Corrigé Etude : Récupérer de l'énergie - Eduscol
Voiture électrique pour la mobilité urbaine : Récupération de l'énergie Lionel
COMTET, Lycée Viette, Montbéliard Page 1. Fiche pédagogique. Problématique :
Le stockage d'énergie au sein d'un véhicule électrique est le .... Amortisseur,.
part of the document
Récupération de lénergie en milieu urbain
Fiche pédagogique p 2
Analyse fonctionnelle du système réel : F-City . p 3
Analyse fonctionnelle de la maquette e-traction. p 4
Mise en uvre de la maquette e-traction. p 6
Fiche pédagogique.
Problématique : Le stockage dénergie au sein dun véhicule électrique est le principal frein à son développement. Comment pourrions nous récupérer une partie de lénergie cinétique lors des différentes phases de fonctionnement du véhicule et lutiliser à bon escient pour augmenter lautonomie du véhicule ?________________________________________________________________________
Formation concernée : BAC STI2D spécialité énergie environnement.
Partie du programme : 2 : Conception dun système.
2.4 : Approche comportementale.
2.4.1 : Comportement énergétique dun système.
4 : Réalisation et qualification dun prototype 4.3 : Essais et réglages en vue dassurer le fonctionnement et daméliorer le fonctionnement.
Connaissances nouvelles :
- optimisation des échanges dénergie entre source et charge (niveau taxonomique 3).
- amélioration de lefficacité énergétique : adaptabilité au profil de charge (niveau taxonomique 3).
- paramètre à ajuster pour un fonctionnement spécifié dun système ou dun constituant (niveau taxonomique 3).
Temps consacré à la séquence dapprentissage : 6 h00
Séquence réalisée au premier trimestre de Terminale.
Matériels nécessaire :
- Maquette e-traction.
- Multimètre.
- Pince ampèremétrique.
Travail en binôme.
Particularités :
- Travail avec accès de pièces sous tension (tension inférieure à 50 V).
- Formation à la sécurité électrique préalable conseillée.
- Formation aux appareils de mesure conseillée.
1 : Etude du problème général.
Problématique :
Si le véhicule électrique est présenté comme une solution davenir, son succès ne peut passer que par une amélioration de son autonomie. Un travail important sur les batteries est dores et déjà engagé par de nombreux constructeurs automobiles et ceux-ci souhaitent améliorer la quantité de stockage au sein dun véhicule.
De son côté la formule 1 a commencé, lors des saisons 2009 et 2011, de travailler sur la récupération de lénergie cinétique dans les phases de freinage, de la stocker puis de la réutiliser lors de phases daccélération.
Cette notion est-elle transposable sur un véhicule électrique urbain et en loccurrence sur la F-City commercialisée par la société FAM Automobiles ?
Description générale du véhicule :
Véhicule compact (L x l x h : 2,5 x 1,6 x 1,6m) répondant à la réglementation L7E :
quadricycle lourd,
masse maximum de 400 kg hors système de stockage batterie,
groupe moto-propulseur en position arrière : Pn = 8 kW.
Vitesse maximum de 60 km/h sur le plat.
Système batterie amovible.
Le rack amovible dune masse de 273 kg est fixé en 4 points à la structure et participe à la rigidité du véhicule. Lénergie maximale embarquée par ce rack est de 14,4 kWh.
Lors du développement du véhicule la masse maximale de chargement (2 personnes + les bagages) a été estimée à 200 kg.
Calcul de lénergie électrique récupérable.
Nous souhaitons définir lénergie électrique récupérable lors dune phase de ralentissement à un feu rouge en déduire lintérêt de la renvoyer dans les batteries du véhicule.
Hypothèses : la phase de récupération de lénergie électrique sera étudiée pour un ralentissement de 50 km/h à 20 km/h. A partir de 20 km/h et jusquà larrêt total on estime que lénergie cinétique est dissipée par les freins mécaniques du véhicule. La force de résistance aérodynamique est négligée.
1.1 Définir la valeur de la variation de lénergie cinétique lors dun ralentissement du véhicule de 50 à 20 km/h (on suppose le véhicule chargé au maximum).
La F-City étant à propulsion, toute lénergie cinétique récupérée est transmise au moteur par le train arrière. Le synoptique général de la chaîne de traction est le suivant :
1.2 A laide du synoptique général de la chaîne dénergie fourni ci-dessus, calculer la valeur de lénergie électrique pouvant être récupérée par la batterie.
1.3 Comparer par rapport à lénergie maximale embarquée par le rack batterie. Que conclure sachant quune batterie ne peut, de par sa conception, être en état de recharge immédiatement (quelques secondes sont nécessaires pour que lélectrolyse devienne efficace) ?
