Challenge Educ Eco 2010 Mémoire de l Ema Solar Team. Conception et réalisation d un prototype de véhicule électrique.

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1 Challenge Educ Eco 2010 Mémoire de l Ema Solar Team Conception et réalisation d un prototype de véhicule électrique Fiches techniques Mai 2010

2 SOMMAIRE Le Projet... 3 La démarche de projet... 5 La sécurité... 7 Les performances... 9 L innovation La communication Schématisation de la chaîne d énergie Annexe financière

3 Le Projet Le concept Nous avons choisi de concourir dans la catégorie prototype en présentant notre «e Max», véhicule électrique monoplace ultraléger et aérodynamique. Notre goût pour l innovation et les défis énergétiques ont porté nos choix sur une motorisation «tout électrique» comprenant le stockage de l énergie électrique embarquée. Puisqu en terme d énergie «rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme», l électricité stockée dans les batteries du prototype doit provenir d une source primaire d énergie. Si ces batteries ont été chargées sur une prise secteur française, 96% de l énergie qu elles contiennent proviennent d une source fossile (hydrocarbures ou uranium). Si en revanche les batteries ont été rechargées à partir d un panneau photovoltaïque, 100% de l électricité ainsi récupérée provient d une source d énergie 100% renouvelable. Afin de s affranchir des contraintes d adaptation d un panneau solaire fixé sur le prototype (poids supplémentaire, augmentation du coefficient de trainée aérodynamique, difficulté de gestion de la recharge ) nous avons choisi d en équiper notre stand. La surface de panneaux peut donc y être bien plus grande et plus facilement exploitable. Les batteries seront rechargées plus rapidement, et nous avons prévu d en utiliser deux packs aisément amovibles : pendant que l un se recharge au stand l autre est disponible pour le véhicule. L EMA Solar Team Notre équipe est formée d étudiants à l Ecole des Mines d Alès, école d ingénieur généraliste, issus de plusieurs promotions : 159, 160 et 161. Pour une meilleure visibilité, nous avons créé un club «EMA Solar Team» affilié à l association loi 1901 «Cercle des Elèves de l école des Mines d Alès». Les quatre porteurs de projet sont des élèves de 3 ème année : Guillaume GENIN. Option Mécanique et Matériaux, responsable conduite de projet et motorisation. Steve PENOT. Option Mécanique et Matériaux, responsable communication et mécanique. Olivier SCHOENENBERGER. Option Ingénierie des systèmes de production, responsable électronique et télémétrie. Fryderyk POMIRSKI : responsable CAO. 3

4 L objectif est de faire du Challenge Educ Eco un événement phare de la scolarité à l Ecole des Mines d Alès en regroupant des élèves issus de l ensemble des 4 promotions en cours. Les porteurs de projet veilleront à la transmission des connaissances d année en année, et nous visons ainsi l amélioration continue de notre prototype baptisé «e Max». L e Max Entièrement conçu sous CAO (conception assistée par Ordinateur), l «e Max» a été réalisé par une équipe d étudiants de notre école qui ont participé à une édition du Shell Eco Marathon en catégorie essence. Aujourd hui nous convertissons ce prototype à l énergie électrique, convaincus de l avenir de ce mode de propulsion. Caractéristiques : Poids à vide : 23kg. Dimensions : Longueur=2,50m, Hauteur=0,50m, Largeur=0,80m. Structure : coque en nid d abeille et fibre de carbone Motorisation : Moteur roue 750W. Coefficient de trainée aérodynamique Cx=0,20. Consommation moyenne estimée par calculs sur le circuit de Nogaro : 53W mécanique. 4

5 La démarche de projet Dans le cadre de notre scolarité à l Ecole des Mines d Alès, nous devons mener au semestre 8 un projet long qui consiste à travailler sur un sujet d ingénierie. Nous avons proposé trois sujets, qui ont été acceptés par l école et dont la réalisation a été effectuée par trois équipes de deux élèves. OBJECTIF TACHES ACTEURS Réalisation 27avr2010 Planifier le projet A partir de l étude du règlement, extraire de celui-ci un cahier des charges du prototype Faire un diagramme Gantt Proposer des sujets de projet long Guillaume GENIN Steve PENOT Olivier SCHOENENBERGER Projet Long IMM : Concevoir et réaliser la motorisation de l Emax Dimensionnement des batteries Dimensionnement du moteur Optimisation de la stratégie d alimentation Guillaume GENIN Steve PENOT Projet Long IMM : Concevoir et réaliser un système de freinage sur le train avant. Etude théorique CAO du système Choix des matériaux et dimensionnement Usinage Lionel LIMOL Fryderyk POMIRSKI 5

