Partie B - Schéma de distribution et conversion e… · Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable Métropole - EE 2024

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

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

Question B.1

Compléter le document réponse DRS2 en indiquant la nature de la tension AC ou DC en entrée et sortie des convertisseurs et régulateurs puis indiquer les valeurs de tensions présentes sur ces mêmes entrées-sorties.

1. Arrivée de l'alimentation des rails en gare (Convertisseur)

2. Stockage par super-capacité

3. Régulateur de charge de la batterie

4. Ligne d'alimentation Éclairage et Ventilation

5. Régulateur composants électroniques (CRSE, RMS, Wifi, Automate)