Les 6h de Fribourg,
course d'endurance de voitures radiocommandées à pile à combustible,
Romont (Suisse), 06.05.2023

Règlement.

Il existe deux catégories, la "Pro" et la "H2GP", dont voici des résumés des points essentiels du règlement.

Dans la catégorie "Pro", le châssis de l'auto doit être entièrement conçu et usiné au sein de l'établissement scolaire. La propulsion doit se faire par les roues arrières, et les amortisseurs sont interdits. Il s'agit donc de "Pan-Cars". Les jantes de la voiture doivent être réalisées en alliage d'aluminium par un procédé à commande numérique, également au sein de l'établissement scolaire. Tous les pneumatiques en caoutchouc sont autorisés, mais le traitement est interdit.
Les moteurs à charbons ainsi que les brushless (17.5T de puissance maximum et 234W). A noter que cette valeur un peu arbitraire de 234W est empruntée probablement à une notice Hobbywing.
Des valeurs maximales sont annoncées le régulateur, à savoir 160A en continu et 1200A en pointe. Il est étonnant de trouver de telles valeurs dans un règlement, celles-ci n'ayant quasiment aucune valeur d'un point de vue technique, au plus relative au sein de la gamme d'un fabricant et ayant surtout une valeur commerciale. De plus, il ne s'agit pas de "paramètres maximaux du variateur" contrairement à ce qui est écrit dans le règlement, mais une spécification.
La carrosserie doit comporter un éclairage. La télémétrie est autorisée.
Le véhicule doit utiliser la pile à combustible à hydrogène et les "Hydrostiks" de la marque Horizon Educational. Chaque équipe est autorisée à disposer de batteries (LiPo ou NiMh) pour un total de 34000mAh maximum (245Wh) pour toute la course, ainsi que de 22 "Hydrostiks" d'une contenance d'un gramme d'hydrogène. Sur le point des batteries, le règlement manque singulièrement de clarté.
Les plans d'une telle auto pour cette catégorie "Pro" peuvent être téléchargés à l'adresse suivante: https://www.6hdefribourg.ch/telechargements

Dans la catégorie "H2GP", comme dans la catégorie "Pro", chaque équipe dispose de 22 "Hydrostiks" pour six heures de course, mais ne disposerait que de 82Wh de batteries (ou 104Wh dans le cas d'utilisation de batteries de 3600mAh NiMH du constructeur). Là encore, le règlement mériterait un peu plus de clarté.
Les autos, qui doivent répondre à certaines spécifications dimensionnelles, peuvent être en mode traction, propulsion ou quatre roue motrices. Tous les pneumatiques en caoutchouc sont autorisés, mais le traitement est interdit.
La plupart des autos de cette catégorie semblent être issues du kit "H2GP STARTER Competition Set" de la marque Horizon Educational, et sont donc sur une base Himoto entrée-de-gamme.

La piste.

La piste reposait sur une moquette rase de couleur grise anthracite, mais qui ne semblait pas être de type "ETS". Le tracé était symétrique, composé exclusivement de virages à 90 ou 180°. Beaucoup de place était perdue par un couloir de stand s'étendant sur une longueur et deux largeurs de pistes.

La ligne de départ pour les vingt-une voitures en lice s'étendait uniquement dans la ligne droite, très ou trop près les unes des autres, ce qui occasionna beaucoup d'incidents lorsque le signal de départ retentit.

Préambule technique.

Dans les paragraphes suivants seront juste listées quelques impressions rapides suite à cette course. Ces remarques techniques ne se veulent nullement exhaustives, car il y a encore beaucoup à raconter. Elles seront néanmoins je l'espère utiles à celles et ceux qui voudraient participer à un tel challenge. En bas de page se trouvent également un certain nombre de liens qui pourraient également fournir des informations utiles.

Technique pile à combustible.

