Le projet Businova, un autobus aux innovations majeures, concours général Sti2d 2017.

Analyse des choix technologiques..
1.1. Pour chaque type de bus, compléter les critères du tableau :

	Bus Businova	Bus électrique	Bus hybride
Nombre de places	16 places assises, 91 passagers	faible, 40	105
Autonomie	200 km	faible, 120 km	500 km
Consommation de Gasoil	15 L maxi aux 100 km	nulle	38 L aux 100 km

1.2 Identifier les différentes sources d'énergies utilisées par un bus hybride conventionnel et la source d'énergie supplémentaaire utilisée par le Businova.
Bus hybride conventionnel : moteur électrique et moteur thermique.
Businova : moteur électrique, moteur hydraulique et moteur thermique.
1.3. Au regard des impacts environnementaux et économiques, justifier les choix de développement du constructeur concernant ce bus novateur
Businova : consommation électrique moyenne :400 Wh / km ; consommation carburant : 15 L / 100 km ; faibles émissions poluantes.
Réduction du poids de 20 %.
1.4 Compléter la chaîne d'énergie correspondant à la motorisation du bus servant à la phase d'accélération.

1.5. Citer l'actionneur sollicité au tout début de la phase de démarrage.
Le moteur-pompe hydraulique alimenté par les accumulateurs.
1.6. Lors de la phase de freinage, indiquer quel composant permet de transformer et stocker l'énergie cinétique.
En cas de cuves hydrauliques pleines, stockage en batterie électrique.
1.7.En se plaçant dans le cas d'une pente nulle, relever l'intervalle de temps pour lequel les deux énergies ( électrique et hydraulique) de la motorisation sont utilisées simultanément.

Entre t = 0 et t = 10 s les deux énergies ( électrique et hydraulique) de la motorisation sont utilisées simultanément.
1.8. Dans le cas d'une pente nulle, compléter le tableau sur le niveau maximal des couples et des puissances développées par le moteur pompe hydraulique et le moteur électrique utilisés simultanément..

Pente nulle.	Moteur pompe hydraulique	Moteur électrique
Couple maxi ( N m)	16000	7200
Puissance maxi ( kW)	2,1 10^-3	11 10^-3

1.9. Même question pour une pente de 10 %.

Pente 10 %.	Moteur pompe hydraulique	Moteur électrique
Couple maxi ( N m)	13500	7200
Puissance maxi ( kW)	1,8 10^-3	11 10^-3

