Le document présente une épreuve de contrôle continu pour une classe de 2SMB, axée sur l'analyse fonctionnelle d'une voiture électrique. Il couvre la présentation du système, la gestion des flux d'énergie, et les évaluations des performances des composants, y compris la batterie et le moteur. La structure d'évaluation comprend des tâches spécifiques, des problématiques liées à la transmission de puissance et une étude des performances énergétiques.

1. ANNEE SCOLAIRE :2021-2022
Contrôle continu : n°2
DUREE :2H CLASSE : 2SMB
ANALYSE FONCTIONNELLE ET FONCTION
ALIMENTER DISTRIBUER ET CONVERTIR
Constitution de l'épreuve
Volet 1 : Présentation de l’épreuve ------------------------------------------------------------------------------------------------page 1.
Volet 2 : Présentation du système ---------------------------------------------------------------------------------------------pages 2,3.
Volet 3 : Substrat du sujet ---------------------------------------------------------------------------------------------------pages 4,5,6,7.
Documents réponses D. REP --------------------------------------------------------------------------------pages 8,9,10,11,12,13,14.
Documents ressources D. RES------------------------------------------------------------------------------------------------pages 15,16.
Volet 1 : Présentation de l'épreuve
Système à étudier :
Durée de l'épreuve :
Coefficient :
Moyens de calcul autorisés :
Documents autorisés :
Voiture électrique.
2h.
3.
Calculatrices scientifiques non programmables.
Aucun.
> Vérifier que vous disposez bien de tous les documents de 1/16 à 16/16.
> Rédiger les réponses aux questions posées sur les documents réponses D. Rep.
Vos réponses aux questions dépendront beaucoup de l'importance prêtée à la recherche des informations
Que peuvent contenir les différentes descriptions et les documents ressources. A chaque fois une lecture
Attentive est nécessaire.
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2. Volet 2 : Présentation du système
PRINCIPE DE LA VOITURE ELECTRIQUE
I. INTRODUCTION
Pour réduire les émissions de gaz nocifs et économiser les énergies fossiles (l’essence et le gasoil), les
Constructeurs proposent des voitures électriques qui permettent aux usagers de se déplacer
économiquement en Réduisant les émissions polluantes.
II. PRESENTATION DU SYSTEME Pour appréhender le principe de la voiture électrique, on dispose,
comme le montre la figure 1-DRES 01- D’une maquette (banc d’essai) constituée d’un demi-essieu de
train arrière du véhicule électrique, elle permet L’étude des différentes problématiques liées au véhicule
électrique réel (transmission, énergie, commande, …).
HYPOTHESES :
1. L’analyse fonctionnelle porte sur la voiture électrique, cependant l’étude des solutions constructives
porte sur la maquette.
2. Les grandeurs mécaniques ainsi que les puissances électriques sont réduites. Le fonctionnement, le
comportement et les méthodes de réglage restent néanmoins identiques à ce qui est rencontré sur le
système réel.
3. Les roues sont placées sur une plateforme inclinable (non représentée) qui simule la route, donc la
maquette ne se déplace pas en réalité.
III. DESCRIPTION
La maquette comporte 2 chaînes :
1. Une chaîne d’énergie englobe 4 fonctions génériques :
L’alimentation : assurée par une batterie ;
La distribution : réalisée par un variateur de vitesse ;
La conversion : assurée par un moteur asynchrone triphasé de traction ; qui sera remplacé dans notre
Etude par un moteur a courant continu
La transmission est réalisée par les systèmes représentés dans le document (DRES 02)
Un système poulies-courroie ;
Un double joint de cardan.
2. Une chaîne d’information assurant 3 fonctions génériques :
L’acquisition est assurée par :
Un capteur de vitesse ;
Un capteur de température pour surveiller la batterie ;
Une pédale d’accélération ;
Un levier à trois positions : Centre (arrêt), Haute (marche avant), Basse (marche arrière).
Le traitement est assuré par une carte électronique à base du microcontrôleur ‘PIC 16F877’ ;
La communication est assurée par :
Un réseau de terrain (réseau de capteurs / actionneurs) utilisant un protocole de communication série
Une interface homme / machine (tableau de bord).
