Productions pédagogiques SSI 2015-2016 Autonomie d’un système à énergie embarquée Chariot de golf à propulsion électrique Productions pédagogiques SSI 2015-2016 Lycée Henri Nominé SARREGUEMINES

Présentation générale Problématique Centres d’intérêt Organisation de la séquence (14 H) Energie : évaluer une consommation d’énergie en vue de la gérer de manière optimale CI-2 : Expérimenter et mesurer sur un système réel pour évaluer ses performances CI-5 : Concevoir et utiliser un modèle relatif à un système en vue d’évaluer les performances de la chaîne d’énergie 3 activités pratiques de 3H chacune + Synthèse 2H + Evaluation 2H + correction 1H

Documents disponibles Dossier technique Base de connaissances Fiches de guidance des activités (3) Synthèse Fichiers OpenModelica Eléments de correction Evaluation + corrigé Présentation générale Eléments constitutifs du chariot Définition du besoin et CDCF Analyse fonctionnelle Analyse structurelle Définition de la solution industrielle Définition de la solution didactisée Document constructeur moteur Batteries au plomb Moteur à courant continu à aimant permanent Inertie en rotation Réducteur roue/vis sans fin Caractérisation des besoins énergétiques d’un véhicule Zoom sur la résistance au roulement Stockage de l’énergie embarquée Analyse comparative globale Pistes de développement https://build.openmodelica.org/omc/builds/windows/releases/1.9.3/

Déroulement des activités Problématique Mise en situation Validation d’un modèle de simulation du moteur Activité 1 Validation d’un modèle de simulation du chariot Activité 2 Exploitation du modèle de simulation pour répondre à la problématique Activité 3

Mise en situation Le terrain Le matériel Le joueur

Autonomie suffisante : Problématique Assistance au joueur Sac de golf de 20 kg Distance parcourue 12 à 15 km (2 parcours) Véhicule à énergie électrique embarquée Economiser et gérer l’énergie stockée Autonomie suffisante : Optimisation des solutions dans les différentes technologies employées Connaissance précise du comportement du système

Problématique Comment peut-on évaluer en laboratoire l’autonomie de ce système à énergie embarquée, en faisant appel à un modèle de simulation de type multi-physique et à des mesures sur le système réel ?

ACTIVITE 1 Construction et validation d’un modèle de simulation du moteur

Analyse de la chaîne d’énergie du chariot ACTIVITE 1 : Construction d’un modèle de simulation du moteur Analyse de la chaîne d’énergie du chariot ALIMENTER Batterie + Chargeur DISTRIBUER Interface de puissance CONVERTIR Moteur électrique CC Ubat (V)   Ibat (A) Umot (V) Imot (A) Cmot (Nm) mot (rad.s-1) F (N) Vch (m.s-1) TRANSMETTRE Réducteur Roues Cr (Nm) r (rad.s-1)

Validation du modèle du moteur ACTIVITE 1 : Construction d’un modèle de simulation du moteur Validation du modèle du moteur Fonction CONVERTIR Construction du modèle à partir d’un modèle électrique. Mesures sur le système réel pour l’évaluation de la résistance interne du moteur Rmot (moteur bloqué, Ualim < 1V). Rmot Ualim E (fem) Imot U = E + R.I (avec I cst. ou lentement variable) E = K. Cem = K.I

Validation du modèle du moteur ACTIVITE 1 : Construction d’un modèle de simulation du moteur Validation du modèle du moteur Fonction CONVERTIR Mesures sur le système réel pour l’évaluation de la constante de couple k (chariot sur cale avec alimentation directe par la batterie)

Validation du modèle du moteur ACTIVITE 1 : Construction d’un modèle de simulation du moteur Validation du modèle du moteur Détermination du moment d’inertie du rotor (inertie équivalente) Détermination du couple de pertes (frottements + pertes fer) à partir des résultats d’un essai à vide du moteur. Finalisation du modèle de simulation du moteur

Validation du modèle du moteur ACTIVITE 1 : Construction d’un modèle de simulation du moteur Validation du modèle du moteur Utilisation du modèle pour des simulations avec différents couples résistants : conditions comparables à celles fournies par le constructeur Comparaison avec les données constructeur (Imot, Nmot pour différentes valeurs de k) Analyse des écarts entre valeurs de simulation, attendues (constructeur) et relevées sur le réel + corrections éventuelles des paramètres

ACTIVITE 2 Construction et validation d’un modèle de simulation du chariot

Identification des paramètres du modèle ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Identification des paramètres du modèle Fonction ALIMENTER Construction d’un modèle à partir d’un modèle électrique Détermination de la tension à vide du générateur et de la résistance interne de la batterie Rbat par mesures expérimentales (chariot sur cale et alimentation directe par la batterie) Rbat Ubat E Ibat

Identification des paramètres du modèle ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Identification des paramètres du modèle Fonction ALIMENTER Relevé des valeurs de Imot, Umot et Nroue dans les mêmes conditions.

Identification des paramètres du modèle ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Identification des paramètres du modèle Fonction DISTRIBUER Détermination expérimentale de la résistance des transistors MOS de commande RDS_on (en mode saturé) + calcul théorique

Identification des paramètres du modèle ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Identification des paramètres du modèle Fonction TRANSMETTRE Réducteur de vitesse roue/vis sans fin Calcul rapport de transmission Calcul rendements Chariot + Roue motrices Masses et Inerties Calcul rapport de transformation (Rotation  Translation)

Identification des paramètres du modèle ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Identification des paramètres du modèle Résistance à l’avancement Mesure expérimentale de la résistance à l’avancement (avec charge de 20 kg).

