Mise en fonction didactique d une borne de recharge Schneider pour véhicules électriques

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1 Mise en fonction didactique d une borne de recharge Schneider pour véhicules électriques "Les nouveautés apparues avec LabVIEW 2012, notamment les sous-vis du menu «Electrical Power», facilitent énormément le développement des notions liées à l énergie. " - Christophe JASMIN, LYCÉE JULES VIETTE ( L'objectif : Développer une instrumentation pertinente pour «didactiser» une borne de recharge afin que les élèves de la série STI2D et les étudiants de BTS Électrotechnique puissent appréhender les évolutions nécessaires de la société autour des véhicules électriques. La solution : Exploiter, via un module d acquisition de données NI USB-6008, les informations nécessaires à la problématique de la consommation de l énergie électrique via, et simuler, avec l environnement NI LabVIEW 2012, différents scénarios de recharge de véhicules électriques afin de trouver le meilleur compromis technico-économique. Auteur(s) : Christophe JASMIN - LYCÉE JULES VIETTE ( Lionel COMTET - LYCÉE JULES VIETTE ( Avec le Grenelle de l environnement, le Gouvernement a fait du développement des véhicules «décarbonés» une priorité importante de sa politique de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Le Ministre d État, Ministre de l écologie, de l énergie, du développement durable et de la Mer, en charge des technologies vertes et des négociations sur le climat, Jean-Louis BORLOO, et le Ministre chargé de l industrie, Christian ESTROSI, ont présenté le 1 er octobre 2009 un plan national pour faire circuler 2 millions de voitures électriques et hybrides rechargeables en Ce plan comporte 14 actions concrètes visant à intensifier l effort de recherche, favoriser l émergence de l offre industrielle, stimuler la demande et déployer une infrastructure de recharge pour les véhicules «décarbonés». Prendre en compte la sécurité des personnes et des biens Si l entrée du véhicule électrique dans le quotidien des usagers ne révolutionnera pas leurs habitudes, elle les confrontera à des situations nouvelles et potentiellement dangereuses. En effet, recharger un véhicule électrique ou hybride n est pas un geste anodin étant donné la puissance de charge impliquée. La prise et le système de recharge associé constituant l interface avec le réseau électrique, leur choix est crucial pour la sécurité des personnes et des biens. Un système didactique pour la filière baccalauréat STI2D Le LYCÉE VIETTE a didactisé une borne de recharge afin de permettre aux élèves de la filière baccalauréat STI2D d appréhender les différentes problématiques liées à la recharge des véhicules électriques (notions mises en œuvre, consommation, coût, qualité de l énergie électrique, communication borne et chargeur...). Le choix a été fait de pouvoir donner l opportunité aux élèves de réaliser des mesures en temps réel mais également de pouvoir simuler des scénarios de recharge afin de gagner du temps dans les phases d étude. Par la suite, une comparaison de la simulation et de la réalité peut être réalisée et donner lieu à des conclusions et perspectives particulièrement intéressantes. Acquérir les signaux électriques en sortie de la borne de recharge Les grandeurs électriques de base, courant et tensions instantanées consommées, sont récupérées par des capteurs adaptés et transmises au module NI La mise en œuvre, extrêmement simple, et le coût réduit du module, nous ont incités à le laisser à demeure dans la borne. Un temps précieux est donc gagné lors des séquences d études où il n y a pas besoin de câbler des appareils de mesure : seule une prise USB suffit pour l alimentation du module et la récupération des données. Les nouveautés apparues avec LabVIEW 2012, notamment les sous-vis du menu «Electrical Power», facilitent énormément le développement des notions liées à l énergie (consommation, puissances, qualité de l énergie...). Toutes les notions importantes telles que les différentes puissances (active, réactive et apparente), la tension et le courant consommé, ou encore le facteur de déplacement, peuvent être mesurées. Par la suite, il a suffi par une boîte de calcul adapté, de définir les équations afin d être capable de fournir la quantité d énergie et le coût de la recharge. Simuler des phases de recharge pour gagner du temps d étude Une des problématiques rencontrées a été de mettre au point des modèles de simulation permettant d évaluer le coût de la recharge suivant les différents tarifs de l opérateur (base, heures creuses, tempo...). En effet, il aurait été impossible lors de séquences d enseignement de deux ou trois heures de réaliser complètement une recharge de véhicule afin de connaître le coût exact. Le choix a été fait de travailler sur une face-avant ressemblant fortement à celle liée aux mesures réelles. L élève, à partir descaractéristiques du chargeur du véhicule ou de mesures réelles, doit paramétrer les niveaux de tension, courant, coût du kwh... Il suffit alors de lancer la simulation en réglant le temps de simulation (de 1 à 100). Au bout de quelques minutes, des résultats avec l énergie consommée et le coût de la recharge sont alors disponibles. Une séquence d enseignement de 3 heures permet par exemple à un élève, à partir de caractéristiques d un véhicule électrique,d indiquer à un éventuel client le coût approximatif de la recharge et de conseiller le tarif à souscrire auprès de l opérateur. Étudier la qualité de l énergie avec un analyseur harmonique Les chargeurs de véhicule électrique n étant pas toujours des récepteurs à absorption sinusoïdale, il nous a semblé intéressant d étudier le régime harmonique du courant consommé par la borne. Le choix a été fait de réaliser un analyseur harmonique qui peut travailler soit à partir de la mesure du courant sur le système, soit à partir d une simulation. LabVIEW permet de visualiser le spectre des grandeurs et de montrer la distorsion harmonique. Le VI permet aussi de mettre en évidence le rôle du fondamental dans le transfert de puissance, de présenter la notion de puissance déformante et de différencier le facteur de puissance et le facteur de déplacement. Pour faciliter la compréhension des harmoniques, un onglet calcule les coefficients de Fourier et permet la synthèse d un signal à partir de ses harmoniques. Ce VI permet également d illustrer le phénomène de Gibbs et de rappeler les conditions nécessaires au développement en série de Fourier d un signal. Étudier la communication entre la borne et le chargeur La borne Schneider peut recharger des véhicules équipés d un circuit de branchement de type mode 3. Le véhicule est branché directement sur le réseau électrique via un socle et une prise spécifiques et un circuit dédié. Une fonction de contrôle et de protection est également installée de façon permanente dans l installation. Cette fonction est matérialisée par un fil pilote qui assure la communication entre la borne de recharge et le chargeur du véhicule électrique. Un VI permet d étudier cette fonction soit par mesure, soit par simulation. L élève devra respecter la procédure édictée par la norme pour réaliser la simulation. On envisage une extension à ce VI pour étudier l échantillonnage des signaux car la fréquence du signal est de 1 khz. Une réelle satisfaction Les objectifs souhaités, à savoir être capable de récupérer les informations liées à la chaîne d énergie, ont été atteints. La réelle satisfaction a été de 1/8