6 Projet Long ISP : Concevoir et réaliser un système télémétrique de mesures de la consommation énergétique Schémas électroniques Modélisation Impression des typons Réalisation Alexandre DELEAU Olivier SCHOENENBERGER Remise en état du véhicule et test Harnais de sécurité Extincteur embarqué Feu stop Remplacement du pare-brise Test Elèves de deuxième année Participer au Challenge Educ Eco 2010 (16 au 19 Mai) Amener le véhicule à Nogaro Piloter le véhicule Assurer la maintenance Ramener le véhicule à Alès Lionel LIMOL Steve PENOT Fryderyk POMIRSKI Audrey ROSTAING Anas JABIROUNE Olivier SCHOENENBERGER Celine DELOMENEDE Jonathan FAURE non En ce qui concerne la coordination de ces trois projets longs et des autres tâches, nous avons dès le départ planifié des réunions hebdomadaires ainsi qu un diagramme de Gantt, qui nous ont permis de nous situer en permanence dans l avancée du projet global. 6

7 La sécurité La sécurité est un facteur tout à fait primordial dans la conception et la réalisation du prototype. Nous nous sommes basés sur le règlement du Challenge Educ Eco afin d en extraire le cahier des charges des fonctions de sécurité. FONCTION 1 : ASSURER LA SECURITE DU PILOTE Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser? Dépassement de 5 cm mini au dessus de la tête du pilote - 1 cm Non Protéger le pilote en cas de retournement Arceau de sécurité Résistance à une charge de 70 kg Horizontale et Verticale sans se déformer. - 2kg Non, l arceau à déjà une résistance suffisante sur l Emax. Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser Attache 5 points 0 points Maintenir le pilote en cas d accident Harnais de sécurité Solidité éprouvée en levant le véhicule par le harnais + 50kg Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser S extraire rapidement du véhicule Sans assistance Avec assistance Moins de 10 secondes Ouverture marquée d une flèche rouge Ouverture devant se faire sans recours à un outil -5sec Non Non Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser Isoler la motorisation et le stockage d énergie Cloison étanche Cloison ignifugée Etanchéité Résistance au feu 1dL/s Ininflamm able A améliorer. Non 7

8 Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser Eteindre un départ de feu Extincteur à bord du véhicule 1kg, ABC ou BC A portée de main du pilote Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser Solidité du train roulant Résistance à la charge appliquée Limite élastique >2000 N 0 N Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser Isoler les roues du pilotes Présence d une cloison entre les roues et le pilote /non Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser Couper le circuit en cas d urgence Coupe-circuit Accessible de l extérieur Indiqué par une flèche rouge de 10cm de long 3cm de large +5cm FONCTION 2 : ASSURER LA SECURITE DES AUTRES CONCURRENTS Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser Ne pas blesser Pas d angle vifs sur le prototype Rayon minimal de 5cm +/- 1cm Non Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser Avertir de la présence du véhicule Emission d une onde sonore Klaxon de 85db +/- 20db 8

9 Les performances Le but de la compétition étant de réduire la consommation totale, cette fiche à pour objectif d évaluer les différentes causes de pertes d énergie et de les quantifier afin d évaluer la puissance consommée. Données Caractéristiques du circuit : Longueur : L = 3636m Pente max : p = 3,73 % Caractéristiques du véhicule Masse à vide : Mv = 23 kg i Poids du pilote : Mp = 55 kg Equipements divers (motorisation, extincteur ) : Me = 22 kg Masse totale en charge : 100 kg Coefficient de trainée aérodynamique : Cx = 0,202 (calculé par modélisation sous solidworks) Surface de pénétration dans l air : Sx = 0,43 m² Nombre de roues = 3 Taille des roues = 20 Rayon de la roue avec le pneu : r = Coefficient de frottement pneus/bitume (donnée constructeur + coeff de sécurité de 1,5 étant donné l âge et l usure des pneus actuels) : K = 0,0015 Contraintes imposées par la compétition : 7 tours de circuit à Vmoy = 30 km/h, soit Vmoy = 8,33 m/s. Dimensionnement de la Puissance moyenne mécanique nécessaire Ce calcul donnera une évaluation de la puissance mécanique moyenne consommée pour un tour du circuit de Nogaro. Il servira à dimensionner les batteries et le moteur. Forces extérieures appliquées au véhicule en déplacement à vitesse constante égale à la vitesse moyenne imposée : Resistance aérodynamique F aéro = 1/2*ρ*Sx*Cx*V² Application Numérique : F aéro = 3,9 N 9

