Exercice Sous-partie 3 - Question 1.21 · Bac Sciences de l'Ingénieur Métropole 2 remplacement 2021

Sous-partie 3 - Choix 2

Réduire la consommation énergétique du véhicule

L'objectif de cette sous-partie est d'évaluer les performances du logiciel permettant de renseigner le pilote sur la consommation électrique et la vitesse du véhicule.

3. Comment renseigner le pilote sur les performances du véhicule ?

Le pilote est renseigné sur les données de fonctionnement instantanées du véhicule. Ces informations sont affichées sur une interface de dialogue du type écran tactile (figure 14). Durant la course, elles vont lui permettre d'adapter au mieux le mode de conduite afin de réaliser la meilleure manche possible. À la fin de chaque manche, les valeurs obtenues sont enregistrées pour être analysées en vue d'améliorer les performances futures.

Acquisition de l'énergie électrique et de la distance parcourue

L'affichage de la quantité d'énergie électrique utilisée par le véhicule nécessite de mesurer la tension aux bornes de la batterie $U_{bat}$ et l'intensité du courant $I_{bat}$ délivrée par celle-ci. Pour réaliser ces mesures, la batterie du véhicule est équipée d'une sonde de courant et d'une sonde de tension. Un codeur incrémental placé en bout d'arbre moteur permet la mesure de la distance parcourue par le véhicule.

Les données issues de ces capteurs sont transmises à un microcontrôleur qui calcule en permanence les informations relatives au fonctionnement du véhicule.

Mesure de la quantité d'énergie électrique utilisée par le véhicule: la sonde de courant utilise le principe de l'effet Hall pour mesurer l'intensité du courant la traversant. Son information de sortie est une tension continue comprise entre 0 V et 5 V, proportionnelle au courant mesuré. La sensibilité du capteur est de 66 mV·A⁻¹, la gamme de mesure est de -30 A à 30 A.

On note Ui la tension en sortie de la sonde de courant. La figure 16 illustre la caractéristique de Ui en fonction du courant mesuré.

La sortie de cette sonde est reliée à une entrée analogique du microcontrôleur. Le Convertisseur Analogique Numérique (CAN) du microcontrôleur effectue une conversion sur 10 bits, avec une tension de référence égale à 5 V. Le résultat de la conversion analogique numérique est noté « Ni ».

La courbe illustrée en figure 17 est une approximation linéaire de la caractéristique du CAN. Cette caractéristique indique la valeur disponible dans la variable Ni en fonction de la tension Ui appliquée en entrée du CAN.

On souhaite disposer, dans le programme du microcontrôleur, d'une variable de type réel (float) notée « intensite » qui contient la valeur de l'intensité en A du courant de la batterie mesurée par la sonde de courant.

La sonde de tension, dont le schéma interne est donné figure 18, est constituée d'un pont diviseur de tension. L'information de sortie Uv est reliée à une entrée analogique du microcontrôleur. La caractéristique de conversion du CAN est celle définie précédemment, le résultat de cette conversion est noté « Nv ».

L'acquisition de l'intensité du courant $I_{bat}$ (en A) et de la tension $U_{bat}$ (en V) est déclenchée toutes les secondes par un timer du microcontrôleur. Ces données permettent le calcul de la puissance électrique instantanée Pi absorbée par le véhicule et de la quantité d'énergie électrique E1s nécessaire au fonctionnement du véhicule pendant une seconde. Les valeurs de $I_{bat}$ et $U_{bat}$ sont supposées constantes pendant la période d'acquisition.

Mesure de la distance parcourue

L'affichage de la quantité d'énergie nécessaire pour un tour de circuit et celle ramenée au kilomètre nécessite de connaître la distance parcourue par le véhicule. Un codeur incrémental disposé en bout d'arbre du moteur est utilisé pour mesurer cette distance. La mesure de la vitesse du véhicule à partir de ce codeur ne fait pas partie de l'étude.

