SUNITEC Dossier Technique 2014

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1 SUNITEC Dossier Technique 2014 TABLE DES MATIÈRES 1 PRÉSENTATION 1.1 RAPPEL SUR LE CAHIER DES CHARGES IMPOSÉ DANS LE RÈGLEMENT PRÉSENTATION DE L'ÉQUIPE 2 PLANNING DU PROJET 3 ETUDES PRELIMINAIRES ET CHOIX TECHNIQUES 4 VEHICULE FINAL 4.1 RÉALISATION Les roues La direction Le châssis Le moteur Le support des cellules solaires et panneau solaire Le reste de la carrosserie PARTIE ÉLECTRIQUE / ÉLECTRONIQUE Les cellules solaires Les batteries PHOTOGRAPHIES

2 1 Présentation : Le module solaire décrit dans ce dossier technique est un véhicule radio-commandé, alimenté à l'aide d'énergie solaire. Le véhicule est prévu pour participer au concours du «Défi solaire» se déroulant le 23 Mai à la Cité de l'espace. A ce titre, il répond au cahier des charges fixé dans le règlement du concours disponible ici Le dossier technique présente les choix techniques, les schémas de réalisation ainsi que des photographies du véhicule et des différents composants (utilisés ou simplement testés) Rappel sur le cahier des charges imposé dans le règlement 2014 Le cahier des charges auquel les véhicules doivent se conforter pour pouvoir participer est décrit dans le règlement Les points principaux sont les suivants: Dimensions maximales du véhicule, appendices compris: Longueur 85 cm, largeur 55 cm et hauteur 80 cm Poids minimal du véhicule, sans ses batteries: 1,5 kg Garde au sol au niveau du pare-chocs avant : 6 cm Énergie principale: solaire Des batteries peuvent être incorporées au véhicule, mais doivent être vides au démarrage de l'épreuve. Le véhicule doit être capable de franchir une pente de 20. Présentation de l'équipe Le véhicule a été conçu et réalisé par la classe STI2D ITEC 114 du lycée Pierre Paul Riquet. Le rôle de ce projet est de faire découvrir et partager la passion pour la robotique et le modélisme, au plus grand nombre. Les membres qui ont participé à la réalisation de ce projet sont : - Blanchard Théo - Gamel Maxime - Bouhlel Zied - Gazel Nelson - Brochut Martin - Guennegues Louis - Cancé Maxime - Halbout Louis - Contrasti Lucas - Jeanin Elie - Desenclos Florian - Lassauge Robin - Dupressoire Valentin - Laville Louis - Dutrey Boris - Monteiro Alexis - Fernandez Hugo - Pineau Valentin - Proust Iris - Chanut Jean-Luc ( professeur )

3 2 Planning du projet De manière assez classique, la réalisation du projet va se dérouler en 4 grandes phases 1. Etudes préliminaires: Analyse des expériences précédentes, et des autres concurrents. A partir de cette analyse, on choisit les orientations technologiques, que l'on va modéliser. L'objectif est d évaluer la difficulté de réalisation ainsi que le poids final de diverses solutions 2. Réalisation sous SolidWorks : Les pièces seront modélisés sur ordinateur pour valider les choix technologiques faits précédemment. Il permet de vérifier la difficulté de réalisation et une première évaluation du poids. 3. Véhicule final: Suite aux modélisations et aux différents tests sur les composants, le véhicule final devrait être irréprochable et fiable. 3 Etudes préliminaires et choix techniques Cette année, le cahier des charges que l'on se fixe (en plus du règlement) est d'obtenir une voiture rapide tout en étant le plus léger possible, sans trop sacrifier la fiabilité., cela veut dire se rapprochant le plus possible du poids minimal. Le retour d expérience des années précédentes, combiné avec notre cahier des charges nous oriente vers les choix technologique initiaux suivants: Carrosserie: En polystyrène extrudé, les pare-chocs et autres éléments de carrosserie sans contrainte mécanique en polystyrène expansé 3 roues: Ca peut paraître étrange, vu que la plupart des véhicules présentés au Défi Solaire en ont 4 et ont une bonne tenue de route, mais enlever une roue, c'est enlever du poids. Direction: A l'avant, il aurait été plus avantageux de faire une direction arrière mais ce choix technique n'a finalement pas été retenu. Panneau solaire: 18 cellules de 0,5V montées directement sur le châssis. Transmission: Directe, sans réducteur. Suspensions: Avant et arrières serrés le plus possible. La réalisation a commencé vers avril 2014, avec la réalisation d'un premier prototype. Pour rappel, le prototype sert à valider les choix technologiques ainsi qu'à vérifier la consommation électrique de l'ensemble, en lestant le véhicule (pour simuler le poids du panneau).