On ne va pas trop s'étendre sur la pile à combustible et ses applications réelles, potentielles ou utopiques, la littérature sérieuse à ce sujet étant assez vaste pour se faire un avis pondéré, basé sur des faits, des chiffres et des perspectives réalistes. Toutefois pour rappel, une pile à combustible est un générateur électrochimique produisant une tension électrique grâce à l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur (dans le cas des Horizon Educational utilisés dans le cadre de cette course, le dihydrogène) couplée à la réduction sur l'autre électrode d'un oxydant, tel que l'oxygène de l'air.

La cellule proposée par Horizon Educational, dénommée H2GP H-Cell 2.0, est annoncée sur le site du constructeur comme pouvant quadrupler l'autonomie d'un véhicule modèle réduit à l'échelle 1/10°. Le site du constructeur reste nébuleux sur les performances réelles de sa pile à combustible, sur son encombrement ou son poids. Il est juste fait les mentions suivantes: "30W hybrid power" et "acceleration is still drawn from the existing batteries while the H2GP H-Cell provides hydrogen power for cruising". Sur le site du constructeur, on peut également trouver d'autres modèles de piles à combustible pour d'autres applications, dont une de 30W, qui en conditions idéales selon sa fiche technique, peut fournir une tension de 8.4V et un courant de 3.6A, pour une consommation de 0.42l/min et une pression de 0.45 à 0.55 bars. L'efficacité est annoncée comme étant de 40% à plein régime. Chose intéressante, il est annoncé que le dihydrogène a une pureté supérieure à 99.995% dans le tableau des spécifications! Autre information intéressante, la fiche technique recommende d'utiliser les piles à combustible dans un local bien aéré, car elles consomment aussi de l'oxygène de l'air!

D'après les informations recueillies auprès des participants, on est très loin de cette autonomie quadruplée dans la pratique. Par calcul, le gain théorique est d'environ 20 à 30%, ce qui fait que en pratique, ce chiffre est encore plus bas. Il n'est même pas impossible que dans certains cas, la pile à combustible est, avec les pertes électriques et de gaz, ses alléas de fonctionnement, et de par sa masse conséquente, ait au final un bilan énergétique négatif.

Attention à celles et ceux qui seraient intéressés à participer à ce challenge, le site, et plus particulièrement les PDF proposés par Horizon Educational, semblent truffés d'erreurs. Je n'ai pas tout lu, loin de là, car ils sont assez nombreux, mais par exemple dans celui intitulé "H-CELL 2.0 Assembly guide", il est recommandé un moteur brushless 3.5T (totalement inapproprié pour cet usage, alors que les photos montrent un moteur à charbons Tamiya GT-Tuned de 25 tours) associé à un régulateur brushless et charbons Tamiya ESC TBLE-01 (alors que les photos montrent un TEU-101BK, uniquement destinés aux moteurs à charbons...). Plus étonnant, la notice recommande de fixer les fils de la radiocommande avec des colliers en plastique pour éviter qu'ils ne trainent par terre, ce qui est bien, sauf que la photo illustrant le propos montre des câbles fixés sous le châssis!

Lors de cette journée ont néanmoins été observées d'impressionnantes différences de performance entre les véhicules présents sur la piste. Il est difficile d'estimer quelle part de la performance est à imputer à la motorisation, à la batterie ou à la pile à combustible, mais il s'avère qu'une grosse partie des concurrents avaient consommé leur quota de batteries et d'hydrogène au bout de quatre heures de course.

Il ne m'a pas semblé voir sur les voitures présentes d'optimisation particulière sur les conduites, les raccords et l'étanchéité des durites d'hydrogène. Peut-être est-ce du à des contraintes du règlement?
L’hydrogène est en effet un gaz dont les molécules sont de très petite taille. Il peut facilement s’échapper par la moindre fissure ou porosité ou diffuser assez facilement dans les matériaux conçus pour le contenir. 
Les raccords fournis par Horizon Educational semblent relativement basiques, et les tuyaux être de la simple durite en silicone. Les pertes à ce niveau doivent donc être loin d'être négligeables.

