Etude d'un bus hybride. Bac Sti2d  2014


Etude énergétique.
Quelles sont les raisons de l'existence des périodes pour lesquelles la vitesse est nulle
?
Le bus est à l'arrêt : montée ou descente des passagers, feux tricolores, panneaux stop.
On considère que le mouvement du bus est horizontal entre les dates t1= 25 s t2 =65 s. Le graphe de l'évolution de la vitesse en fonction du temps est donné ci-dessous.

L'accélération du bus entre ces deux dates est-elle constante ? Justifier.
La vitesse est une primitive de l'accélération. Dans l'hypothèse d'une accélération constante, la courbe représentant l'évolution de la vitesse en fonction du temps est une droite. Or ce n'est pas le cas : l'accélération du bus n'est pas constante.
Une seule des trois relations suivantes permet le calcul de la valeur de l'accélération, a. Laquelle ?
a = D(v). D(t) ;  a = D(v) / D(t) ( exact ) ;
a = D(v) /(2 D(t)).
On considère que le bus transporte 20 passagers de masse unitaire 70 kg. Calculer la variation d'énergie cinétique de l'ensemble {bus+conducteur+passagers} entre ces deux dates, t1 et t2.
Ec t2 = ½mv22 avec m = Mbus + Mpassagers =17 500 + 20*70 = 18900 kg,
v2 = 37,5 km/h = 37,5 /3,6 = 10,417 m/s.
Ec t2 =0,5*18900*10,4172 =1,025 106 J = 1,025 MJ.
Ec t1 = ½mv21 avec v1 = 0 km/h.
Ec t2 -Ec t1 =1,025-0 ~1,0 MJ.
Quel est le travail du poids sur ce trajet ?
La route est horizontale, le poids est vertical : une force perpendiculaire à la vitesse ne travaille pas.
On veut évaluer les différents frottements au cours de ce mouvement.
Dans un premier temps, on prend en compte le frottement aérodynamique, ou traînée. La traînée est une force qui s'oppose à l'avancement d'un véhicule dans l'air. Elle devient très importante lorsque le déplacement se fait à des vitesses élevées. Son intensité se calcule à partir de la relation suivante.
T = ½Cx r S v2.
Cx coefficient de traînée, sans unité ; r masse volumique du fluide kg m-3 ;  v vitesse m/s ; S maître couple m2.
Le coefficient de traînée Cx vaut, dans notre cas, 0,5. On prend la masse volumique de l'air r= 1,29 kg.m-3 et la surface (ou maître couple) de la projection du véhicule sur un plan perpendiculaire au déplacement S = 8,41 m2.
Quelle est la valeur maximale de la traînée sur ce mouvement ?
T = 0,5 *0,5 *1,29*10,4172 *8,41 = 286,7 ~2,9 102 N.
L'autre force de frottement est la force de contact notée Fc (entre l'ensemble des pneus et la chaussée). Elle est définie par la relation ci-dessous : Fc = KMTg. Calculer son intensité dans les conditions du déplacement.
K = 0,028 ; MT =18900 kg ; g = 9,81 SI.
Fc = 0,028*18900*9,81 = 5,194 103 ~5,2 103 N.
Au vu des valeurs de ces deux frottements, et en considérant que l'on peut négliger une force par rapport à l'autre si celle-ci est au moins 10 fois plus faible, quel frottement pouvons-nous conserver dans l'étude ?
On peut conserverla force de frottement de contact.
On étudie ci-dessous le démarrage du bus allant d'une vitesse nulle à celle de 20 km/h.
Déterminer la durée nécessaire pour atteindre une vitesse de 20 km.h-1.
Sur le graphe représentant l'évolution de la vitesse, on lit Dt = 34-25 = 9,0 s..
Sur cette durée, on considérera l'accélération constante et égale à 0,60 m.s-2.
Évaluer la distance parcourue durant cette phase où la traction est exclusivement électrique. On rappelle que la distance d est donnée par : d = ½at2 + v0t.
d = 0,5*0,60 * 92 = 24,3 ~24 m.
Tracer l'allure du vecteur représentant la force de contact Fc et du vecteur représentant la force motrice FM.