4 4 Véhicule Final Réalisation Comme nous ne somme pas à notre première participation, on a déjà validé plusieurs solutions les années précédentes. Cette année, les choix s orientent surtout vers la fiabilisation du matériel ainsi que éviter des problèmes rencontrés l année dernière. Les roues Le choix se fait chaque année, assez classiquement, entre 3 et 4 roues. L'année précédente, nous étions partis sur un véhicule à trois roues. Plus simple mécaniquement, le véhicule devait offrir aussi moins de résistance au roulement. Or, le retour d expérience des années précédentes a montré que cette solution technique était plus simple à mettre en œuvre. Mais un véhicule à 3 roues pose un problème : généralement, le moteur est monté sur la troisième roue arrière. Si la voiture «grimpe» sur un des rails de protection du circuit, la roue arrière à de forte chance de ne plus toucher la route. Au niveau des roues, plusieurs possibilités s offrent à nous. La matière : mousse ou gomme? Les pneus mousse ont une super adhérence, sont légers mais s usent vite. Les pneus gomme sont un peu plus lourds, adhères un peu moins mais se dégradent beaucoup moins vite. Notre objectif étant principalement de gagner l'épreuve d'endurance, nous avons choisis de miser sur des pneus gommes qui tiendront plus longtemps, quitte à diminuer légèrement notre performance. Coté diamètre : Le plus simple à trouver et le moins cher : 60 mm pour modèle piste. La direction Comme les années précédentes, la voiture sera à trois roues. Le train avant sera directionnel. Ca fonctionne mais pour l épreuve du slalom, ca ne permet pas des rayons de braquage très important. Le châssis On reprend la solution testée l année dernière, à savoir monter l ensemble des trains roulants directement sur le panneau. Rien d original la dessus. Le moteur Le moteur c est le composant principal du véhicule. Les contraintes à respecter pour le moteur sont assez incompatibles. Il faut qu il soit léger, avec un grand couple, une vitesse de rotation maximum élevée mais sans trop consommer de courant. Quand on sait que le couple d un moteur augmente avec sa consommation électrique et que la vitesse d un moteur augmente avec sa tension d alimentation, on comprend qu'il est difficile de trouver le moteur avec le meilleur rapport poids/puissance/consommation. Vu que la batterie et le panneau solaire fournissent du courant continu, on va s orienter vers des moteurs à courant continu. Il en existe 2 types : Classique ou «brushless» : C est le moteur électrique de base, avec un collecteur pour le faire tourner. Le rotor est composé de bobine, dont les phases sont commutées en fonction de la position du moteur grâce au collecteur. Le stator est composé d aimants

