CORRIGE DEVOIR: Energie et puissance pour une moto électrique «Quantaya»

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1 DEVOIR: Energie et puissance pour une moto électrique «Quantaya» Expression du besoin : La moto électrique Quantaya : «des motos qui ont du jus» La STRADA EVO 1 est fabriquée par une société SUISSE, située à LUGANO. Moyen de transport alternatif, peut être la solution pour concilier contraintes environnementales et pratique sportive en pleine nature. Un subtil compromis entre VTT et MOTO. Absence de pollution atmosphérique (pas d émission de CO2) et pas de pollution sonore. Il s agit d un trail, utilisable dès 16 ans, pouvant atteindre une vitesse de pointe de 70 km/h, soit l équivalent d une moto conventionnelle de type 80 cm 3. Deux modèles homologués dont une version sportive : modèle «TRACK» vont être mis sur le marché très bientôt. On vous demande donc de vérifier les performances et les caractéristiques de la moto électrique en vue de l homologation future. I - Activités : Spécificité de la moto électrique Quantaya Présenter, rechercher ( ) et justifier ( ) les calculs (les tracés et résultats sur les courbes devront rester apparents). La motorisation de la moto Quantaya est électrique. Cette particularité impose une conduite spécifique, puisque les commandes ne sont pas parfaitement identiques à une moto à moteur thermique. Sur les motos traditionnelles (moteur thermique), le rôle de l embrayage est principalement de permettre le démarrage de la moto, en permettant au moteur d être à un régime de rotation assez important. A partir des courbes du couple en fonction de la vitesse de rotation (voir Document Technique DT2) et de vos propres observations, expliquer : I 1 : - Expliquer pourquoi l embrayage existant sur toutes les motos «classiques» n est pas utile pour ce type de motorisation électrique. Pour le moteur Thermique, il faut «lancer» le moteur et dès qu il a atteint une vitesse suffisante, on accouple la charge car le couple de démarrage d un moteur thermique est faible au démarrage. Ce qui n est pas le cas pour notre motorisation électrique Cd = constante > 30 N.m I 2 : - Déterminer le couple maximum sur le DT2 : Ctherm(max) pour la motorisation thermique, et Célec(max) pour la motorisation électrique Célec(max) = 35 N.m (Motorisation électrique) et Cther(max) = 17,5 N.m (Motorisation thermique) Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 1/7

2 I 3 : - Déduire sur le graphique (DT2), la vitesse de rotation minimale Nmini et maximale Nmaxi qui correspond à 60 % du couple maximum de la motorisation thermique (60 % du couple maximum correspond à la zone où le couple moteur est satisfaisant pour bien avancer). C60% therm = 0,6. Cther(max) = 0,6. 17,5 = 10,5 N.m Aprés avoir réalisé les tracés, on trouve Nmini 60% = tr/min (voir graphique) et Nmaxi 60% = tr/min (voir graphique) I 4 : - Calculer l étendue de vitesse de rotation notée : Etherm avec Etherm = Nmaxi Nmini. Etherm = Nmaxi Nmini = = tr/min I 5 : - Exprimer cette étendue en pourcentage de la vitesse de rotation maximale (N maxi) pour la motorisation thermique. Que peut-on constater? Etherm N maxi = (3 800 / 9 500). 100 = 40 % Comme il faut que le moteur thermique tourne à plus de tr/min pour avoir un couple suffisant, embrayer et donc déplacer la moto et son conducteur, on constate que la plage de vitesse disponible est petite. I 6 : - Le constructeur Quantaya n a pas jugé bon d équiper sa moto d une boite de vitesse. Argumenter en quelques lignes les raisons de ce choix : Pour la moto électrique, la vitesse de rotation au démarrage est réduite mais le couple est important (même au démarrage) N = 0 tr/min au démarrage et Cdémarrage = 35 N.m donc pas besoin d embrayage! II - Performances de la moto électrique Quantaya Le déplacement de la moto électrique à puissance maximale peut être schématisé comme suit : Moteur électrique Pm Nm par courroie Réduction r 1 1 = 0,88 P1 N1 par chaîne Réduction r 2 2 = 0,95 P2 N2 Contact roue/sol Rayon de la roue arrière R 3 = 0,93 P3 Déplacement de la moto : vitesse V3 La vitesse maximale est obtenue pour la valeur maximale de la puissance du moteur Pm = 10 kw à la vitesse de rotation Nm (Nm = Nmoteur)= tr/min. S aider des Documents Techniques DT1 & DT2 pour répondre aux questions : II 1 : - Calculer les rapports de réduction r1 et r2 des transmissions. r1 = Menante = Zc Menée Zc = 30 Menante = 0,6 = r1 et r2 = 50 Menée = Zd Zd = = 0,3 = r2 II 2 : - Calculer les vitesses de rotation N1 et N2. Comme r1 = Nfinal Ninitial = N1 Nm alors N1 = r1. Nm = 0, = tr/min et comme r2 = N2 N1 alors N2 = r2. N1 = 0, = 546 tr/min Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 2/7

