoral local, faire de l'entraînement physique à faible impact ou vous déplacer dans des lieux de pêche difficiles d'accès.
Énoncé de problème/opportunité
Les motomarines nécessitent une grande quantité de puissance pour se déplacer, en particulier à des vitesses plus élevées en raison de la relation exponentielle entre la vitesse et la puissance requise pour atteindre cette vitesse. Les embarcations fonctionnent selon trois principes différents, le plus traditionnel est le type à déplacement où la force de flottabilité est responsable du maintien de la flottaison de l'embarcation, le deuxième type est la planification où la force hydrodynamique soutient l'embarcation et est adaptée à des fins à grande vitesse. Le troisième type est l'hydroptère. Un hydroptère supporte le poids de l'embarcation et le soulève hors de l'eau, diminuant ainsi la résistance à l'eau. Cette méthode est de loin la méthode la plus efficace.
Les batteries électriques n'offrent pas le même niveau de densité énergétique que les sources d'énergie à base d'hydrocarbures. Par conséquent, pour le même niveau de performance, un système électrique doit être plus efficace que les systèmes traditionnels alimentés aux hydrocarbures. Chez ENVO, nous pensons que les hydroptères sont la réponse à un système de mobilité électrique sur l'eau plus efficace.
Dans le passé, nous avons développé des hydroptères modulaires basés sur des kits de conversion pour les kayaks et les planches de surf, mais en raison de l'instabilité de ces embarcations lorsqu'elles sont sorties de l'eau, l'augmentation de l'efficacité ne s'est pas traduite par une amélioration des performances. Cela nous a amené à croire qu'une plate-forme complète devait être conçue avec des hydroptères intégrés.
ENVO développe une embarcation à hydroptère (vélo aquatique) de style catamaran électrique à assistance au pédalage, basée sur un ponton. Les hydroptères de ce vélo aquatique supporteraient une partie du poids et le soulèveraient partiellement hors de l’eau.
Efforts antérieurs
Droits d’auteur : Justin Ayinbila Amoah
But
L'objectif d'ENVO est de concevoir et de fabriquer un vélo aquatique à assistance électrique et à propulsion humaine présentant les caractéristiques suivantes.
- Efficace et léger suffisant pour être alimenté uniquement par la force humaine, la puissance électrique
- à introduire pour compléter la puissance humaine.
- Compact et démontable - capable de le rendre facile à ranger et à transporter.
- Conception stable pour que les utilisateurs de tout âge puissent le monter.
- Le vélo nautique peut être utilisé par l'utilisateur sans se mouiller.
- Rapide et maniable pour offrir une expérience de conduite amusante.
- L’exploitation doit avoir une empreinte environnementale nulle.
ENVO waterbike utilise une conception de catamaran avec du matériel gonflable constituant les pontons. Le corps sera constitué de tubes d'aluminium en raison du faible poids de l'aluminium et de sa résistance à la corrosion. L'hydrofoil (surface portante) est en fibre de carbone et sera fixé au corps du waterbike.
Le vélo aquatique doit utiliser autant de pièces de vélos électriques que possible, notamment les moteurs de moyeu, la transmission, le guidon, les capteurs d'assistance au pédalage, etc. afin que le produit soit non seulement peu coûteux, mais également facile à entretenir/réparer pour qu'il soit durable.
Exigences clés
- Conception d'assistance au pédalage, avec un système électrique complétant mais ne remplaçant pas l'humain pouvoir.
- Poids total inférieur à 50 kg .
- Transportable en SUV/minifourgonnette.
- Puissance maximale limitée à 1500W
- 1 heure d'autonomie sur chaque charge.
- Capacité de charge maximale 120 kg.
- Vitesse jusqu'à 20 km/h.
- Position de conduite verticale ou couchée.
Principales caractéristiques
Faible entretien : Nous savons que les moteurs à essence traditionnels consomment beaucoup d’énergie et nécessitent un entretien régulier. Même les petites embarcations ont d’énormes problèmes avec le moteur et sont endommagées au milieu de l’océan. hybride : la puissance humaine + le système électrique seront plus fiables qu’un moteur à essence. Ainsi, si vous êtes coincé dans l'océan avec une batterie faible, vous pouvez toujours utiliser l'énergie humaine et regagner le rivage sans aucun problème.
Respectueux de l'environnement : Envo s'adapte au système de propulsion électrique à base d'hydroptère qui non seulement omet la pollution de l'eau, mais offre également une expérience de conduite sans bruit et en douceur. Cela maintient la paix dans les environs et ne génère pas de vague d'étrave.
Batteries : Envo mènera des recherches dédiées sur les batteries. Nous voulons que les batteries soient transportables et sûres, ce qui signifie une batterie compacte offrant une bonne autonomie et une batterie sûre qui n'explose pas lorsqu'elle est immergée dans l'eau salée. Une batterie compacte sera facile à transporter pour la recharge. Pour nous, la sécurité est la priorité absolue.