Validation dune solution technique sur banc de simulation.
Nous avons vu que la phase de ralentissement de la F-City en milieu urbain ne permet pas de récupérer de lénergie dans une batterie.
Nous proposons alors dinstaller un nouveau composant qui permet de stocker puis de fournir de petites quantités dénergie sur des temps transitoires faibles et lorsque le besoin en énergie est important (dans le cas dune accélération forte ou dune montée avec une pente importante par exemple). Nous décidons dutiliser des super-condensateurs.
Nous souhaitons valider la solution retenue. Pour cela, un banc de simulation appelé « e-traction » va permettre de faire des essais.
La maquette didactique e-traction est une représentation homothétique du véhicule F-City réel. Les grandeurs mécaniques ainsi que les puissances électriques sont réduites. Le fonctionnement, le comportement et les méthodes de réglage restent néanmoins identiques à ce qui est rencontré sur le système réel. La chaîne de traction présente sur la maquette est constituée dun demi-essieu de train arrière du véhicule.
2.1 : Prise en main du système.
2.1.1 Identifier sur le système les composants ci-dessous puis appeler votre professeur pour lui faire valider vos réponses.
Moteur de traction,
Batteries,
Super-condensateurs,
Variateur de traction,
Amortisseur,
Roue,
Système poulies-courroie.
2.1.2 Mettre sous tension la maquette, et, en présence du professeur, tester son fonctionnement en étudiant attentivement les différents composants cités ci-dessus.
2.1.3 A laide des schémas électriques de la partie traction de la maquette présents dans le dossier pédagogique, indiquer la nature et les valeurs des différentes tensions utilisées dans la chaîne dénergie de la traction électrique. Vérifier à laide dappareils de mesure les différentes valeurs théoriques.
2.2 : Mesures sur le système sans les super-condensateurs sur le plat.
Nous souhaitons vérifier la quantité dénergie récupérable lors dune simulation de ralentissement de véhicule sur le plat. Afin de respecter le cahier des charges initial, la vitesse de consigne sera fixée à 30 km/h.
2.2.1 Indiquer si les hypothèses de ralentissement proposées à la question 1.1 page 3 avec le véhicule restent cohérentes pour létude avec la maquette. Vous pouvez, pour répondre à cette question faire des essais de fonctionnement de la maquette.
2.2.2 Proposer une méthode de mesure permettant de quantifier lénergie récupérable par la batterie lors de la phase de ralentissement.
2.2.3 A laide des schémas électriques du dossier pédagogique, indiquer des points de mesure pour cet essai et les identifier sur le système. Proposer des réglages pour les calibres du module de mesure et son mode de déclenchement. Vous pouvez, pour répondre à cette question faire des essais de fonctionnement de la maquette et utiliser les différents appareils de mesure à votre disposition.
2.2.4 Faire un essai (accélération franche jusquà une vitesse constante de 30 km/h que vous maintiendrez quelques secondes puis ralentissement franc) et enregistrer les signaux obtenus.
2.2.5 Commenter les relevés à votre professeur (vous indiquerez précisément les différentes phases de fonctionnement).
2.2.6 Calculer, à laide des relevés, lénergie récupérable.
2.2.7 Apporter une réflexion plus générale sur la récupération de lénergie sur un parcours urbain avec le vrai véhicule sil était équipé de la technologie super-condensateurs. La commenter avec le professeur.
2.3 : Mesures sur le système avec les super-condensateurs sur le plat.
Nous souhaitons vérifier lutilité des super-condensateurs et que lénergie est réellement récupérée à un moment donné par ceux-ci.
Nous vous proposons de visualiser le courant circulant dans la batterie ainsi que la tension à ses bornes et le courant en entrée du variateur AMC pilotant les super-condensateurs. Le matériel à votre disposition est :
Un oscilloscope couleur 4 voies SCOPIX II.
2 pinces ampèremétrique PAC22.
2.3.1 A laide des schémas électriques du dossier pédagogique, indiquer les nouveaux points de mesure permettant de mesurer le courant en entrée du variateur AMC pilotant les super-condensateurs et les identifier sur le système (les points de mesure pour les caractéristiques liées à la batterie sont les mêmes quà la partie 2.2.
2.3.2 En présence de votre professeur, placer les appareils de façon à visualiser :
- la tension aux bornes de la batterie sur la voie 1 de loscilloscope.
- le courant « batterie » sur la voie 4 de loscilloscope (attention au sens de la pince ampèremétrique).