2 Les objectifs souhaités, à savoir être capable de récupérer les informations liées à la chaîne d énergie, ont été atteints. La réelle satisfaction a été de constater qu avec un module bas coût et les nouveautés liées à LabVIEW 2012, il est possible de «générer» la grande majorité des appareils nécessaires à l analyse des signaux électriques : multimètre, wattmètre, analyseur de réseau... et le tout avec des faces-avant de belles factures! Novembre 2012 Informations sur l'auteur : Christophe JASMIN LYCÉE JULES VIETTE ( 1B, rue Pierre Donzelot Montbéliard France Tél : +33 (0) christophe.jasmin@ac-besancon.fr (mailto:christophe.jasmin@ac-besancon.fr) 2/8

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4 Borne de recharge électrique didactisée 4/8

5 Module NI USB-6008 implanté dans la borne Face-avant du VI LabVIEW traitant les informations de la chaîne d énergie 5/8

6 Face-avant du VI LabVIEW permettant de simuler la chaîne d énergie Face-avant du VI LabVIEW permettant de visualiser les signaux en sortie de la borne de recharge 6/8

7 Face-avant du VI LabVIEW permettant d étudier la qualité de l énergie Face-avant du VI LabVIEW permettant d étudier les différentes puissances 7/8

8 Face-avant du VI LabVIEW permettant la synthèse du signal Face-avant du VI LabVIEW permettant l'étude de la communication Législation Cet article a été rédigé par un utilisateur de National Instruments ("NI"). IL EST FOURNI "EN L'ÉTAT" SANS AUCUNE GARANTIE ET EST SOUMIS À CERTAINES RESTRICTIONS COMME PLUS SPÉCIFIQUEMENT DÉTERMINÉES DANS LES CONDITIONS D'UTILISATION DE NI.COM ( ( 8/8