Technique pneus.

Beaucoup d'équipes utilisaient des pneus Shumacher SST Mini Pin, que vend également Horizon Educational sans en préciser la gomme. Schumacher les proposait en effet en pas moins de six gommes différentes et deux largeurs différentes (20mm et 24/25mm). De la gomme la plus tendre à la plus dure, on trouvait ainsi la "B30" (références inconnues), la "White" (référence U en 24/25mm et référence U en 20mm), la "Silver" (référence U en 24/25mm et référence U en 20mm), la "Yellow" (référence U6624 en 24/25mm et référence U6671 en 20mm), la "Green" (référence U6716 en 24/25mm et référence U6717 en 20mm), et la "Blue" (référence U6623 en 24/25mm et référence U6670 en 20mm). En pratique, on ne trouve plus que ces pneus en gommes "Yellow", "Blue" et parfois "Green". D'expérience, la gomme "Blue" est la plus performante sur moquette, mais ses picots se dégradent assez vite avec l'accroche. La gomme jaune est plus constante au cours du temps en performance. Mais l'insert utilisé a également une énorme importance, car outre sa raideur et l'air-gap qu'il peut générer, sa forme peut aussi conditionner son profil, rendant le pneu plus au moins arrondis. Si ce type de pneus est encore aujourd'hui fortement apprécié dans les catégories Rally, à juste titre, son usage pour une catégorie d'endurance est à moins avis une erreur.

En effet, les pneus à picots, s'ils apportent un confort indéniable au niveau de la motricité et de la directivité, font consommer sensiblement plus que des pneus slicks. D'expérience, ils augmentent la consommation du moteur de 20 à 30%, ce qui est énorme dans le cadre d'une course d'endurance.

Se tourner immédiatement vers les pneus slicks pour moquette à la mode en compétition Touring 1/10° électrique n'est pas forcément la solution la plus pertinente, car ceux-ci sont destinés à fonctionner avec du traitement à pneus, interdit sur cette course. Toutefois, certains pneus de compétition moquette à plus forte teneur en caoutchouc naturel, voir des pneus de compétition pour le bitume à plus haute dureté shore et dont certains fonctionnent bien sans traitement seraient à considérer.
Les inserts utilisés à l'intérieur du pneu ont également une grande importance comme écrit plus haut, car leur matière (et plus particulièrement sa raideur) et leur découpe (et donc l'air-gap généré et la forme finale du pneu) ont une influence directe sur les performances et la résistance à l'avancement du pneu. Le tout est de trouver le meilleur compromis entre performance, confort de pilotage et consommation. Et le résultat peut être parfois contre-intuitif voir à l'opposé de la tradition, comme l'ont montré de récentes études sur la résistance à l'avancement des pneus de vélos en fonction de leur largeur et de leur pression de gonflage.

Certaines équipes utilisaient des roues à la largeur maximum du règlement ou encore d'assez grand diamètre, ce qui ne va pas dans le sens de l'optimisation de la consommation.

Pour le cas particulier où les jantes doivent être tournées en alliage d'aluminium, il est important de considérer non seulement le moment d'inertie, mais aussi et surtout le fait de respecter le profil du pneu lors du montage.

J'ai vu aussi un certain nombre de pneus déjanter en cours de course car ceux-ci n'étaient simplement pas collés sur la jante. Le collage du caoutchouc sur l'aluminium étant particulier, des essais de différentes colles cyanocrilates sont à prévoir. Une préparation de la surface à encoller côté aluminium est également à prévoir, par exemple une rugosité de surface maîtrisée ou même l'application d'un primaire, voir la fabrication d'un insert pour un changement rapide du pneu de la jante.

Technique moteur.

Le fabricant Horizon Educational conseille sur son site l'utiilsation de moteurs Brushless avec un bobinage compris entre 13.5T et 21.5T. Selon moi, le 21.5T est le plus adapté de cette gamme proposé. Le 25.5T pourrait être même un meilleur choix, car il conjugue faible consommation et facilité de pilotage, ce qui peut être intéressant avec des pilotes qui ne sont pas forcément très aguerris.

