La voiture hybride : Bac Sti2d ( SPCL) Nlle Calédonie 2013


Le New European Driving Cycle (ou cycle NEDC) est un cycle de conduite automobile conçu pour imiter de façon reproductible les conditions rencontrées sur les routes européennes. Il est principalement utilisé pour la mesure de la consommation et des émissions polluantes des véhicules.

Source : règlement n° 101 dede la Commission économique des Nations unies pour l'Europe, CEE-ONU.
Dans cette partie on néglige les forces de résistance au roulement et les forces de résistance aérodynamique.
 Etude mécanique :
On se limite à l'étude d'une portion du cycle de la phase 5 incluse à la phase 9 incluse.
Compléter la colonne 2 (type de phase) du tableau récapitulatif en précisant s'il s'agit d'une accélération, d'une vitesse stabilisée ou d'une décélération.
Phase n°
Type de phase
Accélération ( m s-2)
Vitesse ( km/h)
Durée phase (s)
Temps total (s)
5
arrêt
0
0
21
49
6
accélération
0,74
0 à 32
12
61
7
vitesse stabilisée
0
32
24
85
8
décélération
-0,81
32 à 0
11
96
9
arrêt
0
0
21
117
On note a l'accélération d'un véhicule dont la variation de vitesse est Dv sur la durée Dt.
Donner la relation qui relie a à Dv et Dt.
a =
Dv / Dt.
Préciser les unités de la relation précédente.
Accélération en m s-2 ; variation de la vitese en m/s et durée en seconde.
Compléter la troisième colonne du tableau récapitulatif  en donnant le détail des calculs.
32/3,6 = 8,89 m/s ; a6 = (8,89-0) / 12 =0,7407 ~0,74 m s-2.
a8 = (0-8,89) / 11 = -0,808 ~ -0,81 m s-2.
Expliquer à partir du graphique du cycle urbain élémentaire donné ci-dessus, comment repérer la phase pour laquelle l'accélération du véhicule est la plus importante.
Plus l'accélération est grande, plus la pente du segment de droit est importante.( Plus ce segment se rapproche de la verticale ).



Pendant la phase 6, on relève la puissance motrice P en fonction de la vitesse v.
Déterminer à l'aide du graphe de P=f(v)  la puissance motrice délivrée par le moteur en fin de la phase 6.

Vérifier, en vous servant du tableau des caractéristiques du véhicule, que le moteur électrique est capable à lui seul de garantir cette force motrice jusqu'à la fin de la phase 6.

La puissance maximale du moteur électrique est de 15 kW, valeur supérieure à 13,5 kW.

.


Etude de la récupération de l'énergie :
Lors d'une phase de ralentissement, le moteur électrique fonctionne en génératrice afin de recharger les batteries. La chaîne d'énergie en mode tout électrique est représentée cidessous :

La relation qui permet de calculer l'énergie cinétique est : Ec =½mv2.
Calculer la valeur de l'énergie cinétique du véhicule étudié dans la phase 7.
 m = 1073 kg ; v = 32/3,6 = 8,89 m/s ; Ec = 0,5*1073*8,892 =4,24 104 J.
En utilisant la chaîne d'énergie en mode tout électrique, calculer l'énergie électrique EE qui sera récupérée durant la phase 8.
EE = rendement fois Ec = 0,70*
4,24 104 =2,98 104 J.
Quelle relation peut-on utiliser pour calculer l'énergie perdue Ep durant la phase 8 ?
Ep = Ec-EE =
Ec-0,7Ec= 0,3.Ec
Calculer les valeurs de Ep pour le véhicule étudié  puis pour un véhicule de masse 2000 kg.
Ep =0,3*4,24 104 =1,27 104 J ;
Pour une même vitesse et une masse de 2000 kg :
Ep =1,27 104 *2000 / 1073 =2,37 104 J.
Comment évolue la valeur de l'énergie perdue lorsque la masse du véhicule augmente ? Justifier pourquoi on cherche à avoir un véhicule hybride le plus léger
possible.
A vitesse égale, les pertes d'énergie sont proportionnelles à la masse du véhicule : il faut donc fabriquer un véhicule le plus léger possible.
Expliquer pourquoi les véhicules hybrides n'ont que peu d'intérêt dans le cas d'une utilisation autoroutière.

La vitesse , donc l'énergie cinétique et par conséquent les pertes, sont très élevées.



Étude de la batterie :
Un cycle NEDC urbain complet représente un déplacement de 11 km et dure 1200 secondes.
L'énergie utile nécessaire au véhicule pour le parcourir est de 3,7 MJ.
Le véhicule doit pouvoir fonctionner en tout électrique pendant ce cycle.
On fait l'hypothèse que la tension aux bornes de la batterie reste constante égale à 42 V.
Calculer la puissance utile moyenne PU sur le cycle NEDC urbain complet.
Puissance (W) = énergie (J) / durée (s) ; Pu =3,7 106 / 1200 =3,08 103 W =3,08 kW
La lecture de la chaîne d'énergie en mode tout électrique donnée dans la partie A nous apprend que le rendement de celle-ci est de 70 %, démontrer que la puissance électrique moyenne Pélec de la batterie est de 4,4 kW.
pélec = Pu / rendement =3,08 / 0,70 = 4,4 kW.
Montrer que l'intensité moyenne I du courant débité par la batterie est de 105 A.
I = Pélec / U = 4,4 103 / 42 =105 A.
Calculer alors la valeur de la capacité minimale Qmin (exprimé en A.h) que doit avoir la batterie.
1200 / 3600 = 0,33 heure ; Qmin = I t =105 *0,33 =35 Ah.
Discussion sur l'intérêt d'intégrer un panneau photovoltaïque.
Afin d'augmenter l'autonomie du véhicule, le constructeur projette de placer sur le toit un panneau photovoltaïque dont les caractéristiques sont données.
 Placer sur le schéma  les appareils de mesure qui permettent de déterminer la puissance fournie par le panneau.