- le courant « super-condensateurs » sur la voie 3 de loscilloscope (attention au sens de la pince ampèremétrique).
Régler les calibres et le mode de déclenchement sachant que le courant maximum récupéré et fourni par les super-condensateurs est de 25 A.
2.3.3 Faire un essai (conformément à celui réalisé à la question 2.2.4 et enregistrer les signaux obtenus. Ne pas déconnecter loscilloscope une fois les essais réalisés.
2.3.4 Commenter les relevés à votre professeur (vous indiquerez précisément les différentes phases de fonctionnement et expliquerez clairement lintérêt des super-condensateurs pour lapplication véhicule électrique).
2.4 : Stratégie de pilotage de charge et de décharge des supercondensateurs.
2.4.1 : En étudiant attentivement les courbes obtenues aux questions 2.2.5 et 2.3.3, expliquer la stratégie de pilotage des super-condensateurs (paramètre physique et valeur qui déclenche la récupération dénergie dans les super-condensateurs et même chose pour la fourniture dénergie par les super-condensateurs). La stratégie de pilotage des super-condensateurs vous paraît-elle adaptée par rapport au cahier des charges initial ? Commenter votre réflexion au professeur.
2.5 : Stratégie de pilotage des supercondensateurs à mettre en uvre suivant un profil routier.
Nous souhaitons optimiser la stratégie de pilotage des supercondensateurs. Pour cela, un profil type de parcours routier a été établi.
Le but est que les super-condensateurs ne fournissent de lénergie quen phase daccélération importante ou si il y a une montée. Le réglage de la partie récupération de lénergie ne sera pas modifié par rapport aux essais précédents.
Afin davoir une qualité des résultats optimale, nous nous affranchirons du pilotage manuel et utiliserons un mode « régulateur de vitesse » où la vitesse est réglée à 30 km/h.
Le profil routier retenu est le suivant :
2.5.1 A laide du dossier pédagogique, programmer le parcours proposé sur le logiciel de simulation de parcours.
Faire vérifier la programmation du parcours effectuée au professeur et lui demander dannihiler le fonctionnement des supercondensateurs, de fixer une vitesse maximale de 30 km/h à laide de la pocket puis de démarrer la maquette en mode régulation de vitesse
2.5.2 En présence du professeur, faire un essai avec la maquette en réalisant un parcours complet sans les super-condensateurs. Mesurer le temps approximatif mis pour réaliser le parcours.
Nous proposons comme pour lessai de la question 2.2.3 de visualiser le courant circulant dans la batterie ainsi que la tension à ses bornes.
2.5.3 Régler les calibres et le mode de déclenchement.
2.5.4 Faire un essai et enregistrer les signaux obtenus.
2.5.5 Commenter les courbes à votre professeur et proposer un seuil de pilotage des super-condensateurs permettant de respecter le cahier des charges défini.
2.5.6 Paramétrer en présence de votre professeur les seuils de pilotage des super-condensateurs que vous avez défini à la question précédente.
Afin de valider votre proposition, nous proposons comme pour lessai de la question 2.3.3 de visualiser le courant circulant dans la batterie ainsi que la tension à ses bornes et le courant « super-condensateurs ».
2.5.7 Faire un essai sur la totalité du parcours prédéfini et enregistrer les signaux obtenus. Valider la solution proposée en indiquant la conformité ou non des résultats par rapport au cahier des charges.
Voiture électrique pour la mobilité urbaine : Récupération de lénergie Lionel COMTET, Lycée Viette, Montbéliard Page PAGE \* MERGEFORMAT 5
Tension aux bornes de la batterie : bornes B+ et B- variateur CURTIS ou bornes B+ et B- batteries.
Courant en sortie de la batterie : installer la pince ampèremétrique sur un conducteur du bus continu 24 V entre la batterie et le variateur CURTIS.
Couplage : DC puisque bus continu.
Calibre de tension voie 1 : 5V/div car tension du bus est de 24V
Calibre de tension voie 2 : 200mV/div car la pince ampèremétrique fournit une tension de 10 mV pour un courant mesuré de 1A et le courant max absorbé par le variateur est de 80 A mesurée par la pince cristaux liquide MX355 (donc un signal maximum de 0,8 V sera fourni par la pince).
Calibre de temps : 2s/div car il faut environ une quinzaine de secondes pour accélérer jusquà vitesse maximale puis ralentir jusquà larrêt : essai obligatoire.
Installer un énergimètre au niveau du bus continu 24V = afin de faire un bilan énergétique.
Visualiser à loscilloscope la tension et le courant batterie, identifier la zone de récupération, idéaliser les courbes et calculer lénergie récupérée.