Validation du modèle du chariot sur cale ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Validation du modèle du chariot sur cale Simulation du fonctionnement (masse et force résistante nulles) Comparaisons avec les mesures sur système réel Evaluation des écarts et réajustement éventuel du modèle Imot Umot Vch

Validation du modèle du chariot en charge ACTIVITE 2 : Construction d’un modèle de simulation du chariot Validation du modèle du chariot en charge Test en déplacement avec charge 20 kg alimentation directe avec la batterie Simulation avec modèle Conclusion : éléments ou phénomènes non pris en compte, valeurs de paramètres discutables. Imot  5,12 A Umot  12,67 V Vch  6,62 km/h Umot Imot 11.25 6.49 11.20 6.11 11.23 6.56 11.10 6.91 Val. moyenne Umot = 11,20 V Val. moyenne Imot = 6,44 A Vch 7 km/h

ACTIVITE 3 Exploitation du modèle de chariot pour estimer l’autonomie (Réponse à la problématique)

Evaluation de l’énergie consommée par simulation ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Evaluation de l’énergie consommée par simulation Définition d’un scénario d’utilisation Vitesse de croisière Nombre de démarrages Pentes Résistance à l’avancement (avec pneus sur terrain) Durée de fonctionnement du chariot

Evaluation de l’énergie consommée par simulation ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Evaluation de l’énergie consommée par simulation Mise en place de blocs intégrateurs dans le modèle pour mesure : Du déplacement De l’énergie consommée

Evaluation de l’énergie consommée par simulation ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Evaluation de l’énergie consommée par simulation Simulation (avec modèle correspondant aux valeurs et comportement du chariot du labo.) Evaluation de la valeur du rapport cyclique pour une vitesse de croisière de 4 km/h Réglage de la vitesse de croisière (rapport cyclique)  = 0,928 (92,8 %)

Evaluation de l’énergie consommée par simulation ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Evaluation de l’énergie consommée par simulation Simulation (avec modèle correspondant aux valeurs et comportement du chariot du labo.) Evaluation de la consommation d’énergie pour un déplacement « élémentaire » (1 accélération et déplacement de 75 m) Evaluation énergie totale (2 parcours = 200 déplacements élémentaires) Qa = 0,14835 A.h

Capacité de la batterie ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Capacité de la batterie Capacité nominale de la batterie Capacité réelle de la batterie Comparaisons, conclusion sur la capacité de la batterie et du chariot du labo. à remplir les critères du CDCF 3,075  85 %

Evaluation de l’énergie consommée par simulation ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Evaluation de l’énergie consommée par simulation Simulation (avec modèle correspondant aux valeurs et comportement du chariot « constructeur ») Evaluation de la valeur du rapport cyclique pour une vitesse de croisière de 4 km/h Réglage de la vitesse de croisière (rapport cyclique) Evaluation de la consommation d’énergie pour un déplacement « élémentaire » (1 accélération et déplacement de 75 m) Evaluation énergie totale (2 parcours = 200 déplacements élémentaires) Qa 0,084 A.h   0,6

Capacité de la batterie ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Capacité de la batterie Capacité réelle de la batterie Comparaisons, conclusion sur la capacité de la batterie et du chariot « constructeur » à remplir les critères du CDCF 1,81  95 %

ACTIVITE 3 : Exploitation d’un modèle de simulation Conclusion globale Ecart 1 Ecart 2 Ecart 3 Performances chariot du labo Performances chariot « constructeur » Conditions pour garantir l’autonomie annoncée Tendances conception nouveaux chariots

Pistes à développer Mesures Modèles Simulations Effort résistant en conditions réelles (terrain) Couples sur les roues Evaluation rendement réducteur Inductance moteur Mesures Batterie Interface de puissance Commande MLI Modèles Cycles de charge et décharge Montée et descente d’une pente Simulations Dernière minute : incertitudes de mesures….?!?

SYNTHESE Comparatif de batteries : - batteries au plomb Caractérisation des besoins énergétiques d’un véhicule Zoom sur la résistance au roulement Stockage de l’énergie embarquée Analyse comparative globale Pistes de développement Comparatif de batteries : - batteries au plomb - batteries Li-ion - batteries Li-Po - batteries Li-Fe-PO4 Essence/Diesel Hybrides Lithium Air comprimé Allègement de la masse et coefficient spirale Pile à combustible (PAC) à hydrogène Une vidéo (14 minutes)

EVALUATION Fauteuil roulant électrique (Inspiré du sujet baccalauréat SSI - 2005) 1 Détermination de certaines caractéristiques du moteur : résistance interne, constante de couple. 2 Détermination du couple moteur nécessaire à la mise en rotation d’une roue du fauteuil. 3 Détermination de la consommation énergétique du fauteuil 4 Vérification de l’autonomie de la batterie vis-à-vis du CdCF 5 Conclusion : validation choix motoréducteur + batterie

Les documents Dossier Technique + Base de connaissances Activité 1 Activité 2 Activité 3 Corrigés

Les documents Modèles + paramètres + codes

Les documents Evaluation Synthèse Corrigé 36

Organisation des ressources Métadonnées descriptives des ressources Les documents La séquence Organisation des ressources 37

Merci pour votre attention