Donner la valeur de la puissance nominale du panneau Pphoto.
Pphoto=120 W
Comparer Pphoto à Pélec. Le panneau solaire peut-il être la source d'alimentation principale pour le moteur ?
La puissance maximale du moteur électrique est de 15 kW, soit  15/0,12 =125 fois plus grande que Pphoto. A lui seul le panneau n'est pas la source principale d'alimentation de ce moteur.
Montrer que l'énergie récupérée par le panneau photovoltaïque par an est de 150 kW.h lorsque l'énergie de rayonnement solaire annuelle reçue par unité de surface est de 1250 kW.h.m-2.
Longueur du panneau : 1,11 m ; largeur 0,808 m; surface =1,11*0,808 ~0,90 m2. Rendement 0,134.
Energie récupérée par an : 0,90*0,134 *1250 ~150 kWh.
 Sachant que pour parcourir un cycle urbain de 11 km, la batterie doit fournir une énergie de 6 MJ, calculer la distance annuelle que l'on peut parcourir grâce à l'énergie récupérée par le panneau photovoltaïque. On rappelle que 1 kW.h est égal à 3,6 MJ.
150*3,6=540 MJ ; 540/6 *11 =990 km.
Rédiger pour le constructeur une conclusion argumentée développant au moins deux avantages et deux inconvénients de l'implantation de ce panneau sur le toit du véhicule.
Avantages : on peut parcourir 990 km grâce à ce panneau. sans consommer de carburant.
Inconvénients : charge supplémentaire du véhicule, le rendement du panneau baisse au fil des années, éclairement solaire non constant, souvent inférieur à
1250 kW.h.m-2.
Etude du moteur thermique.
Le moteur dit « fuel-flex » permet de fonctionner avec un carburant contenant un mélange d'essence et d'éthanol en diverses proportions.
L'E85 (15 % d'essence + 85 % d'éthanol) a un pouvoir calorifique de 24,6 MJ.L-1 contre 35,5 MJ.L-1 pour l'essence SP95.
Données :
Masse volumique de l'éthanol à 15°C : 0,793 kg.L-1 ; masse molaire de l'éthanol : 46 g.mol-1 ; masse molaire du dioxyde de carbone : 44 g.mol-1 ;
PCI volumique de l'éthanol : 22,6 MJ.L-1 ; PCI molaire de l'éthanol : 1,31 MJ.mol-1 ; PCI : pouvoir calorifique inférieur.
Dans les véhicules thermiques, lors de la transformation, les produits de la combustion sont expulsés principalement sous forme gazeuse. Si à froid un moteur peut condenser les gaz d'échappement, ce changement d'état n'apporte pas d'énergie utile.
Expliquer que l'on ne prenne en compte que le PCI dans l'apport énergétique du véhicule.
Le moteur fonctionne principalement à chaud et l'eau reste à l'état de vapeur. On ne peut donc pas récupérer l'énergie produite lors de la condensation de cette vapeur d'eau.
Compléter l'équation de la combustion complète de l'éthanol dans le dioxygène produisant du dioxyde de carbone et de l'eau.
C2H5OH(l) + 3O2(g) --> 2CO2(g) + 3H2O(g).
 Donner les détails du calcul qui permet de retrouver la valeur du pouvoir calorifique inférieur volumique (PCI) de l'éthanol exprimé en MJ.L-1 à l'aide de son pouvoir calorifique inférieur molaire.
PCI molaire / masse molaire de l'éthanol = 1,31  / 0,046 =28,5 MJ kg-1.
Puis multiplier par la masse volumique de l'éthanol : 28,5 *0,793 ~22,6
MJ.L-1.
Calculer la masse de CO2 libérée pour la combustion d'un litre d'éthanol.
n(éthanol) = 793 / 46 = 17,24 mol ; n(
CO2) =2*17,24 =34,5 mol ; m(CO2) = 34,5*44 =1,52 kg.
La combustion d'un litre d'E85 rejette 1,65 kg de CO2. En vous servant de l'étiquetage énergétique, déterminer la classe énergétique du véhicule dont la consommation moyenne en E85 est de 5,5 L / 100 km.
Masse de CO2 rejeté aux 100 km : 1,65*5,5 =9,08 kg soit ~91 g km-1. Classe énergétique A.
 Donner une estimation de la consommation moyenne en SP95 du même véhicule.
24,6 /35,5 *5,5 =3,8 L aux 100 km.
La chaîne énergétique :
Compléter, en justifiant chaque valeur, la chaîne énergétique du moteur thermique.

Quelle différence de principe existe-t-il entre une chaîne énergétique d'un véhicule thermique et celle d'un véhicule hybride ?
En mode tout électrique, la chaîne énergétique du moteur hybride est inversable.



  

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