Voiture à faible consommation d'énergie, freinage, température du liquide de refroidissement. BTS AVA 2016.

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Partie I : Besoin énergétique pour effectuer un trajet défini.
1. Calculer la somme de la force de traînée FT et de la force de résistance au roulement FR s'exerçant sur le véhicule.
FT = ½rv2Cx A.
v = 90 km/h soit 90 / 3,6 = 25 m/s ; masse volumique de l'air r = 1,2 kg m-3 ;
aire de lasurface frontale A = 2,1 m2 ; coefficient de traînée Cx = 0,40.
FT = 0,5 *1,2 *252 *0,40 *2,1 = 315 N.
FR = mg CR.
m = 1,2 103 kg ; g = 9,81 m s-2 ; coefficient de résistance au roulement CR = 0,02.
FR =1,2 103 +9,81*0,02=235 N.
FT+FR = 315+235 = 550 N.
2. Calculer le travail de ces deux forces sur le trajet étudié ( longueur L = 100 km).
Les forces et le vecteur déplacement sont colinéaires et de sens contraire, le travail est résistant:
W = -(FT+FR) L = -550 * 100 103 = -5,5 107 J.
3. Montrer que l'énergie nécessaire pour effectuer ce trajet est environ 55 MJ.
Le mouvement étant rectiligne, horizontal, uniforme, le travail moteur est l'opposé du travail résistant.
Wmoteur = 5,5 107 J = 55 MJ.
4. Calculer l'énergie ED fournie par la combustion complète du carburant sur le trajet étudié et en déduire le rendement global du véhicule hybride.
Consommation : 4,5 L aux 100 km ; pouvoir calorifique du gazole PCI = 36 MJ L-1.
ED  =4,5 *36 = 162 MJ.
Rendement : 55 / 162 = 0,34 (34 %).
5. Un véhicule du même type qui réalise le même trajet sans système de récupération de l'énergie présente dans le véhicule hybride consomme 5,2 L de gazole. Calculer le gain en émission en dioxyde de carbone que procure le véhicule hybride.
Le gazole est composé d'un mélange d'hydrocarbures de formule brute générale CxHy et contient 86,5 % en masse de carbone. Masse volumique du gazole 850 kg m-3.
Gain 5,2 -4,5 = 0,7 L de gazole soit 0,7 *0,85 =0,595 kg.
Masse de carbone correspondante : 0,595 *0,865 =0,515 kg.
Masse de dioxyde de carbone correspondante : 0,515 / 12 *44 = 1,89 kg pour 100 km..
1,89 / 100 ~19 g km-1.
Partie II. Etude énergétique de la motorisation électrique du véhicule hybride.
Moteur synchrone triphasé à électronique de puissance intégrée, chargeur et fonction de générateur pour la récupération d'énergie.
Puissance mécanique utile Pu = 56 kW ; tension entre phases U = 360 V ; intensité du courant en ligne I = 120 A ; facteur de puissance cos f = 0,8 ; moment du couple moteur : Cm = 135 Nm ; fréquence de rotation n = 4000 tr /min.
2.1 Chaînes de conversion d'énergie.
2.1.1 Quel est le type de conversion de l'énergie électrique effectuée par le chargeur ?.
Le chargeur convertit de l'énergie électrique en énergie chimique.
On se propose d'étudier le système énergétique que constitue le véhicule fonctionnant uniquement avec l'énergie électrique On le considère alors comme comportant les sous-systèmes suivants : batterie, roues et trois convertisseurs ( le moteur synchrone, le réducteur de vitesse et l'onduleur )..
1.2 Compléter la chaîne énergétique, en précisant la place des trois convertisseurs ainsi que les formes d'énergie échangée entre chaque bloc.

2.2. Rendement du moteur synchrone.
L'objectif est de déterminer le rendement du moteur en fonctionnement nominal.
2.2.1. Calculer la vitesse angulaire nominale W du moteur.
W = 2 p n /60 = 2*3,14 *4000 / 60 = 418,9 ~419 rad / s.
2.2.2. Calculer Pa, la puissance électrique nominale absorbée par le moteur.,.
Pa = 3½UI cos f = 1,732 *360 *120 *0,8 = 5,99 104 W ~60 kW.
2.2.3. En déduire le rendement h du moteur enfonctionnement au régime nominal.
Puissance mécanique Pm = W Cm = 418,9 * 135 = 5,66 104 W ~57 kW.

Rendement h = Pm / Pa = 5,66 / 5,99 ~0,94  (94 %).




2.3 Rendement global.
Le réducteur ayant un rendement de 85 % et l'onduleur un rendement de 95 %, calculer le rendement global de la chaîne de cnversion d'énergie entre la sortie de la batterie et l'arrivée sur les roues du véhicule.
0,94 *0,95 * 0,85 = 0,76 ( 76 %).
2.4 Etude de l'onduleur.
On visualise la tension fournie par l'onduleur sur l'écran d'un analyseur de réseau industriel et on observe le signal suivant.

2.4.1 Déterminer la valeur moyenne de la tension et la valeur maximale de cette tension.
 Umax = 360 V ; la valeur moyenne est nulle, le signal est symétrique.
2.4.2 Déterminer la fréquence de cette tension.
Période T = 8 ms ; fréquence f = 1 / T = 1 /(8 10-3) = 125 Hz.
On visualise ensuite le spectre fréquentiel de la tension fournie par l'onduleur. Amplitude relative en ordonnée, rang de l'harmonique en abscisse.

