Partie C - Données techniques · 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

L'énergie consommée par la cabine est fournie par deux supercapacités qui se rechargent lors du passage en gare. En cas d'arrêt prolongé, les supercapacités se déchargent et des batteries lithium fer phosphate prennent le relais.

Question C.1: Citer le nom de la grandeur physique qui influe le plus sur la durée de vie des supercapacités et donner la valeur maximale de cette grandeur.