Pour éviter toute mauvaise surprise, il convient de passer son ou ses moteurs sur un testeur type Hobbywing Tunalyzer ou Motorlyser. Nul besoin d'en acheter un, on trouve toujours quelqu'un dans un club d'automodélisme qui en possède un. En effet, il est important de pouvoir mesurer le timing réel du moteur, surtout quand on veut en tirer le meilleur rendement. Le marquage sur la cage est en effet systématiquement faux et il peut y avoir des erreurs de plus de 15° avec la réalité. Attention toutefois, un bon réglage du timing sur la cage pour la compétition n'est pas forcément un bon réglage pour l'endurance.

Un moteur à charbons n'est pas forcément un mauvais choix, surtout pour les équipes à bubget serré. En effet, les moteurs à charbons, qu'ils soient démontables ou pas, associés à un variateur électronique convenable, offrent en effet une souplesse et une douceur de fonctionnement que ne peuvent que rarement offrir les ensembles brushless bas-de-gamme, surtout en sensorless, et ceci pour un prix très modique. Et pour peu que ledit moteur à charbons (idéalement d'au moins 25 tours) soit préparé avec soin (par exemple en suivant ce qui est écrit dans l'article "Préparation et entretien d'un moteur à charbons indémontable de type Mabuchi ou Johnson 380, 540 ou 550" présent sur ce site), il se montrera endurant.

Il va de soi que dans tout les cas, la liberté de transmission, à vide comme sous charge, sera particulièrement soignée.

Technique contrôleur et variateur.

L'utilisation d'un moteur brushless en mode "Zero Timing", autrement appelé "Blinky" est certes plus facile pour l'endurance, toutefois dans ce mode, la motorisation ne fonctionne pas à son meilleur rendement. Les paramètres du contrôleur brushless offert par un mode de réglages plus ouvert permettra d'optimiser la consommation et le confort de pilotage. Et ne pas hésiter à monter de gros consensateurs adaptés en entrée du contrôleur brushless pour faciliter son travail.

Concernant les variateurs électroniques destinés aux moteurs électriques à charbons, on renverra à deux très anciens articles de ce site (mais toujours d'actualités), à savoir "Les condensateurs pour variateur électronique destinés aux moteurs électriques à charbons" et "Les diodes Schottky pour variateur électronique destinés aux moteurs électriques à charbons".

Dans tout les cas, il reste toujours important de soigner le câblage (fils de qualité multibrins raccourcis au maximum du bon diamètre, trop petit il y aura des pertes, et trop gros, ce sera du poids en trop), d'adopter une connectique de qualité, ou mieux, mais plus contraignant, la supprimer carrément là où c'est possible pour supprimer au maximum les pertes de courant et de annir prises moteur et prises accus type Tamiya (beaucoup de pertes en charge quand elles ne fondent pas). Pour la connexion à la batterie, opter pour des prises de qualité à faible perte.

Technique batteries.

Intuitivement, je pensais que le meilleur choix en terme de batteries serait des LiPo 2S "Shorty" d'environ 6000 à 6400mAh qui offrent souvent un bon compromis entre énergie, poids (entre 210 et 220g) et encombrement. En effet, le volume réduit de ce type de batteries permettrait de faciliter l'implantation de la pile à combustible sur le châssis.

Toutefois, il m'a semblé que très peu d'équipes avaient adopté des packs de type "Shorty". Au contraire, la plupart avaient opté pour des packs de fortes capacités, entre 8000 et 10000mAh (soit au minimum 320g), sans doute dans le but de maximiser l'énergie embarquée et d'avoir une courbe de décharge la plus linéaire possible. Une des équipes leaders avait même opté pour la possibilité d'embarquer deux packs de 6800mAh en même temps (soit 580g de batteries), mais je ne sais pas si elle a réellement roulé avec cette configuration.

