DIMENSIONNEMENT DU RACK BATTERIE
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- Yves Robillard
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1 Partie C DIMENSIONNEMENT DU RACK BATTERIE Calcul de l énergie embarquée dans le rack batterie Choix de la technologie de batterie Etude économique Ce dossier est constitué de : - 7 pages numérotées de C1 à C7 (Questionnement) - 1 page numérotée de DT C1 (Documents techniques) C 1
2 C1 : Calcul de l énérgie embarquée dans le rack batterie Objectif : A partir d un profil de parcours et d un cahier des charges, on vous demande de calculer l énergie embarquée dans le rack batterie. Cahier des charges : Masse du véhicule hors batterie : 400 kg Puissance maximale batterie : 24 kw Profondeur de décharge : 80 % Puissance moyenne accessoires (feux, chauffage, essuie glace,..) suivant utilisation : 250 W Autonomie souhaitée : 100 km Tension du rack : 72V DC Moteur Rack batterie Trajet d un parcours dans la ville de Montbéliard (25) d une distance de 10,6 km. Durée : 23 min début fin C 2
3 Le rendement de la chaîne d énergie est identique quel que soit le mode de transfert de l énergie et est égal à 77 %. C1.1 Indiquer par une flèche le sens de l énergie pour la traction et la récupération Traction Batterie Convertisseur DC/DC Moteur Récupération On donne ci-dessous la distribution de puissance relevée au niveau de l essieu lors du parcours. Distribution de puissance (%) , , , ,21 6,14 0,37 0,81 2,38 1,1 0,12-38,96-31,16-23,37-15,58-7,79 4,62 9,24 13,86 18,48 23,1 Puissance (kw) Exemple : pendant 42,5 % du temps du parcours, l essieu a développé 4,62 kw. C1.2 Calculer la puissance P1 que doit fournir la batterie lorsque la puissance mécanique relevée sur l essieu est égale à 9,24 kw. P1 = 9,24 / 0,77 = 12 kw C 3
4 C1.3 Calculer la puissance P2 restituée à la batterie lorsque la puissance mécanique relevée sur l essieu est égale à 15,58 kw. P2 = -15,58 * 0,77 = - 12 kw (compter juste si puissance avec signe + ou -) C1.4 Calculer la puissance moyenne P bat au niveau de la batterie pour le parcours. <P bat > = (4,62*42,5 + 9,24*14, ,86*6, ,48*1,1 + 23,1*0,12) / (100 *0,77) [(-7,79*23,74) + (-15,58*8,21) + (-23,37*2,38) + (-31,16*0,81) + (-38,96*0,37)] *0,77/100 = 2,57 kw C1.5 Etant donné le temps mis pour effectuer le parcours (23 min), calculer l énergie nécessaire W bat1 en kwh. W bat1 = 2,57 * 23/60 = 0,985 kwh C1.6 Calculer l énergie W bat2 pour l autonomie désirée de 100 km et en prenant le même parcours et la même distribution de puissance. W bat1 = 0,985 kwh pour 10,6 km Pour 100 km : W bat2 = 0,985 * 100/10,6 = 9,29 kwh C1.7 Pour l autonomie souhaitée (mêmes conditions que C1.6), calculer l énergie W acc consommée par les accessoires. Pour 10,6 km : W = 250 *23/60 = 95,83 Wh Pour 100 km : W acc = 95,83 *100/10,6 = 904 Wh = 0,904 kwh C1.8 En déduire l énergie totale W t (autonomie + accessoires) nécessaire à la batterie. Wt = 0, ,29 = 10,19 kwh C 4
5 C1.9 Pour des raisons de garantie «constructeur», on tolère une profondeur de décharge de 80%, calculer l énergie W rack du rack batterie. W rack : Wt / 0,8 = 10,19 / 0,8 = 12,74 kwh C2 : Choix de la technologie du rack batterie Objectif : Il s agit de déterminer la technologie du rack batterie. Le choix technologique d une batterie nécessite de connaître la puissance spécifique (W/kg) et l énergie spécifique (J/kg). C2.1 On prendra l énergie minimale du rack batterie égale à 14,4 kwh, calculer l énergie spécifique W s sachant que la masse est de 300 kg. W s := (14400 * 3600) / 300 = J/Kg C2.2 Connaissant la puissance maximale du rack batterie (cahier des charges), calculer la puissance spécifique. Ps = / 300 = 80 W/Kg On vous donne ci-dessous le diagramme de Ragone permettant de choisir la technologie des modules du rack batterie. + C 5
6 C2.3 D après vos réponses aux questions C2.1 et C2.2, donner la technologie à employer. Indiquer sur le diagramme le point de fonctionnement. Technologie Ni-Mh car le Ni-Cd est insuffisant (de peu) en énergie spécifique C2.4 On s oriente vers une technologie Ni-Mh, à l aide de la documentation constructeur «Saft» DTC1, préciser la référence d un module et indiquer le nombre à utiliser. Référence : NHE Référence : NHE Nombre de modules : 12 Nombre de modules : 12 W = 12 * 6 * 200 = Wh=14,4 kwh 2 * 6 modules en série C2.5 Suivant la réponse précédente, représenter le schéma électrique du rack batterie. + NHE NHE V 72 V - - C 3 : Etude économique C3.1 Sachant que l énergie électrique consommée par le véhicule pour une autonomie de 100 km est de 10,2 kwh, calculer le coût de l énergie avec un prix du kwh égal à 11c. Coût = 10,19 * 0,11 = 1,12 C 6
7 C3.2 Etant donné qu un véhicule urbain à moteur diesel consomme en moyenne 5l/100 et que le prix du carburant diesel est environ 1 /litre, calculer le coût pour l autonomie souhaitée puis comparer votre résultat à la question précédente. Coût voiture diesel = 5 Coût voiture électrique= 1,12 Le coût de la consommation d énergie d une voiture électrique est environ 5 fois moins que celle d une voiture à carburant diesel Le constructeur souhaite proposer plusieurs versions afin de diversifier sa clientèle. On vous donne ci-dessous les caractéristiques de batterie de différentes technologies. (On conserve l autonomie de 100 km avec une énergie embarquée de 14,4 kwh). Pb-acide Ni/MH Li-Ion Energie spécifique (Wh/kg) Puissance max (kw) Prix ( /kwh) C3.3 Calculer la masse des batteries pour les 3 cas. Pb acide : m = 410 kg Ni-MH : m = 240 kg Li-Ion : m = 130 kg C3.4 La solution économique retenue par le constructeur est la technologie Pb-acide. Quelles seront les incidences de ce choix par rapport au cahier des charges du véhicule (page C2). Masse totale avec batterie NiMh : 640 kg Masse totale avec batterie Pb : 810 kg mêmes conditions) 100 km autonomie 79 km autonomie (même parcours, Ça coûte moins cher que le NiMh mais l autonomie diminue du fait de l augmentation de masse. C 7
8 DT C1
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