3 II 3 : - A partir de la vitesse de rotation de la roue N2 = Nroue (que l on prendra égale à 546 tr/min quelque soit la valeur trouvé précédemment), en déduire la vitesse linéaire V3 de la moto. Comparer avec les données du constructeur V3 = Rroue. ω2 = Droue. ( 2.. N2 /60 ) = 0,57. ( / 60 ) = 16,3 m/s = V3, 2 2 soit en km/h, V3 = 16, / = 59 km/h, soit une vitesse un peu plus faible que celle annoncée par le constructeur (70 km/h, qui peut changer suivant les rapports de transmissions retenus...). II 4 : - Calculer le rendement global glob de l ensemble de la transmission du mouvement. glob = = 0,88. 0,95. 0,93 = 0,777 = glob II 5 : - Sachant que glob = P3, déterminer la puissance P3 disponible à la roue arrière. Pm glob = P3 Pm donc P3 = glob. Pm = 0, = W = 7,77 kw = P3 II 6 : - En déduire le couple transmis à la roue arrière. P3 = Croue. ωroue donc Croue = P3 / ( 2.. N2 /60 ) = / ( ) = 136 N.m = Croue II 7 : - En déduire la force tangentielle transmise par la roue pour réaliser le déplacement de la moto et du conducteur (prendre en compte la vitesse donnée par le constructeur). Croue = Froue. Rroue donc Froue = Croue Rroue = 2.Croue Droue = ,57 = 477 N = Froue III - Motorisation et commande de la moto électrique Quantaya Dans cette partie, nous allons nous intéresser aux caractéristiques et à la commande du moteur électrique de la moto, ainsi qu à sa source d énergie (batterie), voir Document Technique DT3. III 1 : - Caractéristiques et choix du moteur de la moto électrique. Pour un couple moteur Cm de 31,5 N.m, déterminer : - l intensité consommée par le moteur : I = 175 A (STROM) - La vitesse de rotation : N = tr/min (SPEED) - La puissance utilisée : Pu = W (MECHANICAL POWER) - Le rendement du moteur : m = 88 % (EFFICIENCY) III 2 : - En déduire la puissance totale «Pa» consommée par le moteur en tenant compte du rendement «m» et de la puissance utilisée «Pu». m = Pu / Pa donc Pa = Pu / m = ,88 = W III 3 : - Calculer la tension d alimentation de la batterie de la moto pour la puissance «Pa» pour son courant consommé «I». Pa = U.I donc U = Pa I = = 48,7 V Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 3/7

4 III 4 : - Calculer la capacité de la batterie (en A.h) à mettre en œuvre pour un courant consommé (par le moteur de la moto électrique) de 175 A environ en usage intensif sur piste. Capacité de la batterie = Iconsommée. temps de course = ,75 = 131,2 A.h donc 140 A.h de capacité normalisée. III 5 : - Déterminer le courant de charge du chargeur de la batterie. Capacité de la batterie temps de charge du chargeur = Courant débité = 140 / 1,5 = 93,3 A IV Analyse structurelle de la moto électrique Quantaya IV 1 : - Compléter les mots manquants dans les définis par les images sur l analyse structurelle suivante: Moteur DC, Batterie, Hacheur de tension (qui réalise une fonction de variateur de vitesses), par courroie, par chaîne, Chargeur, Poignée de commande, Tableau de bord. Poignée de commande Tableau de bord Roue arrière Chargeur de batterie par chaîne Batterie Hacheur de tension Moteur DC par courroie Roue arrière entraînée par la motorisation /4 Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 4/7

5 Document Technique DT 1 : Caractéristiques Techniques de la Moto PROPULSION : PRÉSENTATION GÉNÉRALE Moteur : - Marque : Lynch Motor Company LTD. - Type : Axial GAP D.C. brush, LEM Q 48 V. Batteries : - Polymère au lithium rechargeable. - Autonomie selon utilisation : 45 à 180 minutes. - Recharge : environ 90 minutes. Performances : - Puissance moteur maxi : 12 kw soit 16 ch. - Couple moteur maxi : 35 N.m. - Vitesse maxi de la moto: 70 km/h. DIMENSIONS : Empattement : mm. Masse : - 95 kg. Hauteur de selle : mm. FREINS : Frein avant : - Simple disque avant ø 260 mm à étrier. Frein arrière : - Simple disque ø 200 mm à étrier. Spécificité : - Les freins sont commandés à partir de leviers au guidon comme ceux d un vélo. TRANSMISSION : Primaire : - Par courroie. Boîte de vitesse : - Sans. Secondaire : - Par chaîne. Embrayage : - Sans. PARTIE CYCLE : Cadre : - Double berceau tube acier. Suspension avant : - Fourche télescopique inversée. Suspension arrière : - Bras oscillant bilatéral tube acier à section rectangulaire. - Amortisseur central à biellettes de démultiplication d efforts. Débattement avant / arrière : mm / 280 mm. Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 5/7

6 Document Technique DT 2 : Caractéristiques Technique de la PRÉSENTATION DÉTAILLÉE a c b e d SYNOPTIQUE Consigne de puissance Batteries (a) Moteur (b) par Poulie-courroie crantée (c) par chaîne (d) Roue arrière (e) Énergie électrique Batterie COURBES COMPARATIVES : moteur électrique piloté / moteur thermique C m en N.m Moteur électrique 20 C therm(max) = 17,5 N.m Moteur thermique 10 0 C 60% therm = 0,6. C ther(max) = 0,6. 17,5 = 10,5 N.m N maxi = 9500 tr/min 2000 N en tr/min N min i60% = 5300 tr/min = 9100 tr/min N maxi 60% Utilisation : Trois quarts d heure en usage intensif sur piste, elle dépasse les deux heures en balade. Chargeur de batterie : La durée de recharge de cette batterie est de 90 minutes maximum pour une tension de 50 Volts, avec 1000 cycles de charge possible ; soit l équivalent d environ km (selon utilisation). Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 6/7

7 Document Technique DT 3 : Caractéristiques de la Motorisation 48 V DC Rendement du moteur m = 88 % Pm = Pu = 7500 W Couple nominal = 31,5 N.m Nm = 2100 tr/min Intensité = 175 A Energie et puissance : Moto électrique Quantaya 7/7