1.10. Du point de vue des puissances, vérifier que les deux actionneurs ( électrique et hydraulique ) conviennent dans les deux cas de fonctionnement simulés.
La vitesse atteinte au bout de 10 s est de 25 km/h sur terrain plat et de 18 km /h dans le cas d'une pente de 10 %.
1.11. Relever la vitesse maximale atteinte dans la pente. Indiquer quel moteur fonctionne lorsque cette vitesse est atteinte.
27 km / h à la date t = 30 s. A cette date, seul le moteur électrique fonctionne.
1.12. Le conducteur a soudain besoin d'accélérer au-delà de cette vitesse maximale. Evaluer la réserve de puissance disponible.
Le moteur hydraulique peut alors délivrer une puissance de 1,8 W.
Il peut aussi utiliser le moteur thermique.
1.13. Indiquer l'état des embrayages de la boite de couplage.
Sur pente nulle : début du démarage : seul le moteur hydraulique fonctionne.(A)
Puis jusqu'à 30 s, la vitesse croît jusqu'à 50 km /h : moteurs hydraulique et électrique jusqu'à 10 s (B).
entre 10 s et 30 s, moteurs électrique et thermique (D)
Entre 30 et 40 s, la vitesse est constante, 50 km / h : moteurs électrique et thermique (D)
Entre 40 et 52 s, la vitesse décroît jusqu'à l'arrêt : le moteur hydraulique récupère l'énergie du freinage (E )
Sur pente à 10 % : début du démarage : seul le moteur hydraulique fonctionne. (A)
Puis jusqu'à 30 s, la vitesse croît jusqu'à 28 km /h : moteurs hydraulique et électrique jusqu'à 25 s (B).
Puis moteur électrique seul ( C)
Entre 40 et 45 s, la vitesse décroît jusqu'à l'arrêt : le moteur hydraulique récupère l'énergie du freinage (E )
1.15. Calculer l'énergie maximale récupérable lors d'un arrêt avec une vitesse initiale de 50 km / h.
v = 50 / 3,6 = 13,89 m /s. Masse totale roulante m = 16 t = 1,6 10⁴ kg.
½mv² = 0,5 x1,6 10⁴ x13,89² =1,54 10⁶ J ou 1,54 10⁶ / 3600 ~429 Wh.
1.16. L'accumulateur hydraulique est utilisé entre 165 bar et 350 bar. Déterminer le volume nécessaire de stockage si l'énergie cinétique récupérée lors du freinage est transférée avec un rendement de 80 %.
Energie stockée dans l'accumulateur : E = 2,5(P_nomonale -P_mini) V.
1,54 10⁶ x0,80 = 2,5(350-165) 10⁵ V ; 12,32=2,5 x185 V ; V =0,0266 m³ = 26,6 L.
1.17. Sachant que la structure du bus prévoit de répartir le volume sur 2 cuves identiques, choisir une référence d'accumulateur hydraulique pour ces cuves et P_max = 350 bar.
EHV 20- 480 / 90.
La consommation électrique moyenne du bus est de 400 Wh / km ( en ternant compte des autres sources d'énergie ). Le parcours quitidien du bus est de 200 km. La tensiion nominale du pack de batterie doit être de 165 V pour permettre un fonctionnement optimal du moteur électrique associé au convertisseur. Le pack de batterie est constitué de 1500 cellules APM20 pour une capacité de 588 Ah.
1.18. Calculer l'énergie en Wh que doit fournir ce pack de batteries au cours d'une journée.
Energie stockée dans les batteries : W = C U = 588 x165 =9,7 10⁴ Wh.
Consommation électrique du bus : 400 x 200 = 8 10⁴ Wh, valeur inférieure à 9,7 10⁴ Wh.
Le moteur électtrique du bus peut être utilisé à 120% de sa puissance nominale pendant une durée limitée.
1.19. Déterminer la puissance demandée à la batterie quand le moteur est à 120 % de sa puissance nominale (180 kW) sachant que le rendement de cette partie de la chaine est de 0,9.
180 x1,20 /0,9 = 240 kW.
Dans un premier temps, la solution retenue consiste à créer des branches de n éléments en série et de placer m branches en parallèles. Tension nominale aux bornes d'une cellule : 3,3 V.
1.20. Calculer n et m. Représenter sommairement ce schéma.
n =165 / 3,3 = 50 ; m = 1500 /50 =30.
Dans un second temps, le fabriquant préfère associer ces m éléments d'abord en parallèle. Puis il associe n lignes en série.
1.21. Représenter sommairement ce schéma.

Chaque cellule comporte son propre fusible. En cas de défaillance de la cellule, le fusible intervient pour isoler la cellule défectueuse du reste du montage.
1.22. Dans le cas où une cellule est défectueuse, déterminer la perte de capacité de la batterie en % pour chaque schéma.
Schéma 1 : 50 cellules ne sont plus utilisées : 50 / 1500 x100 =3,33 %.
Schéma 2 : 1 cellule n'est plus utilisée : 1 / 1500 x100 =0,067 %.
Le fabriquant annonce une durée de vie de ces batteries de 10 ans. le bus est utilisé 7 jours sur 7 toute l'année à raison d'un cycle batterie par jour.
1.2.3. Après 10 années d'utilisation, déterminer la capacité du pack de batteries.
Nombre de cycles batteries en 10 ans : 6 x52 x10 =3120.
Le pack a perdu 10 % de sa capacité initiale. Il reste 588 x0,9 =529,2 Ah.
Energie stockée dans les batteries : W = C U = 529,2 x165 =8,7 10⁴ Wh.
Consommation électrique du bus : 400 x 200 = 8 10⁴ Wh, valeur inférieure à 8,7 10⁴ Wh.
L'autonomie du bus est garantie.