Maquette e-traction
Le fonctionnement est conforme au cahier des charges car lénergie des supercondensateurs nest plus utilisée sur le plat à vitesse constante.
80
50
0
Distance (m)
170
240
Le courant absorbé sur le plat à vitesse constante est denviron 38 A à 30 km/h.
Sur une pente de 6,5 % le courant absorbé est de 58 A
Sur une pente de 10 % le courant absorbé est de 68 A
On peut donc définir un seuil de 45-50 A qui doit permettre de nutiliser lénergie stockée dans les supercondensateurs que pour une accélération très importante et de longue durée sur le plat ou lorsque le véhicule monte une pente.
Accélération sur le plat
Côte de 6,5 %
Freinage au feu
Descente de 20%
Temps approximatif : 45 s
En mode « fourniture dénergie », les super-condensateurs donnent un courant complémentaire au bus continu dès que lintensité absorbée par celui-ci (donc par le variateur CURTIS pilotant le moteur de traction) dépasse 30 A. Et ce en phase daccélération ou de vitesse constante
En mode récupération, dès que lintensité fournie par le variateur associé au moteur de traction est de 7 A, il y a recharge des super-condensateurs.
Le mode de pilotage des super-condensateurs en mode « fourniture dénergie » est mal choisi car ces composants sont faits pour fonctionner dans les phases dynamiques (accélération). Fournir de lénergie au bus continu en vitesse constante est inadapté. Le seuil de 30 A doit donc être réhaussé.
En mode récupération de lénergie, lintensité fournie par le moteur en freinage ne dépasse pas 15-20 A. Choisir un seuil bas (7 A dans notre cas) est une solution intéressante et adaptée pour récupérer le maximum dénergie.
Pas de fonctionnement des supercondensateurs
Récupération dénergie par les supercondensateurs
Fourniture dénergie par les supercondensateurs
Freinage
Accélération
Vitesse
constante
Courant en sortie de la batterie : installer la pince ampèremétrique sur le fil allant à la borne 2 du variateur AMC.
Dans un circuit urbain, le ralentissement du véhicule est très courant ce qui va apporter de nombreuses possibilités de recharge des super-condensateurs (même si elles sont de faible valeurs).
La masse du véhicule étant beaucoup plus importante, lénergie cinétique qui sera récupérable le sera aussi.
Les parcours urbains sont aussi composés de descentes, donc les phases de récupération peuvent être dune durée plus longue donc recharger de façon plus efficace les super-condensateurs.
Temps de récupération : environ 1,5 s
Intensité idéalisée : environ 15 A
Tension idéalisée : environ 24 V
Wr = U x I x t = 26 x 15 x 1,5 = 585 J = 0,1625 Wh
Accélération
Vitesse
constante
Freinage
Contrairement à la F-City, la maquette didactique ne dispose pas de freins mécaniques : toute lénergie de freinage doit être dissipée électriquement.
Les masses en jeu sont différentes mais le rapport masse/puissance reste cohérent et proche : 8 kW pour une masse de 873 kg pour la F-City contre 1,7 kW pour une masse de 150 kg pour la maquette.
Une simulation sur le plat est possible avec la maquette didactique.
A part le fait que le ralentissement sera complètement électrique (donc le différentiel de vitesse légèrement différent) les hypothèses restent cohérentes pour létude. Malgré tout lénergie récupérable sur la maquette sera très faible du fait de la masse plus faible.
Bus continu : tension 24V =
Moteur asynchrone : réseau triphasé 3 x 15 V
Bus super-condensateurs : tension 45 V= maximum
110
39
48
50
53
Point darrêt final
Point darrêt à un feu rouge
Altitude (m)
On arrive à une possibilité de recharge de 12,88/14400 = 0,09 % de la batterie. Cest trop peu pour être intéressant pour recharger la batterie (il faudrait de plus quelle puisse se recharger immédiatement dès que le courant sinverse : ce qui nest pas le cas !). Installer un autre moyen de stockage de petite quantité dénergie peut par contre savérer intéressant.
Welec = "Ec x (MECA x (MOT x (CONV = 19,62 x 0,77 x 0,87 x 0,98 = 12,88 Wh
"Ec = ½ m vinitiale2 - ½ m vfinale2 = ½ x 873 x 13,882 ½ x 873 x 5,562 = 70 648 J = 19,62 Wh
Rack batteries
120
Convertisseur
DC/AC
(CONV = 0,98
Moteur de traction
(MOT = 0,87
Transmission mécanique par bloc réducteur différentiel à double cardans
(MECA = 0,77
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