Pour information, les indications de capacité indiquées sur les batteries sont plus ou moins sérieuses selon les marques. Certaines n'hésitent pas, pour des questions de rationalisation et d'économie d'échelle, à mettre exactement les mêmes cellules dans un boîtier, et à mettre des étiquettes indiquant des capacités différentes... En réalité, pour évaluer les performances d'une batterie, seul compte le rapport entre l'énergie qu'elle est capable de fournir réellement sur sa masse.

Technique radiocommande.

Si un modèle très haut-de-gamme ne s'impose pas forcément pour ce genre de course, un modèle fiable, endurant et disposant de réglages facilement accessibles, et idéalement de plusieurs profils est fortement recommandé.

Côté servo de direction, on trouve de très bons modèles à prix contenus de nos jours. Attention toutefois à la consommation de certains modèles très performants, qui pourrait s'avérer pénalisante en endurance.

Technique carrosseries.

Si aux vitesses atteintes par les modèles propulsés par une pile à combustible, l'aérodynamique n'est pas un paramètre fondamental. il n'est néanmoins pas totalement à négliger. On préfèrera donc les carrosseries et des ailerons à faible trainée telles que celles et ceux adoptés en compétition dans les catégories dites "Stock", voir même surtout les anciens modèles qui offraient moins d'appuis. Le poids de la carrosserie est également à considérer. La tentation serait de mettre une carrosserie de 1mm d'épaisseur pour sa robustesse, mais le poids embarqué supplémentaire, surtout en hauteur, est loin d'être négligeable. Si des carrosseries de 0.5mm d'épaisseur peuvent être tout-à-fait envisageables aux mains de bons pilotes, le compromis le plus universel se situe avec les carrosseries de 0.7mm d'épaisseur.
On choisira également une carrosserie bien enveloppante afin de protéger l'électronique lors des chocs, et elle sera montée le plus bas possible.

Technique entraînement.

Sur ce point, il y aurait beaucoup à trop dire pour optimiser l'entraînement des pilotes en fonction du temps disponible pour obtenir le meilleur résultat possible le jour de la course. Mais les idées ne manquent pas.

Plus encore dans une course de type endurance, il est important d'adopter un pilotage souple et rapide (éviter les coups de gaz et de frein violent, enrouler un maximum, "savoir où ralentir pour aller vite", "rouler doucement mais pas lentement", serrer les cordes et soigner les trajectoires, etc.).
Entre deux pilotes apparemment de niveau égal, il peut y avoir plusieurs dizaines de pourcent de différences niveau consommation.

Technique châssis.

Là encore, il y aurait énormément à dire- pour un prochain épisode peut-être.

Comme écrit plus haut, je n'ai pas pu utiliser l'ensemble des photos que j'ai prises. De plus, hormis le fait qu'il était assez difficile de travailler les autos sur lesquels les équipes travaillaient, certaines autos étaient carrément cachées dès que possible sous un drap. Pour la notion de partage et d'échange, on repassera. Pourtant, derrière cette volonté de dissimuler, rien de bien révolutionnaire, voir également même des idées contre-productives.

L'auto la plus rapide du plateau, qui n'apparait pas sur les photos, n'était pas basée sur le kit sur base Himoto habituel, mais sur Team XRay X10 2022, une Pancar 200mm sur pneus en mousse donc, quasiment d'origine. Les batteries étaient probablement des LiPo HV Shorty ULCG de 4000mAh, ce qui serait techniquement un choix plutôt intéressant car ils ne font que 125g pour un encombrement assez faible. Celles-ci étaient par contre de marque Performa Racing, qui, s'ils ne sont pas très chers, plutôt robustes et adaptés pour une utilisation en loisir, ils ne brillent pas par leur performance et leur efficience énergétique.
La batterie est disposée en position transversale. La pile à combustible avait été désossée et reconstruite plus ou moins à plat pour l'intercaler en grande partie entre le servo de direction et la batterie.