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3. La Gestion et modulation des flux électriques
Convertisseur DC/DC
Il sert à convertir la haute tension (330V) de la batterie Lithium ion pour la batterie de servitude au
plomb (12V). Donc 330V >> 12V
Chargeur embarqué / redresseur
Il transforme le courant alternatif en provenance de la prise vers un courant continu destiné à la
batterie de puissance.
Calculateur / Ondulateur / redresseur
C'est le calculateur de puissance et gère beaucoup de choses ... Il contrôle les flux d'énergie grâce aux
nombreux capteurs qu'il dispose. Par exemple, quand j'accélère j'appuie sur un capteur (la pédale)
dénommé potentiomètre (c'est la même chose sur les voitures thermiques modernes), le calculateur
gère alors le flux d'énergie à envoyer vers le moteur selon mon "degré d'accélération". Idem quand je
relâche la pédale, il va gérer la récupération d'énergie en envoyant le jus généré par le moteur
électrique (réversible donc) vers la batterie tout en modulant le débit électrique.
Il peut onduler le courant grâce à un hacheur (batterie vers moteur) ou encore redresser le courant
(récupération d'énergie alternative pour la batterie à courant continu).
Les voitures électriques peuvent être rechargées par un courant alternatif ou continu.
II. FONCTIONNEMENT
L’utilisateur tourne d’abord la clef de contact pour alimenter en énergie électrique les différents
circuits et allume, par la même action, le tableau de bord sur lequel on dispose d’un indicateur de
charge de la batterie et d’un second indicateur de vitesse des roues.
Puis, il choisit le sens de marche (marche avant ou marche arrière) par action sur le levier.
Ensuite, il appuie sur la pédale d’accélération pour atteindre la vitesse désirée.
Enfin, il remet le levier en position du centre et coupe le contact pour arrêter le système.
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4. Volet 3 : Substrat du sujet
SITUATIONS D’EVALUATION
SEV 1 : Analyse fonctionnelle et étude de la transmission de puissance
A. Analyse fonctionnelle
Tâche1 : Application de quelques outils de l’analyse fonctionnelle ( 6 PTS)
Dans le but d’identifier le besoin et les fonctions de service, on se propose d’appliquer au système
quelque outils de l’analyse fonctionnelle.
Question : 1. Identifier le besoin en complétant le diagramme « bête à cornes ». [1,75 pt]
Question : 2. En vous aidant de la description de la maquette (page 2, paragraphe III),
Compléter le FAST Partiel. [2 pts]
Question : 3. En utilisant Les éléments dans le tableau, compléter le diagramme SADT de niveau A-0
[2 .25pts]
Énergie perdue Se déplacer économiquement en
Réduisant les émissions polluantes
Conducteur et passagers à
Destination
Exploitation Conducteur et passagers au départ Énergie électrique
Informations – tableau de bord Configuration Réglage
B. Étude de la transmission de puissance
L’objectif de cette étude est la compréhension des solutions constructives et la vérification de la
compatibilité du moteur de traction choisi par le constructeur.
La transmission de l’énergie à la roue se fait comme représentée sur le schéma synoptique suivant :
Données :
Moteur : PN = 1,7 kW.
Vitesse maximale : V = 60 km/h.
Réducteur : rapport de réduction k = 1/6, (Z1 = 12 dents et Z2 =72 dents).
Roue : diamètre D = 560 mm
Tâche 1 : Vérification de la compatibilité du moteur de traction (4.25 PTS)
Lors des essais, on crée une situation de fonctionnement qui simule le mouvement de déplacement sur
une pente d’angle α qui nécessite une force de traction FT = 180 N (Figure 3-DRES 01-). La vitesse à ne
pas dépasser sur la pente est de 30 km/h.