5 permanents. Les rendements peuvent être assez médiocres (moins de 65 %) à très bons pour des moteurs de précision à bobinage en cage à hamster dont les performances atteignent et dépassent parfois les 80 %. Brushless : Dans ce cas, le moteur est monté en inverse par rapport au brushless, les aimants permanents formant le rotor, les bobines se trouvant sur le stator. Ici, plus de collecteur, les trois fils des différentes phases sont accessibles. A charge pour un circuit externe de se substituer au collecteur et veiller à commuter correctement les phases pour faire tourner le moteur. Comme il n y a pas de frottement, les rendements sont tout de suite assez bons, même pour de moteur de faible qualité, allant en général de 75 % à plus de 80 % pour de très bons moteurs. L expérience des années précédente a montré que pour être compétitif, la seule solution, c est le moteur brushless. Par contre le risque d un moteur brushless sans capteur (ceux de modélisme donc), c est que le couple au démarrage demandé au moteur soit trop important (réduction trop faible, voiture lourde ou en côte) et que le contrôleur ne puisse pas lancer le moteur. Le support des cellules solaires et panneau solaire Pour cette nouvelle participation, nous avons décidé de créer un panneau de support neuf, celui de l'année précédente étant abîmé et scotché de partout ce qui n'indique pas une bonne résistance Les cellules seront donc montées sur un panneau en composite. Les cellules sont fixées grâce à du scotch double face. Les connections électriques sont faite avec de la tresse à dessouder étamée, deux sur le dessus, de en dessous reliées entre elle par un troisième brin. Le reste de la carrosserie Le reste de la carrosserie est faite soit en matériau isolant pour tuyaux (pare choc) soit en chute de panneau de polystyrène (protection moteur, de servo, surface pour le numéro du véhicule et les sponsors, protection du panneau solaire). Les pièces sont collées avec un pistolet à colle chaude. Certes c est un peu plus lourd mais l assemblage est très rapide et très solide. Partie électrique / électronique La partie électrique d un véhicule solaire photovoltaïque se résume au câblage des cellules, au choix des batteries, au choix du contrôleur de moteur et au système de gestion d énergie (charge de la batterie / gestion de l énergie en course. Détaillons ces différents points. Les cellules solaires Coté cellules solaires, on a la possibilité entre plusieurs technologies: Les cellules amorphes: De couleur noire ou bleue très foncée, légèrement rugueuses au touché, ces cellules offrent des rendements assez moyens, de l ordre de 7 à 10 %. Par contre, leur rendement s écroule moins vite sous faible luminosité que d autres technologies. Les cellules polycristallines: Ici, le silicium se trouve sous une forme cristalline (par opposition aux cellules amorphes), mais en refroidissant, plusieurs cristaux ont été générés. Elles sont de couleur bleu marine, avec des effets de plaque de nuance de bleu légèrement différents. La surface est lisse au touché. Les rendements vont ici de 12% à presque 16 %.

6 Ce sont les cellules qui présentent le meilleur rapport rendement/prix. Les cellules monocristallines: Même procédé que pour les polycristallines, sauf qu ici, le refroidissement du silicium, plus lent et contrôlé, permet d éviter que plusieurs cristaux ne se forment. Un seul est généré. La couleur est bleu marine, uniforme et la surface est lisse au touché. Les rendements sont un peu supérieurs aux polycristallines et peuvent du coup atteindre les 18 %, 20% pour des cellules très ciblés. Sensiblement plus chers que des cellules polycristallines. A noter enfin que les cellules classiques (amorphe, mono et polycristallines) sont majoritairement sensibles aux fréquences lumineuses dans le rouge et proche infrarouge. L éclairement d un panneau sous une lumière fluorescente est donc assez décevant en termes d énergie récupéré. Nous avons choisi de se servir dans les stocks du magasin de notre lycée où nous avont trouvé une quarantaine de cellules monocristallines. Nous aurions préferé nous servir de polycristallines mais le budget nécessaire à l'achat de 40 de ces cellules est trop élevé. Les batteries La charge d une batterie NI-MH est assez simple : c est une charge à courant constant jusqu à ce que le courant atteigne 0 et de toute façon, ces batteries sont assez robustes pour résister à des charges sauvages et des surcharges. Mais elles sont lourdes (6 éléments + le coupleur = 360 grammes). La charge d une batterie Li-Po est beaucoup plus subtile. C est d abord du courant constant jusqu'à 4.2 volts et ensuite à tension constante jusqu'à un courant nul (en fait inférieur à 0.05 C). En plus elles sont sensibles aux surcharges et peuvent prendre feu. Mais leur poids est moitié moindre que les NI-MH. Le choix s est donc portés sur des cellules Li-Po 5 Photographies Photos de l'équipe au travail : La modélisation SolidWorks

7 Gestion du blog et articles de l'équipe Tests des matériaux sur ordinateurs Etude de l'ancienne voiture

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