En supposant la force de frottement horizontale et opposée au sens du mouvement, calculer le travail de la force Fc  sur ce petit déplacement d. Quel est son signe?
Le travail de la force de frottement est résistant : WFc = -Fc d = -5,194 103 *24,3 = -1,262 105 ~1,3 105 J.
 Montrer à l'aide du théorème de l'énergie cinétique que le travail de la force motriceWFm vaut 418 kJ.
DEc = 0,5 *18900*(20/3,6)2 -0 = 2,917 105 J.
DEc =WFc +WFM ; WFM =2,917 105 +1,262 105 =4,179 105 ~4,2 105 J.
 En déduire la puissance motrice minimum Pmini sur ce déplacement.
Pmini = WFM / D = 4,179 105 /9 =4,643 104 ~4,6 104 W.
En supposant le rendement de la transmission égal à 1, calculer la puissance utile minimum délivrée par le moteur. 4,6 104 W = 46 kW.
Comparer cette valeur avec celle de la documentation  200 kW crète ). Pourquoi le constructeur prévoit-il une valeur de puissance crête nettement supérieure ?
Le bus peut emporter plus de 20 passagers et aborder des montées.




Etude de la batterie.
Elle comporte 16 modules identiques ; dans chaque module, on retrouve 96 accumulateurs élémentaires lithium-ion dont la tension aux bornes vaut 3,33V. Ces accumulateurs sont branchés en série.
On constitue 8 assemblages de 2 modules montés en série. Ces 8 assemblages sont eux
montés en parallèle. Le temps de recharge est d'environ 3 heures. La tension disponible aux bornes de l'ensemble (mesurée en sortie de la batterie) est de 640 V.
Schématiser le montage des modules au sein de la batterie. Justifier que la tension disponible aux bornes de l'ensemble est bien de 640V.

Tension aux bornes de 96 accumulateurs en série : 96*3,33 = 319,68 V.
Tension aux bornes de 2 modules en série : 2*319,68 = 639,36 ~639 V.
Tension aux bornes  de 8 assemblages parrallèles de 2 modules en série : 639 V.
 Le fabriquant indique une charge électrique maximale de 43200 C pour un module ; déterminer la valeur du courant de charge de la batterie pour une durée de charge moyenne de 3,00 h.
Intensité traversant un module : I = Q/t = 43200 / (3,00*3600) = 4,0 A.
Intensité traversant deux modules en série : 4,00 A.
Intensité traversant 8 assemblages en parallèle : 8*4,00 = 32,0 A.
La borne positive de l'accumulateur est formée d'un matériau accueillant des ions lithium, Li+. Pour le bilan électronique, on peut formellement modéliser les processus qui s'y déroulent par l'équation du couple Li+/Li. On étudie ci-dessous le fonctionnement de cette électrode lors de la décharge.
Écrire l'équation de la réaction qui se produit à cette électrode. Donner le nom de cette transformation.
Lors de la décharge, le pôle positif est une cathode positive. Une réduction des ions lithium se produit à la cathode : Li++e- ---> Li.
La transformation qui se produit dans la pile, dans ces conditions, est-elle spontanée ou forcée ?
Lors de la décharge de la pile, la transformation est spontanée.
En considérant la décharge totale d'un accumulateur élémentaire, calculer la quantité d'ions Li+ consommée et la masse de lithium formée à la borne positive.
On donne 1 Faraday= 96500 C.mol-1 ; masse molaire atomique du lithium M= 7,0 g.mol-1.
Pour un accumulateur élémentaire Q = 43200 / 96 =450 C
Quantité de matière d'électron : n = Q/F = 450 / 96500 =  4,663 10-3 mol.
Quantité de matière de lithium :
4,663 10-3 mol.
Masse de lithium :
4,663 10-3 *7,0 = 3,26 10-2 g ~33 mg.

