Partie C - Commande et programmation · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole - SIN 2024

Partie C: Comment optimiser la durée de vie des supercapacités embarquées dans la cabine ?

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. Un frotteur entre en contact avec un rail collecteur et l'énergie électrique collectée en quelques dizaines de secondes doit permettre le fonctionnement autonome de la cabine jusqu'à la prochaine gare.

En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Les deux supercapacités sont dans un coffret ventilé sur le toit de la cabine.

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température.

L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension.

La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$.

La tension $VCC$ est de $5\text{ V}$.

La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$.

Document technique DTS7: caractéristiques d'une supercapacité

Capacité à 20°C · 130 F (+0%; -20%) · Courant impulsionnel · 2 440 A

Tension maximale · 69 V · Courant de court-circuit · 10 800 A

Surtension · 73,6 V (moins de 5 s) · Durée de vie · 10 ans à 25°C

Température · -40°C à +65°C · 1500 h à 65°C

Courant de fuite nominal · 5,2 mA · Nombre de cycles · 1 000 000 (à 25°C)

Énergie · 86 Wh · Dimensions L×l×h · 635 × 176 × 173 mm

Puissance crête · 186 kW · Masse · 16 kg

Document technique DTS8: ibd de l'alimentation électrique de la cabine

Document technique DTS9: capteur de température, pont diviseur et CAN

Thermistance NXRT15XH103:

Résistance à 25°C: $100\text{ k}\Omega \pm 1\%$

Courant max (25°C): $0{,}12\text{ mA}$

Puissance max (25°C): $7{,}5\text{ mW}$

Relation du pont diviseur de tension:

$$U_1 = \frac{U \times R_1}{R_1 + R_2}$$

Conversion analogique numérique (CAN):

$N$ est le nombre entier sur $n$ bits résultat de la conversion.

Le quantum $q$ est la plus petite tension mesurable par le CAN. Il correspond à la tension d'entrée pour laquelle $N = 1$.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

pinMode( pin, OUTPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT); · Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin); · Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW); · Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH); · Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

Partie C: Commande et programmation

Question C.3

Le fonctionnement du ventilateur doit répondre au diagramme d'états ci-dessous:

Sur DRS4, compléter le chronogramme de fonctionnement du ventilateur selon la température mesurée:

Pour les besoins de ce sujet, les fonctions de conversion et de traitement de la gestion du ventilateur seront réalisées par le microcontrôleur d'une carte Arduino.

Le capteur de température $R_T$ est une thermistance dont la valeur de la résistance électrique varie en fonction de la température. L'ensemble $R_T$ et $R_1$ forme un pont diviseur de tension. La valeur de la résistance $R_1$ est de $100\text{ k}\Omega$. La tension $V_{CC}$ est de $5\text{ V}$. La tension $U_T$ sera convertie sur l'entrée analogique A1 de la carte Arduino.

Courbe caractéristique de la thermistance (Document technique DTS9):

Question C.4

Déterminer la valeur de la résistance $R_T$ pour une température de $35\text{ }^\circ\text{C}$ et l'exprimer en $\text{k}\Omega$ sur DRS4:

kΩ

Question C.5

Sur DRS4, calculer la valeur de $U_T$ pour une température de $35\text{ }^\circ\text{C}$:

Question C.6

La résolution du CAN est de $10\text{ bits}$ et sa tension de référence $V_{REF}$ est de $5\text{ V}$. Sur DRS4, calculer la valeur du quantum $q$ et la valeur de l'entier $N$, résultat de la conversion pour une température de $35\text{ }^\circ\text{C}$:

Question C.7

Sur DRS5, compléter le câblage des entrées/sorties de la carte Arduino ainsi que les parties manquantes du programme, à partir des informations fournies sur DRS4 et des commentaires du programme.

Document technique DTS10: fonctions Arduino

Fonction

Description

pinMode( pin, OUTPUT);

Configure l'entrée « digitale » n° pin en sortie

pinMode( pin, INPUT);

Configure l'entrée « digitale » n° pin en entrée

analogRead( pin);

Lance la conversion analogique numérique et renvoie le résultat sur 10 bits. L'entrée analogique pin peut prendre la valeur A0, A1, A2, A3, A4 ou A5.

digitalWrite( pin, LOW);

Fixe au niveau logique 0 la patte n° pin

digitalWrite( pin, HIGH);

Fixe au niveau logique 1 la patte n° pin

Raccordement des bornes du schéma à la carte Arduino:

Borne VCC reliée à:

Borne de mesure UT reliée à:

Borne GND reliée à:

Commande CMD VENT reliée à:

Programme Arduino (DRS5) à compléter:

// Régulation thermique supercapacités: Comparaison à 2 seuils

int N; // déclaration d'une variable de type entier sur 16 bits

void setup() // fonction setup() exécutée une fois

{

pinMode ( A1, INPUT); // Entrée CAN mesure UT

pinMode ( 2,

); // DIGITAL 2 configuré en sortie

digitalWrite ( 2, LOW); // état initial: arrêt ventilateur

}

void loop() // boucle infinie

{

N = analogRead(

); // lancement conversion sur A1

if ( N >

) digitalWrite( 2,

); // si temp>35deg CMD_VENT=1

if ( N <

) digitalWrite( 2,

); // si temp<25deg CMD_VENT=0

}