Sciences et Technologies de l Industrie et du Développement Durable Rendement global d un système STI2D CI9 : Amélioration de l efficacité énergétique dans les chaines d énergie TP ET COMMENT REDUIRE LA CONSOMMATION DE RESSOURCES NATURELLES EN OPTIMISANT LA CONSOMMATION ENERGETIQUE DES SYSTEMES? 1. Introduction La trottinette électrique est un engin de transport individuel permettant des déplacements à l'intérieur de bâtiments comme à l'extérieur. Construite autour d un châssis compact et léger, sa structure pliante la rend transportable aisément en toutes circonstances. Sa motorisation électrique non polluante, économique et discrète lui assure une autonomie suffisante pour les déplacements fréquents sur de courtes distances. 2. Caractéristiques techniques Alimentation électrique : 1 batterie 12V 20Ah Le circuit de commande comporte un disjoncteur qui interrompt l alimentation lorsque le courant atteint 30 A Chargeur automatique 230 V / 12 V. Temps moyen de charge avec le chargeur 1A : 8 heures 2,5A : 5 heures / 4A : 3 heures Autonomie : 13 km environ Entrainement : Moteur à courant continu 12 V / 180 W Entrainement par système poulies courroie : (Poulie motrice : 13 dents ; Couronne de roue : 72 dents) Vitesse de pointe : 18 km/h Dimensions et masses : Dimensions pliée : 95 x 23 x 35 cm Masse de la trottinette : 17 kg Masse maximale transportable : 120 kg Diamètre des pneus : 206mm (8,1 ") Divers : Frein à tambour à l'arrière Hauteur du guidon ajustable Prix public conseillé : 699 TTC CI9 TP Energie Trottinette E_V1.docx Lycée Jules Ferry Versailles 1/6
STI2D TROTTINETTE ELECTRIQUE TP 3. Chaine d énergie Personne immobile ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR Batterie électrique Carte électronique de puissance Moteur à courant continu TRANSMETTRE Poulie et courroie crantée Chaine d énergie Se déplacer sans effort Personne en mouvement 4. Détermination de la puissance utile par expérimentation 4.1. Prise en main et utilisation Q1. Procéder à la mise en route de la trottinette. Pour démarrer (en fonctionnement normal) : Mettre un pied sur l avant de la patinette et tenir le guidon avec deux mains Pousser énergiquement avec l autre pied au sol Placer immédiatement le deuxième pied sur l arrière du marchepied et appuyer sur le bouton de commande au guidon (à droite), le moteur démarre. Pour démarrer (sur le banc d essai) : Positionner l interrupteur du pupitre sur la position 1. Appuyer sur le bouton de commande au guidon (à droite). Lancer énergiquement la roue arrière à la main (Attention à vos doigts!), le moteur démarre. 4.2. Puissance d entrée (Alimenter) Carte de commande M Batterie 12 V V CI9 TP Energie Trottinette E_V1.docx Lycée Jules Ferry Versailles 2/6
STI2D TROTTINETTE ELECTRIQUE Poulie Courroie ηpc=0,8 TP Q2. Mesurer la tension aux bornes de la batterie avec un multimètre (voir photo page précédente) : Ubat= Moteur (MCC) ηm=0,95 Roue motrice Q3. Mesurer le courant consommé par le moteur en charge avec un élève sur la patinette (voir photo page précédente) : Imot= Q4. A partir des mesures de Ubat et Imot calculer la puissance d entrée Pe : 4.3. Puissance fourni par le moteur Pm (Convertir) Q5. Calculer la puissance mécanique fournie par le moteur Pm à partir de la puissance d entrée Pe. 4.4. Puissance motrice (Transmettre) Q6. Calculer la puissance mécanique transmise à la roue (Pmr) à partir de la puissance mécanique fournie par le moteur Pm. Q7. A l aide du tachymètre, mesurer la vitesse de rotation de la roue (Nroue en tr/mn) à vide et en charge avec un élève sur la patinette et en déduire la vitesse angulaire ωroue (rad/s) : A vide : Nroue = En charge : Nroue = Q8. En vous servant de ωroue et des dimensions de la roue, calculer la vitesse réelle (Vr)de la trottinette en charge (m/s et en km/h). Q9. Calculer le couple de sortie réel (Cs) au niveau de la roue. CI9 TP Energie Trottinette E_V1.docx Lycée Jules Ferry Versailles 3/6