Question : 4. Calculer le couple Cr exercé sur la roue (en N.m). [0.5 pt]
Question : 5. À partir du tableau des joints de cardan (DRES 01, Figure 4), choisir la référence du joint de
cardan convenable. [0.5pt]
Question : 6. Calculer la vitesse angulaire Ꙍr de la roue (en rad/s). [0.5 pt]
Question : 7. Calculer la vitesse angulaire Ꙍm du moteur (en rad/s). [0.5 pt]
Question : 8. Déduire la vitesse de rotation N du moteur (en tr/min). [0.5 pt]
Question : 9. Calculer le couple moteur C (en Nm). [0.75 pt]
Question : 10. Calculer la puissance du moteur PM (en kW). [0.5 pt]
Question : 11. Le moteur choisi répond-t-il aux conditions de fonctionnement exigées ? [0.5 pt]
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5. SEV 2 : Étude énergétique
Tâche 1. Etude des performances maximales de la batterie (2 PTS)
La batterie utilisée par le système hybride se compose de 228 éléments NiMH (Nickel Métal Hydrure)
Regroupés dans un bloc placé sous les sièges arrière (masse totale : 52 kg). Chaque élément
Présente Une tension d’environ 1,2 V et une capacité de 6,5 Ah. Le courant maximal est de 80 A à la
Décharge et de 50 A à la charge.
Par convention, pour toute la suite de l’exercice on notera le courant positif lors de la charge et négatif
Lors de la décharge.
Question 12-Calculer la tension totale de la batterie. (0.5pt)
Question 13-Calculer les puissances maximales admissibles à la charge et à la décharge. (0.5pt)
Question 14-Calculer l’énergie totale qui serait contenue dans la batterie si son état de charge était de
100 % . (0.5pt)
Question 15 - La résistance interne de la batterie étudiée a pour valeur R = 0,46 Ω(0.5pt)
Déterminer la valeur de la force électromotrice pour un courant I=17 A
Tâche 2 : Étude du chargeur de la batterie
La charge des batteries des chariots se fait dans un local de rangement et de maintenance à partir de
prises de courant dédiées à cet effet.
On se propose d’étudier quelques éléments du chargeur de la batterie dont le schéma synoptique est le
suivant :
A : Étude du transformateur (1.5 PTS)
Le transformateur T a les caractéristiques suivantes :
230 / 12 V - 50 Hz - S = 85 VA.
Le nombre de spires au primaire est N1 = 500 spires.
Question 16-Calculer le rapport de transformation (m). 0.5 pt
Question 17- En déduire le nombre de spires au secondaire N2. 0.5 pt
Question 18- Calculer la valeur du courant nominal I2N. 0.5pt
B : Étude du redressement (1.5 PTS)
Pour simplifier cette étude, on suppose que la charge est purement résistive.
Question 19- Compléter le tableau en indiquant l’état de chaque diode
(Bloquée ou passante) suivant le signe de la tension u2(t). 1 pt
Question 20-Donner la valeur de la tension inverse maximale VD1max que Doit supporter la diode D1 à
l’état bloqué. 0.5 pt
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6. Tâche 3 : Variation de vitesse du moteur d’entraînement (5pts)
Cette variation de vitesse est assurée par un hacheur série dont la commande est réalisée par la carte à
Microcontrôleur suivant la technique MLI (Modulation de la Largeur d’Impulsion) . Son schéma du
principe est le suivant :
Données :
Tension continue : U0 = 300 V.
Résistance d’induit : R = 1,1 Ω.
F.c.é.m. : E’ =109 V.
Im est le courant dans l’induit du moteur de valeur moyenne IM de l’ordre de 18 A
Le courant Im(t) est périodique de période T et l’inductance de lissage L est suffisamment grande pour
Considérer la conduction continue (Les composants H et DRL sont supposés parfaits.