Une première auto de la catégorie "Pro".

Cette première auto de la catégorie "Pro" en photos ci-dessous repose sur un châssis en fibres de carbone propulsion, avec un moteur implanté à l'arrière de l'axe de différentiel. Le différentiel est à billes, mais avec un réglage non pas du côté roue droite comme habituellement, mais accessible en déplaçant un cylindre de cache couleur laiton au centre de l'axe arrière.
Le train avant repose sur une traverse monobloc. Il est pendulaire, pivoté suivant le sens longitudinal du châssis. Il peut être immobilisé avec des cales. Le servo de direction est fixé sur la dite traverse. Les jantes sont usinés en alliage d'aluminium comme l'exigent le règlement.

La partie radiocommande est confiée à Futaba et la partie motorisation à Hobbywing, avec notamment un moteur brushless Justock 21.5T. Le pack est un Performa Racing Graphene HV Lipo 8300mAh.

N°

Nom de l'équipe

Etablissement

Laps

Fast Lap [s]

AVg Lap [s]

01 

#20 - EPAI GIBS 

EPAI-Fribourg 

1066 

13.955 

20.260 

02 

#03 - LIEBHERR 

LIEBHERR SA 

992 

14.183 

21.765 

03 

#06 - EMF 2 

Ecole des Métiers de Fribourg 

848 

13.928 

25.438 

04 

#01 - GroupeE Talents Academy 

Groupe E  

847 

16.695 

25.482 

05 

#09 - CFPTeam Electro-Horlogerie 

CFPT Genève (centre profes. technique) 

754 

12.955 

28.622 

06 

#04 - CFPTeam Mecatronique 

CFPT Genève (centre profes. technique) 

623 

18.754 

34.622 

07 

#14 - COMA 2 

CO de Marly 

558 

16.819 

38.714 

08 

#11 - PREAPP CPNV 

CPNV Yverdon 

540 

12.160 

36.351 

09 

#18 - COMA 

CO de Marly 

523 

19.475 

40.930 

09 

#02 - Starrag Vuadens SA 

Starrag Vuadens SA 

503 

16.132 

42.940 

11 

#19 - CoGlâne 4 

CO de la Glâne 

499 

14.731 

43.301 

12 

#13 - COLT 2 

CO La Tour-de-Trême 

482 

19.162 

35.573 

13 

#15 - HOTAKU 

CO de la Glâne 

440 

15.521 

49.154 

14 

#22 - COMET 

COMET SA 

385 

14.044 

56.100 

15 

#07 - EMF 3 

Ecole des Métiers de Fribourg 

363 

14.995 

55.792 

16 

#05 - EMF 1 

Ecole des Métiers de Fribourg 

335 

13.446 

1:04.484 

17 

#12 - COLT 1 

CO La Tour-de-Trême 

312 

18.425 

1:00.800 

18 

#21 - Team GESA 

Gruyère Energie SA 

137 

19.764 

1:44.991 

19 

#08 - SAM RACING 

Scuola d'arti e mestieri di Bellinzona 

75 

22.118 

2:30.318 

20 

#17 - MIF 2 

CO de la Glâne 

10 

50.477 

2:38.632 

21 

#16 - MIF 1 

CO de la Glâne 

0 

0 

0 

En savoir plus:

• Le site des 6h de Fribourg.
• Le site du contructeur Horizon Educational.
• L'article dédié sur le site du club GenevaModelCars.
• Sur le facebook du club ARCB, le prototype du Groupe E, d'autres photos de celui-ci, une vidéo de ce prototype, et celui du Centre professionnel du Nord vaudois (CPNV).
• Publication Facebook du CPNV Centre professionnel du Nord vaudois.
• Publication Facebook de la Chambre de commerce et d'industrie du canton de Fribourg.
• Publication Facebook du Groupe Gruyère Energie.
• Publication Facebook de StarragVuadens.