STI2D TROTTINETTE ELECTRIQUE TP 5. Détermination de la puissance utile théorique On donne : La puissance utile Pu (en W) au niveau de la roue est égale au produit de la force F (en N) qui s oppose au déplacement par sa vitesse linéaire v (en m/s) : Ra Pu = F v La force F (en N) qui s oppose au déplacement et égale à la somme de la résistance aérodynamique Ra et de la résistance au roulement Rr (sur un terrain plat et en absence de vent) : F = Ra + Rr Rr v La relation suivante permet de déterminer la résistance aérodynamique Ra (en N) : Ra= 1 2 ρ v² S Cx Avec : ρ : masse volumique de l air = 1,2 kg/m 3 à 20 C v : vitesse linéaire en m/s S : surface frontale en m² Cx : coefficient de pénétration dans l air La relation suivante permet de déterminer la résistance au roulement Rr (en N) sur un terrain plat : Rr=m g δ Avec : m : masse totale en kg g : accélération de la pesanteur = 9,81 m/s² δ : coefficient de résistance au roulement Dans le cas de la trottinette : La surface frontale du véhicule + conducteur est : S = 1 m² Le coefficient de pénétration dans l air est : Cx = 0,7 La masse de l utilisateur est : m = 70 kg Le coefficient de résistance au roulement est : δ = 0,03 La vitesse maxi (selon la doc technique) Vmax = 18 Km/h Q10. Calculer la vitesse maxi de la trottinette en m/s. Vmax = Ra = Q11. Calculer la résistance aérodynamique Ra (en N) Q12. Calculer la résistance au roulement Rr (en N) Rr = Q13. Calculer la force F (en N) qui s oppose au déplacement F=Ra+Rr F = CI9 TP Energie Trottinette E_V1.docx Lycée Jules Ferry Versailles 4/6
STI2D TROTTINETTE ELECTRIQUE TP Q14. Calculer la puissance utile Pu. Q15. Calculer ωmax à partir de la vitesse (Vmax) de la trottinette et des dimensions de la roue. Q16. Calculer le couple utile de sortie théorique (Cus) au niveau de la roue. 6. Comparaison : Q17. Comparer Pu théorique à la puissance motrice Pmr réel. Conclusion quant aux performances de la trottinette. 7. Caractéristique de la batterie Q18. A partir des caractéristiques de la batterie, calculer la quantité d énergie stockée (en kj). Q19. A partir de la p puissance d entrée Pe et de l énergie stockée dans la batterie, déterminer le temps de fonctionnement de la trottinette. Q20. A partir de la vitesse réelle (Vr) de la trottinette et du temps de fonctionnement, déterminer la distance maximale parcourue par la trottinette. Q21. Comparer la distance maximale parcourue par la trottinette à l autonomie affichée dans les caractéristiques techniques. Justifier cet écart éventuel. 8. Caractéristique du moteur 8.1. Puissance moteur Pm Q22. Connaissant Pu théorique et le rendement du système poulie- courroie ηpc, déterminer la puissance fournie par le moteur Pm. CI9 TP Energie Trottinette E_V1.docx Lycée Jules Ferry Versailles 5/6
STI2D TROTTINETTE ELECTRIQUE TP 8.2. Vitesse de rotation du moteur Nm Q23. Pour rouler à 18km/h quelle doit être la vitesse de rotation du moteur (tr/mn) 8.3. Couple moteur Cm Q24. A partir de Pm et ωm calculer le couple moteur Cm nécessaire au déplacement à 18km/h. Q25. Chercher dans la documentation constructeur ci- dessous le moteur le mieux adapté à la trottinette si on souhaite rouler à 18km/h avec une charge de 70kg. CI9 TP Energie Trottinette E_V1.docx Lycée Jules Ferry Versailles 6/6