Risque : Lorsque nous parlons d'hydroptères, ce sont des voilures bien alignées qui sont fixées sous la coque de la motomarine, le seul risque encouru est d'endommager accidentellement les hydroptères lorsqu'une grosse pierre gêne ou que le niveau d'eau est bas. Cela dépend entièrement des caractéristiques de conduite.
Contraintes/Risques/Hypothèses /Incertitudes connus
ENVO Waterbike est conçu pour être stable afin que les utilisateurs de tout âge puissent l'utiliser. Cette exigence semble contradictoire avec la technologie des hydroptères. Alors qu’une embarcation traditionnelle est stable, une embarcation à hydroptère est notoirement instable. C'est pour cette raison que nous développons un système partiellement élévateur. L'incertitude réside ici dans l'hypothèse que nous pouvons réduire la résistance à l'eau sans compromettre la stabilité avec cette nouvelle technologie.
Une autre contrainte est de limiter la puissance à 1 500 W, ceci pour plusieurs raisons, notamment : i) Les moteurs à entraînement central disponibles pour les systèmes d'assistance au pédalage ne sont pas très puissants ; ii) Une batterie de 800 Wh peut fournir jusqu'à une heure d'utilisation ; iii) Contrôler les coûts.
Le plus grand défi, de loin, dans la conception du vélo aquatique est de contrôler le coût de fabrication, ENVO ne prend en compte que les méthodes et processus de fabrication qui ne nécessitent pas nécessairement d'économies d'échelle pour réussir. Nous sommes bien conscients de l'aspect de niche de ce produit et du fait que les premiers modèles ne pourront peut-être pas être vendus à grande échelle, c'est pourquoi le design est développé en gardant cela à l'esprit.
Les travaux en 2019 se sont concentrés sur la réalisation d’expérimentations visant à mieux comprendre les incertitudes technologiques auxquelles nous étions confrontés. Malgré l'acquisition d'une base de connaissances plus solide sur les exigences en matière de puissance et de technologie grâce à un certain nombre de tests, nous n'avons pas été en mesure de concevoir un appareil capable de soulever son propre poids. Au cours de l'exercice 2020, nous nous sommes concentrés sur les kayaks plutôt que sur les planches de surf, en améliorant nos conceptions mécaniques et électroniques pour mieux tester nos prototypes en été. Nous avons utilisé ces retours de tests pour effectuer des itérations de conception de coque et d'hydroptère, offrant une meilleure stabilité et une conduite plus confortable et plus sèche pour l'utilisateur. Nous avons développé des composants électroniques et des capteurs pour permettre de meilleurs contrôles des performances du système et une meilleure collecte de données pour nos moteurs et contrôleurs. Des modifications supplémentaires ont été apportées à l'imperméabilisation de l'électronique et à l'augmentation de la capacité de la batterie pour une décharge de courant plus importante. Ces modifications nous ont permis de poursuivre les tests à l'été 2020. Nous avons testé ce système sur un vrai kayak en mer et avons pu obtenir la force de levage du système hydroptère mais cette idée a été abandonnée en raison de problèmes de stabilité.
Où nous sommes:
Prototype 1 (2020) :
Les travaux en 2019 se sont concentrés sur la réalisation d’expérimentations visant à mieux comprendre les incertitudes technologiques auxquelles nous étions confrontés. Malgré l'acquisition d'une base de connaissances plus solide sur les exigences en matière de puissance et de technologie grâce à un certain nombre de tests, nous n'avons pas été en mesure de concevoir un appareil capable de soulever son propre poids. Au cours de l'exercice 2020, nous nous sommes concentrés sur les kayaks plutôt que sur les planches de surf, en améliorant nos conceptions mécaniques et électroniques pour mieux tester nos prototypes en été. Nous avons utilisé ces retours de tests pour effectuer des itérations de conception de coque et d'hydroptère, offrant une meilleure stabilité et une conduite plus confortable et plus sèche pour l'utilisateur. Nous avons développé des composants électroniques et des capteurs pour permettre de meilleurs contrôles des performances du système et une meilleure collecte de données pour nos moteurs et contrôleurs. Des modifications supplémentaires ont été apportées à l'imperméabilisation de l'électronique et à l'augmentation de la capacité de la batterie pour une décharge de courant plus importante. Ces modifications nous ont permis de poursuivre les tests à l'été 2020. Nous avons testé ce système sur un vrai kayak en mer et avons pu obtenir la force de levage du système hydroptère mais cette idée a été abandonnée en raison de problèmes de stabilité.