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Gestion de la température de l'habitacle conducteur.
Ce type de véhicule présente un poste de conduite semi cloisonné et équipé d'une climatisation à destination du chauffeur.
Les graphes suivants, donnent pour le premier, la puissance des radiations émises par le soleil, et pour le second, la transmission par le type de vitre athermique étudiée en fonction de la
longueur d'onde.

Sur les graphes sont repérés trois domaines de longueur d'onde. Attribuer à chaque domaine un type de rayonnement à choisir parmi : infrarouge, ultraviolet et visible.
Domaine 1 : UV ; domaine 2 : visible ; domaine 3 : infrarouge.
Déterminer le pourcentage maximal de transmission du pare-brise (correspondant à la courbe 3) pour la lumière visible.
Sur le graphe 2, courbe 3, on lit 0,8.
Donner la formule développée plane du 1, 1, 1,2-tétrafluoroéthane, sachant que le carbone établit quatre liaisons, l'hydrogène une liaison et le fluor une liaison.

On raisonne maintenant sur une quantité de matière d'une mole de R-134a (1, 1, 1,2-tétrafluoroéthane).
Calculer la masse molaire du R-134a puis l'énergie nécessaire pour la vaporisation d'une mole de ce fluide frigorigène à son point d'ébullition.
M (C2H2F4)= 12*2+2+4*19 =102 g/mol.
Chaleur latente de vaporisation (1,5 bar au point d'ébullition) : Lv = 215,9 kJ/kg.
M Lv = 0,102 *215,9 = 22,0218 ~22,0 kJ.
D'où provient l'énergie nécessaire à la vaporisation d'une mole de R-134a?
De la cabine du conducteur.
Quelle solution proposez vous afin de réduire au maximum la température dans l'habitacle conducteur de façon écologique et économique ?
Les pare-brises atermiques transmettent le rayonnement visible et réfléchissent le rayonnement infrarouge.
Utiliser une peinture claire pour la carrosserie, bien isoler entre toile de pavillon et tôle.
Afin de rendre l'emploi de produits nettoyants sûr et efficace, on se propose de rédiger une note à destination du personnel intervenant pour le nettoyage des bus.
Dans un premier temps, le sol du bus est nettoyé abondamment à l'eau de Javel. Ensuite, avant le rinçage des sols, une seconde personne décide d'appliquer sur l'équipement intérieur
et les surfaces intérieures des vitres, une solution contenant de l'acide éthanoïque. Par écoulement, une partie de cette solution acide entre en contact du sol et donc avec l'eau de Javel. Le personnel observe un léger dégagement gazeux irritant et décide d'évacuer les lieux.
Nommer la(les) protection(s) indispensable(s) à l'usage des produits d'entretien.
L'eau de Javel est corrosive : port de blouse, gants et lunettes.
Sachant que l'eau de Javel contient des ions hypochlorite, ClO-(aq) , qui appartiennent au couple ClO-aq / Cl-aq, écrire la demi-équation de réduction de l'ion hypochlorite en milieu
acide.  ClO-aq +2H+aq + 2e- = Cl-aq + H2O.
Nommer le gaz produit lors de la réaction entre l'eau de Javel et la solution d'acide éthanoïque. Quelle demi-équation pouvez-vous alors écrire concernant le couple Cl2aq / Cl-aq) ?
Il se produit du dichlore Cl2. 2Cl-aq =Cl2+ 2e-.
En déduire l'équation chimique globale traduisant ce qui se passe sur le sol du bus.
ClO-aq +2H+aq + Cl-aq  =Cl2 + H2O.
Sur un blog, on peut lire que le nettoyage est plus efficace en mélangeant de l'eau de Javel et du vinaigre blanc (solution diluée d'acide éthanoïque). Commenter.
Il ne faut pas mélanger l'eau de Javel avec un produit acide. Il se formerait du dichlore, gaz toxique.





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