Le hacheur H fonctionne comme suit :
0 ≤ t ≤ αT : H est fermé, αT ≤ t ≤ T : H est ouvert. α est le rapport cyclique avec α = ton/T et 0 ≤ α ≤ 1 ;
Question 21 : De quel type conversion s’agit-il ? 0.5 pt
Question 22 : Quel est le rôle de la diode de roue libre DRL ? 0.5pt
Question 23 : Compléter les chronogrammes des tensions UM(t) et UH(t). 1pt
Question 24 : Exprimer la valeur moyenne VM de la tension UM(t) en fonction de U0 et du rapport
cyclique α. 1,5 pt
Question 25 : On suppose que le courant Im(t) soit constant et est égale à IM, montré que la valeur
moyenne VM est donnée par l’expression VM = E’ + R.IM. 1 pts
Question 26 : Quelle est la valeur du rapport cyclique α ? 0.5 pt
Tâche 4 : étude du moteur d’entraînement (4.25pt)
Le moteur à courant continu MG5 est d’une puissance de 250 W. Ce moteur fonctionnant à flux
Constant Présente les caractéristiques suivantes : Tension nominale d’induit : UN = 24 V
Intensité nominale du courant d’induit : IN = 12,9 A - Résistance d’induit : R = 0,20 Ω
Fréquence de rotation nominale : Nm = 2750 tr/min
Question 27-Dessiner le modèle équivalent électrique de l’induit du moteur en fléchant toutes les
tensions et le courant et En utilisant uniquement la convention réceptrice. (0.5pt)
Question 28- En déduire la relation liant U à E, R et I(0.25pt)
Question 29- Calculer la f.é.m. EN au point de fonctionnement nominal(0.25pt)
Question 30- Rappeler les relations liant la f.é.m. E à la vitesse angulaire Ω, et Ω à la fréquence de
rotation n en tr/min. Justifier alors la proportionnalité entre E et n. (0.5pt)
Question 31- On se place au fonctionnement nominal et on suppose que les pertes collectives PC sont
égales à 27 W.
a) A quoi correspondent physiquement ces pertes collectives ? (0.25pt)
b) Calculer la puissance absorbée Pa par le moteur, (0.25pt)
c) Calculer les pertes dissipées par effet joule PJ dans l’induit, (0.25pt)
d) Retrouver par le calcul la puissance mécanique utile Pu de 250 W indiquée au début de
L’énoncé(0.25pt).
e) Calculer le rendement η, (0.25pt)
f) Calculer le couple utile Cu(0.25pt)
g) compléter le schéma de démarrage direct du moteur pour les deux circuits ainsi que le
tableau(1.25pt)
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7. Tâche 5 : Etude du principe de l’onduleur. (5.5pt)
Le moteur asynchrone est alimenté à partir d’un onduleur triphasé. Cependant, l’étude se limitera au
principe D’un onduleur monophasé dont le schéma est représenté ci-dessous :
• K1 et K2 sont deux interrupteurs électroniques commandés à l’ouverture et à la fermeture.
• On appelle uc la tension aux bornes de la charge et IC l’intensité du courant dans la charge.
On considère l’oscillogramme de la tension uc(t) :
Question : 33. Cette tension est-elle : – alternative, – sinusoïdale, – continue ? 0.5pt
Question :34. Donner sa valeur moyenne Ucmoy. 1 pt
Question : 35. Exprimer sa valeur efficace Uc en fonction de E. 1pt
Question : 36. Calculer la valeur de la fréquence f de cette tension. 1 pt
Question : 37. Compléter le tableau des conductions des interrupteurs. 1 pt
Question : 38. Proposer un montage à pont (4 interrupteurs) pour avoir une tension uc(t) de valeur
efficace égale à E. 1pt
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8. D.REP 1
SEV 1 : Analyse fonctionnelle et étude de la transmission de puissance
Tâche1 : Application de quelques outils de l’analyse fonctionnelle
Question : 1. Identifier le besoin en complétant le diagramme « bête à cornes ».
Question : 2. En vous aidant de la description de la maquette Compléter le FAST Partiel.
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9. D.REP 2
Question : 3. En utilisant Les éléments dans le tableau, compléter le diagramme SADT de niveau A-0
B. Étude de la transmission de puissance
Tâche 1 : Vérification de la compatibilité du moteur de traction
Question : 4. Calculer le couple Cr exercé sur la roue (en N.m).
Question : 5. À partir du tableau des joints de cardan choisir la référence du joint de cardan convenable.
