Partie B - Dimensionnement de la super-capacité e… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole - EE 2024

Partie B - Dimensionnement de la super-capacité embarquée

Partie B: comment déterminer la valeur de la super-capacité de stockage de l'énergie électrique à embarquer dans la cabine ?

Certains matériels embarqués dans la cabine nécessitent un apport en énergie électrique en continu. Lorsque les cabines emmènent les passagers d'une station à une autre, cet apport ne pouvant pas se faire de manière continue, il est nécessaire de prévoir un stock-tampon de l'énergie permettant à ces matériels électriques de rester opérationnels. Le schéma électrique simplifié de l'alimentation d'une cabine lors de son passage en gare est donné dans le DRS2.

— Un redresseur, situé en amont de l'ensemble rails en gare, permet de convertir la tension monophasée $400\text{ V}_{\text{AC}}$ à une tension continue de $69\text{ V}_{\text{DC}}$ sur les collecteurs présents sur les cabines. Cette même tension de $69\text{ V}_{\text{DC}}$ est donc présente sur la super-capacité. Les rails fixes, les frotteurs et les prises débrochables permettent de récupérer l'énergie à embarquer dans la cabine lors du passage en gare de la cabine.

— Un régulateur de tension continue permet de passer de la tension aux bornes de la super-capacité ($69\text{ V}_{\text{DC}}$ max) à une tension de $27{,}2\text{ V}_{\text{DC}}$ nécessaire à la charge de la batterie.

— Un régulateur continu permet d'alimenter en $24\text{ V}_{\text{DC}}$ les composants électroniques nécessitant un niveau de tension régulé: Composants du Réseau de communication Sol Embarqué (CRSE) et composants du Réseau informatique MultiServices (RMS).

Document réponses DRS2: schéma électrique simplifié de l'alimentation de la cabine

La super-capacité assure l'alimentation en énergie électrique de matériels embarqués dans la cabine lors du fonctionnement en mode Normal L0.

Ainsi, le bureau d'études a fixé que la valeur de la super-capacité doit être dimensionnée pour:

fournir l'énergie $E_1$ en mode Normal sur le temps le plus long entre deux gares, ce qui correspond à un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$;

fournir l'énergie $E_2$ pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares ($E_2 = 6{,}74\text{ kJ}$).

On rappelle la relation liant l'énergie $E$ (exprimée en Joule), la tension $U$ (exprimée en Volt), l'intensité $I$ (exprimée en Ampère) et le temps $\Delta t$ (exprimé en seconde):

$$E_{(\text{J})} = U_{(\text{V})} \times I_{(\text{A})} \times \Delta t_{(\text{s})}$$

Calcul de la capacité totale de deux super-condensateurs

Document technique DTS4: répartition des temps en ligne en exploitation continue (mode Normal)

Document technique DTS5: bilan des consommations énergétiques des composants d'une cabine

Les bilans de consommation énergétique des matériels embarqués dans une cabine qui nécessitent un apport en énergie sont donnés ci-dessous selon les deux cas: exploitation continue (mode Normal) et arrêt en ligne (mode Secours).

Énergie embarquée / Bilan de consommation en mode Normal

Consommateur · Courant moyen $A_{\text{DC}}$ · Tension moyenne $V_{\text{DC}}$

Ventilation · $8{,}75\text{ A}_{\text{DC}}$ · $27{,}2\text{ V}_{\text{DC}}$

Éclairage · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

Autres composants CRSE + RMS · $3{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Client Wifi + Automate Cabine · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

Énergie embarquée / Bilan de consommation en mode Secours

Consommateur · Courant moyen $A_{\text{DC}}$ · Tension moyenne $V_{\text{DC}}$

Ventilation · $25{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Éclairage · $1{,}2\text{ A}_{\text{DC}}$

Autres composants CRSE + RMS · $3{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Client Wifi + Automate Cabine · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

CRSE: Composants du Réseau de communication Sol Embarqué

RMS: Réseau informatique MultiServices

Document technique DTS6: extrait des schémas électriques d'une cabine

Repère · Désignation · Référence · Fabricant · Qté

101.04G0401 · Supercondensateur 69V Max 130F · XLM-69R0137 · Eaton · 2

101.04G0101 · Batterie LiFePO4 12V 125Ah · CAV13 · Green Cell · 2

La super-capacité assure l'alimentation en énergie électrique de matériels embarqués dans la cabine lors du fonctionnement en mode Normal L0.

Ainsi, le bureau d'études a fixé que la valeur de la super-capacité doit être dimensionnée pour:

fournir l'énergie E1 en mode Normal sur le temps le plus long entre deux gares, ce qui correspond à un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$; et

fournir l'énergie E2 pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares.

Question B.2

À partir du document technique DTS4, relever le temps le plus long entre deux gares lors d'un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Question B.3

On rappelle la relation liant l'énergie $E$ (exprimée en Joule), la tension $U$ (exprimée en Volt), l'intensité $I$ (exprimée en Ampère) et le temps $\Delta t$ (exprimé en seconde):

$$E_{(\text{J})} = U_{(\text{V})} \times I_{(\text{A})} \times \Delta t_{(\text{s})}$$

À partir du document technique DTS5, calculer l'énergie E1, en kilojoules (kJ), à fournir par la super-capacité en mode Normal lors du temps le plus long entre deux gares pour alimenter l'ensemble des récepteurs.

Question B.4

L'énergie E2 pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares est égale à $6{,}74\text{ kJ}$.

Calculer l'énergie totale que doit fournir la super-capacité.

La valeur de la capacité totale de deux super-condensateurs se calcule de la manière suivante selon leur disposition:

Question B.5

La super-capacité placée sur une cabine est constituée de deux super-condensateurs identiques.

À l'aide du document technique DTS6, relever la valeur de la capacité d'un super-condensateur et préciser la disposition (série ou parallèle).

Calculer alors la capacité totale de la super-capacité réellement installée.

Question B.6

Le bureau d'études a évalué la valeur totale de la super-capacité à 206 Farads (F).

La valeur de la capacité en Farad d'un super-condensateur dépend des conditions d'utilisations; la température par exemple. Le constructeur garantit pendant 10 ans une valeur minimale de capacité égale à 80% de la valeur initiale du super-condensateur.

Conclure quant au choix effectué de la super-capacité.