Prototype 2 (2021) :
En 2021, ENVO est passé d'un système d'hydroptère basé sur un kit de conversion à une motomarine entièrement intégrée dotée d'un hydroptère en raison de la stabilité inhérente de ce système. Différentes configurations incluant monocoque, multicoque (catamaran et trimaran) ont été envisagées. Une expérimentation numérique a été menée sur ces différentes configurations et le style catamaran a été sélectionné en raison de sa grande stabilité et de sa faible résistance.
Dans la seconde moitié de la conception, les pontons du catamaran ont été conçus selon un processus itératif. Des expériences de simulation numérique des fluides (CFD) ont été menées pour optimiser la forme du ponton et la forme la plus efficace pour la charge de conception a été sélectionnée.
ENVO a ensuite conçu une conception CAO détaillée et un prototype basé sur cette conception a été fabriqué. L'étanchéité des composants électriques était une préoccupation majeure, c'est pourquoi un entraînement à pédale à chaîne a été utilisé pour garantir qu'aucune des pièces électriques n'entre en contact direct avec l'eau. Un moteur d'entraînement central de vélo électrique alimentait cet entraînement à pédale, et l'intégration d'un capteur de pédale signifiait que l'ensemble du système était assisté par pédale. Cette innovation nous a permis non seulement de résoudre les problèmes d'étanchéité, mais également d'ajouter une fonctionnalité supplémentaire au produit. De plus, l'hydroptère était fixé au mât du même pédalier.
Les pontons ont été fabriqués à partir d'un matériau gonflable cousu en goutte, car le matériau gonflable traditionnel ne permettait pas de fabriquer la forme requise.
Un cadre spécial basé sur des pinces a été conçu, ce qui nous a permis de modifier la géométrie du cadre et une matrice d'expérimentation basée sur le DOE a été conçue pour identifier les paramètres critiques pouvant avoir un impact sur les performances de la motomarine. Au cours d'une série d'expériences, nous avons pu identifier des paramètres optimisés permettant au vélo aquatique de se déplacer à une vitesse de 19 km/h. En comparaison, le même vélo aquatique sans hydroptère n'a atteint qu'une vitesse de 12 km/h. Cela ferait du prototype un succès.
Pour 2022, nous pouvons nous concentrer sur la transformation du prototype en un produit mature et modifier le mécanisme de rétroaction à pivot unique pour offrir une transition et un contrôle plus fluides. De plus, le système actuel est optimisé pour le poids d'un seul pilote, mais il doit s'adapter à une gamme de poids. avant de passer en production.
Prototype 3 (2023) :
La première phase cruciale impliquait la génération de maillage pour améliorer la résolution de l’écoulement des fluides. Ce processus incorporait des méthodes automatisées et des raffinements de maillage, en se concentrant sur les zones critiques telles que l'hydroptère, la proue et la surface libre. L'objectif était de garantir que la simulation capturait avec précision la dynamique complexe de l'interaction du vélo nautique avec l'eau.
Par la suite, l’équipe s’est concentrée sur la configuration physique, en utilisant plusieurs modèles, notamment les modèles implicites instables, multiphases, de volume de fluide (VOF), turbulents et de turbulence K-Epsilon. Ces modèles ont fourni des informations précieuses sur le comportement du système diphasique, composé d'eau et d'air, un aspect essentiel du fonctionnement de notre hydroptère.
La simulation a traité l’écoulement comme un système biphasique, en utilisant la méthode VOF pour capturer avec précision les caractéristiques de surface libre et de cavitation. Des conditions d'écoulement réalistes ont été intégrées, y compris des mesures de vitesse d'entrée et d'amortissement spécifiées pour éviter les réflexions aux limites, garantissant ainsi que notre simulation reflète les scénarios du monde réel. De plus, nous avons pris en compte le mouvement du vélo nautique en tenant compte de son mouvement relatif dans la simulation. Le modèle Dynamic Fluid Body Interaction (DFBI) a été utilisé pour capturer le soulèvement et le tangage, améliorant ainsi le réalisme de la simulation. Notre analyse s'est étendue à des visualisations détaillées et à des outils d'analyse de données, qui ont aidé à l'évaluation des résultats de simulation. Nous avons méticuleusement pris en compte les paramètres du solveur, notamment le pas de temps et les itérations internes par pas de temps, afin de conserver la nature transitoire de la simulation. La phase de post-traitement impliquait l'extraction de données cruciales, telles que les forces de traînée et de portance, les effets de résistance des embarcations, les caractéristiques de sillage et le mouvement des embarcations, fournissant des informations essentielles pour une analyse plus approfondie et un perfectionnement de la conception.
Nos progrès en 2023 représentent une étape importante dans le développement du Water Bike. Nous restons déterminés à repousser les limites de l'innovation dans la technologie des hydroptères et nous nous engageons à rapprocher ce vélo nautique révolutionnaire de la redéfinition des activités récréatives nautiques. Alors que nous poursuivons notre voyage, nous sommes impatients de partager d'autres mises à jour sur nos efforts continus pour transformer la technologie des vélos nautiques.