Le codeur délivre un train d'impulsions dont le comptage permet de déduire la distance parcourue. La voie A du codeur est reliée à une entrée d'interruption (INT) du microprocesseur. Chaque front montant du signal A entraîne le comptage d'une impulsion.

La résolution du codeur est de 200 points par tour, sa tension de travail est de 5 V. Le diamètre de la roue motrice du véhicule est $D_{roue}$ = 475 mm. Le rapport de réduction du système de transmission entre l'arbre moteur et la roue est de $r = \frac{9}{26}$.

Le pilote dispose de deux commandes « start mesure » et « stop mesure » sur l'écran tactile. En début de manche, la touche tactile « start mesure » active l'acquisition et l'affichage des performances du véhicule. La touche tactile « stop mesure » enregistre les données et réinitialise l'ensemble des variables. L'interface de dialogue est programmée à l'aide du module Tkinter intégré à la bibliothèque de l'environnement Python.

La séquence « calcul_energies » à compléter permet de calculer et d'afficher tous les 100 m la quantité d'énergie électrique instantanée ramenée sur un kilomètre. La quantité d'énergie totale et la moyenne au kilomètre sont calculées et affichées à la fin de chaque tour (voir affichage proposé sur l'interface illustrée en figure 14).

Les instructions du langage Python nécessaires sont définies dans le tableau de la figure 20. Le tableau de définition des variables utilisées est donné figure 21. La longueur du circuit est de 1263 m.

Figure 20: instructions du langage Python à utiliser condition if / elif / else · if condition1:

instruction1 # si condition1 vraie faire instruction1

elif condition2:

instruction2 # sinon si condition2 vraie

# faire instruction2

else:

instruction3 # sinon faire instruction3

afficher dans la zone texte n°1 de l'interface · zone_texte_n1.config ( text = 'texte 1' + 'texte 2') texte 1 et texte 2 variables de type chaînes de caractères (string)

str (donnée) · Convertit la variable donnée (float ou int) en chaîne de caractères

round (donnée, x) · Arrondit la variable donnée (float) en gardant x décimales

Figure 21: définition des variables de la séquence energie_cumulee · Variable de type réel contenant la valeur de la quantité d'énergie électrique (en J) cumulée toutes les secondes pendant le tour en cours.

distance · Variable de type réel contenant la valeur de la distance instantanée (en m) parcourue par le véhicule.

distance_test · Variable de type réel contenant la valeur de la distance de test (en m) pour laquelle la variable « energie_inst_km » est calculée.

energie_au_tour · Variable de type réel contenant la valeur de la quantité d'énergie électrique utilisée (en kJ) au dernier tour de circuit.

energie_au_km · Variable de type réel contenant la valeur de la quantité d'énergie électrique moyenne (en kJ) ramenée sur un km au dernier tour de circuit.

energie_inst_km · Variable de type réel contenant la valeur de la quantité d'énergie électrique instantanée (en J) ramenée sur un km et calculée tous les 100 m.

Les quantités d'énergie électrique enregistrées par le système d'acquisition du véhicule durant le challenge ÉducÉco sont données figure 22. Ces valeurs ont été mesurées lors de la meilleure manche réalisée (3 tours de 1263 m).

1 er tour

2 ème tour

3 ème tour

Énergie au tour (kJ)

93,7

95,6

96,9

Énergie au km (kJ)

74,2

75,7

76,7

Figure 22: énergies mesurées durant le challenge par le système d’acquisition

Les résultats officiels sont mesurés par un autre système d’acquisition (joulemètre) installé sur le véhicule à la demande du jury. Ce joulemètre officiel assure une précision de mesure optimale. Le meilleur résultat relevé par le jury durant cette manche est de 78,5 kJ au km.

Question 1.21

Calculer l'écart relatif (en %) par rapport à la valeur officielle, entre la quantité d'énergie au km mesurée par le système d'acquisition (choisir la valeur optimale) et la quantité d'énergie au km mesurée par le joulemètre officiel. Conclure en proposant des améliorations possibles sur les éléments de la chaîne d'acquisition afin de réduire cet écart.

%