Question : 6. Calculer la vitesse angulaire Ꙍr de la roue (en rad/s).
Question : 7. Calculer la vitesse angulaire Ꙍm du moteur (en rad/s).
Question : 8. Déduire la vitesse de rotation N du moteur (en tr/min).
Question : 9. Calculer le couple moteur C (en Nm).
Question : 10. Calculer la puissance du moteur PM (en kW).
Question : 11. Le moteur choisi répond-t-il aux conditions de fonctionnement exigées ?
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10. D.REP 3
SEV 2 : Étude énergétique
Tâche 1. Etude des performances maximales de la batterie
Question 12-Calculer la tension totale de la batterie.
Question 13-Calculer les puissances maximales admissibles à la charge et à la décharge.
Question 14- l’énergie totale qui serait contenue dans la batterie si son état de charge était de 100 % .
Question 15 - Déterminer la valeur de la force électromotrice pour un courant I=17 A
Tâche 2 : Étude du chargeur de la batterie
A : Étude du transformateur
Question 16-Calculer le rapport de transformation m.
Question 17- En déduire le nombre de spires au secondaire N2.
Question 18- Calculer la valeur du courant nominal I2N.
B : Étude du redressement
Question 19- Compléter le tableau en indiquant l’état de chaque diode (Bloquée ou passante) suivant le
signe de la tension u2(t).
Question 20-Donner la valeur de la tension inverse maximale VD1max que Doit supporter la diode D1 à
l’état bloqué.
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11. D.REP 4
Tâche 3 : Variation de vitesse du moteur d’entraînement
Question 21 : De quel type conversion s’agit-il ?
Question 22 : Quel est le rôle de la diode de roue libre DRL ?
Question 23 : Compléter les chronogrammes des tensions UM(t) et UH(t).
Question 24 : Exprimer la valeur moyenne VM de la tension UM(t) en fonction de U0 et du rapport
cyclique α.
Question 25 : On suppose que le courant Im(t) soit constant et est égale à IM, montré que la valeur
moyenne VM est donnée par l’expression VM = E’ + R.IM.
Question 26 : Quelle est la valeur du rapport cyclique α ?
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12. D.REP 5
Tâche 4 : étude du moteur d’entraînement
Question 27-Dessiner le modèle équivalent électrique de l’induit du moteur en fléchant toutes les tensions et
le courant et en utilisant uniquement la convention réceptrice.
Question 28- En déduire la relation liant U à E, R et I.
Question 29-Calculer la f.é.m. EN au point de fonctionnement nominal.
Question 30- Rappeler les relations liant la f.é.m. E à la vitesse angulaire Ω, et Ω à la fréquence de rotation
n en tr/min. Justifier alors la proportionnalité entre E et n.
Question 31- On se place au fonctionnement nominal et on suppose que les pertes collectives PC sont égales
à 27 W.
a) A quoi correspondent physiquement ces pertes collectives ?
b) Calculer la puissance absorbée Pa par le moteur,
c) Calculer les pertes dissipées par effet joule PJ dans l’induit,
d) Retrouver par le calcul la puissance mécanique utile Pu de 250 W indiquée au début de l’énoncé.
e) Calculer le rendement η ,
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13. D.REP 6
f) Calculer le couple utile Cu.
g) Nommer les deux circuits et compléter le schéma de démarrage direct du moteur ainsi que le tableau
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14. D.REP 7
Tâche 5 : Etude du principe de l’onduleur.
Question : 33. Cette tension est-elle : – alternative, – sinusoïdale, – continue ?
Question :34. Donner sa valeur moyenne Ucmoy.
Question : 35. Exprimer sa valeur efficace Uc en fonction de E.
Question : 36. Calculer la valeur de la fréquence f de cette tension.
Question : 37. Compléter le tableau des conductions des interrupteurs.
Question : 38. Proposer un montage à pont (4 interrupteurs) pour avoir une tension uc(t) de valeur
efficace égale à E.
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15. Page 15/16

16. JOINT DE CARDAN
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DRES 02