10 Resistance au roulement sur bitume La résistance au roulement est due aux pertes dissipées dans le pneumatique, ainsi qu aux pertes dissipées dans les roulements de roue. F pneus = m*g*k Application Numérique : F pneus = 1,5 N Etant donné le manque de données sur les caractéristiques des roulements à billes, nous avons fait une estimation de la force résultant des pertes imputées à ceux-ci par mesure expérimentale de la force nécessaire à la mise en mouvement du véhicule, à vitesse nulle, sur du plat et sur du bitume sec. La valeur mesurée sur un Newton-mètre digital est de 4N environ. Nous en déduisons une estimation de la valeur de la force liées aux pertes dans les roulements : F roulements = 1 N. Force Résultante F totale = F aéro + F pneus + F roulements F totale = 6,4 N Puissance mécanique moyenne P moy = F totale * V moy Application Numérique : P moy = 53 W NB : Si ce calcul prend en compte les frottements aérodynamiques, pneumatiques et évaluent ceux des roulements, il omet les pertes liées aux défauts de parallélisme des deux roues avant directrices, les pertes générées par les frottements latéraux supplémentaires en virage, les pertes liées à la déformation du châssis sous contrainte, et pour finir les pertes liées au rendement de la motorisation. Compte-tenu qu il est difficile d agir sur ces pertes, excepté le rendement de la motorisation qui est l objectif de ce projet long, nous avons pris un coefficient de sécurité de 2 que nous avons appliqué à la valeur de la puissance mécanique moyenne calculée ci-dessus. Le dimensionnement des batteries et du moteur a donc été fait pour : P moy = 106 W 10

11 L innovation Voici les pistes d innovations que nous avons suivies sur l E-max : Télémétrie L amélioration de toute performance nécessite la mesure de celle-ci. Dans cette optique une équipe de trois élèves s est penchée sur la réalisation d un système de mesure de paramètres et d observation de leurs évolutions en fonction des différentes stratégies de course. Les objectifs de ce sous-projet étaient : La mesure des paramètres sur le véhicule La transmission des paramètres par voie hertzienne L affichage des ces paramètres sur un terminal situé dans les stands. C est une étude complète du système qui a été réalisée, de la conception de l architecture jusqu à la réalisation des typons sous le logiciel EAGLE. Parallèlement à cela, un logiciel d affichage des données sur un l ordinateur du stand a été réalisé, ainsi que le programme du contrôleur de la carte d acquisition située dans le véhicule. Voici les paramètres mesurés : Vitesse instantanée Vitesse moyenne Tension batterie Energie consommée Intensité batterie Puissance Distance totale Température contrôleur Température batterie Tension batterie auxiliaire Position accélérateur Position volant Position frein Optimisation et calcul de trajectoire Lors d un virage, des pertes latérales viennent s ajouter aux pertes longitudinales. Il s agit donc de trouver la meilleure trajectoire, compromis entre la trajectoire qui minimise la distance et celle qui minimise les pertes. Nous avons considérer les simplifications suivantes : vitesse constante dans le virage, et trajectoire en arc de cercle. Le résultat est un programme de calcul Matlab qui résout 7 équations non linéaires, à partir des données d entrée que sont le rayon de courbure du virage et les coefficients de frottement longitudinaux et latéraux. Il fournit en sortie l angle de braquage, facilement exploitable par le pilote puisque la position du volant est mesurée par un capteur et affichée sur l ordinateur de bord. 11

12 Système directionnel : calcul de l épure et CAO L ensemble du train avant dû être reconçu puisqu il n y avait pas de frein avant sur le système en place datant du Shell Eco Marathon C est une équipe de deux élèves, spécialisés en conception assistée par ordinateur (CAO) qui s est chargée de la conception et de la réalisation d un train avant intégrant des freins hydrauliques à disques. Après les considérations théoriques classiques, dont le but était de définir l épure de Jeantaud, cette équipe s est chargée de la conception des pièce sous le logiciel Solidworks (qui est un des partenaires officiels de l Ema Solar team), puis a fait les modélisations des efforts dans la direction sous contraintes. Voici quelques résultats de ces modélisations : Applications des forces : Modélisation du coefficient de sécurité (qui doit être supérieur à 1 si la conception est bien faite) : 12

13 La communication Voici les actions de communication qui ont été menées : Vers les autres élèves de l Ecole : campagne d affichage en début d année pour recruter l équipe, réunion de présentation du projet, soirée Educ Eco au bar de l Ecole. Vers les futurs entrants : stand d exposition à la journée portes ouvertes de l Ecole des Mines d Alès Vers les partenaires : dossier de partenariat, compte rendus réguliers. Sur Internet : Site du projet Actions à venir : Communication grand public, articles de presse Communication sur la performance réalisée auprès des élèves de l EMA pour l équipe suivante. 13

14 Schématisation de la chaîne d énergie 14

15 Annexe financière Dès le départ les coûts ont pu être maîtrisés puisque nous partions d un prototype déjà existant. De plus le Cercle des Elèves, associations des élèves de l Ecole des Mines d Alès, a contribué au projet en offrant une participation financière de 1500, qui a couvert les frais de réalisation qui n était pas pris en charge par l Ecole. Voici quelques éléments du budget : Réalisation des pièces mécaniques : 600 Achat de kits de frein à disques : couvert par l Ecole Achat d un moteur roue : couvert par l école Accessoires de sécurité : 400 Réalisation des cartes électroniques de la télémétrie + composants électroniques : couvert par l Ecole. De plus, voici les principaux partenaires qui nous ont soutenus dans ce projet : 15