2.4.4. Quelle est la valeur de la fréquence de la raie de rang 1 ? Comment appelle t-on cette raie ?
La fréquence du fondamental est égale à 125 Hz.
2.4.5 L'allure du spectre confirme t-elle la reponse  à la question 2.4.1 ?
L'harmonique de rang zéro n'exite pas : le signal ne comporte pas de composante continue.
Les harmoniques paires sont inexistantes. Il s'agit donc d'un signal créneau symétrique, en accord avec ce qui précède.
On place entre l'onduleur et le moteur synchrone un filtre passif, on visualise ensuite le spectre en fréquence de la tension délivrée aux bornes du moteur synchrone. La photographie de l'écran de l'appareil est reproduite ci-dessous.

2.4.6. Indiquer quel est l'effet du filtre sur la tension délivrée par l'onduleur. En déduire la nature de ce filtre ( passe-bas ; passe-haut ; passe-bande ou coupe-bande )
Le filte supprime pratiquement les harmoniques de fréquences supéreures à 125 Hz. C'est un filtre passe-bas.









3. Etude des batteries.
3.1 La batterie Li-ion.
Le principe de fonctionnement en générateur de cette batterie réside dans la circulation spontanée d'électrons dans le circuit électrique extérieur à la pile et connecté aux deux électrodes, générant ainsi un courant électrique, comme pour toute autre batterie. Ces électrons sont produits à une électrode et consommés à l'autre par des réactions électrochimiques.
Dans la batterie Li-ion, la réaction sur l'électrode en graphite est modélisée de façn simplifiée par l'équation de réaction suivante : Li --> Li+ +e-.
Données concernant la batterie : 96 éléments en série ; capacité utile : 12 kWh ; tension électrique nominal U0 = 360 V.
3.1.1  Déterminer la polarité de l'électrode en graphite. S'agit-il d'une anode ou d'une cathode de la batterie fonctionnant en générateur ? Justifier.
Une oxydation correspond à une perte d'électron. Cette électrode est donc, par définition, l'anode. Lorsque la batterie fonctionne en générateur, l'électrode qui libère des életrons est la borne négative.
3.1.2 En supposant que la charge s'effectue à l'aide d'un convertisseur avec un rendement de 85 %, quelle serait la durée nécessaire pour recharger entièrement la batterie avec une prise domestique délivrant un courant d'intensité 16 A sous une tension de 230 V ?
12 103= U I Dt = 230*16 
Dt ; Dt = 12 103 /(230*12) = 3,26 heures.
Tenir compte du rendement : 3,26 / 0,85 ~3,8 heures.
Quelles contraintes représente cette opération par rapport aux voitures à moteur thermique ?
La durée de la charge est longue et nécessite une installation électrique adaptée.
3.1.3 Montrer dans une synthèse de quelques lignes, que la batterie Li-ion est, àl'heure actuelle, un bon compromis dans les voitures électriques.
Cette batterie possède une énergie massique bien supérieure à celle des autres batteries pour une durée de cycle charge - décharge comparable. De plus sa puissance en pointe est supérieure à celles de ces concurentes.
Par contre son coût est élevée et elle présente un risque d'explosion.
3. 2 Encombrement des batteries.
Un constructeur automobiles souhaite offrir le même modèle en deux options :
- un véhicule hybride qui ne peut parcourir que 2 ou 3 km en fonctionnement uniquement avec le moteur électrique ;
- un véhicule hybride rechargeable, alimenté par une batterie de plus grande capacité et qui peut parcourir en tout électrique des distances de l'ordre de 40 à 80 km.
Caractéristiques du véhicule :  volume du coffre : 420 L ; "poids" à vide : 1285 kg ; charge utile : 620 kg.
Ce véhicule hybride conventionnel est équipé d'une batterie Li-ion de capacité utile 1,2 kWh. Le constructeur souhaite faire évoluer ce modèle en véhicule hybride rechargable équipé d'une batterie de type Li-ion de capacité utile 12 kWh.
3.2.1 Déterminer l'augmentation de masse mB et le volume VB du pack batterie nécessaire.
Energie masique : 200 Wh kg-1 ; énergie volumique 300 Wh L-1.
Hybride conventionnel ; masse des batteries = 1,2 / 0,200 = 6 kg ; volume des batteries : 1,2 / 0,300 = 4 L.
Hybride rechargeable :
masse des batteries = 12 / 0,200 = 60 kg ; volume des batteries : 12 / 0,300 = 40 L.
mB = 54 kg ; VB = 36 L.
3.2.2. Le pack batterie sera installé dans le coffre. Déterminer le pourcentage volumique de réduction du coffre.
36 / 420 *100 ~ 8,6 %.
4. Synthèse : avantages et inconvénients des véhicules hybrides rechargeables.
Rédiger un texte d'une dizaine de lignes, destiné à un client potentiel, présentant les avantages et les inconvénients d'une voiture hybride rechargeable compérée à une voiture tout diesel.
Avantages : aucune émission d'hydrocarbures fumées ou particules, bilan carbone intéressant .
Economies : les batteries se rechargent pendant les phases de décélération.
Moteur électrique très fiable, dépenses d'entretien réduites.
Moteur silencieux, qui ne cale jamais ( absence d'embrayage ).
Inconvénients : coût plus élevé à l'achat, coût de la location des batteries, peu de bornes de recharge disponibles actuellement, la durée de la recharge est longue. Une voiture silencieuse n'est pas forcément un avantage pour les usagers de la route.

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