1. Étude de la caractéristique U=f(I) · Réaliser sur la même feuille PSIM le schéma ......
11
Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable T erm STI2D Modélisation d’un accumulateur électrique. CI8 : Caractérisation des chaines d’énergie TP Trans 4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 1/11 Objectif : L’objectif terminal est d’étudier la charge/décharge d’une batterie de voiture pour une application donnée. Pour ce faire, nous allons passer par différentes étapes. En premier et à partir de la documentation de la batterie NP65-12I, nous allons étudier la caractéristique U=f(I) Réaliser et simuler le modèle électrique équivalent, Réaliser et simuler le modèle fonctionnel, Étudier le comportement de notre batterie lors d’une charge à courant constant. 1. Étude de la caractéristique U=f(I) : Q1. A partir de la documentation technique fournie (en annexe en dernière page) donner la tension nominale de la batterie U et la valeur de la résistance interne Rint en m : U=12V R int =10.51mΩ Q2. Rappeler la relation qui lie la tension (Ubat) et le courant batterie (I) aux différents éléments de son schéma interne équivalent : = − × Q3. A partir de la relation précédente, rappeler le modèle électrique équivalent d’une batterie :
Transcript of 1. Étude de la caractéristique U=f(I) · Réaliser sur la même feuille PSIM le schéma ......
Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable Term STI2D Modélisation d’un accumulateur électrique.
CI8 : Caractérisation des chaines d’énergie TP Trans
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 1/11
Objectif : L’objectif terminal est d’étudier la charge/décharge d’une batterie de voiture pour une application donnée. Pour ce faire, nous allons passer par différentes étapes. En premier et à partir de la documentation de la batterie NP65-12I, nous allons étudier la caractéristique U=f(I)
Réaliser et simuler le modèle électrique équivalent,
Réaliser et simuler le modèle fonctionnel,
Étudier le comportement de notre batterie lors d’une charge à courant constant.
1. Étude de la caractéristique U=f(I) :
Q1. A partir de la documentation technique fournie (en annexe en dernière page) donner la tension
nominale de la batterie U et la valeur de la résistance interne Rint en m :
U=12V
Rint=10.51mΩ
Q2. Rappeler la relation qui lie la tension (Ubat) et le courant batterie (I) aux différents éléments de
son schéma interne équivalent :
𝑼𝒃𝒂𝒕 = 𝑬 − 𝑹𝒊𝒏𝒕×𝑰
Q3. A partir de la relation précédente, rappeler le modèle électrique équivalent d’une batterie :
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 2/11
Une charge résistive est connectée à la batterie afin de réaliser une campagne de mesure. On relève le courant absorbé par la charge (donc fourni par la batterie) et la tension aux bornes de la batterie.
Q4. Réaliser le schéma de câblage afin de réaliser la campagne de mesure.
Q5. On envisage de réaliser une série de mesure en faisant varier la charge, donc le courant. Afin de prévoir les résultats répondre à la question suivante Après avoir déterminé E (f.e.m.) compléter le tableau ci-dessous en calculant les différentes valeurs théorique de Ubat.
I (A) 0 20 40 60 80 100
Ubat(V) 12V
Q6. A partir des résultats précédents, tracer Ubat=f(I) :
Ch
arge résistive
A
V
Ubat (V)
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 3/11
2. Simulation du modèle électrique équivalent à l’aide du logiciel PSIM
Nous allons réaliser une simulation du montage précédent. Pour se faire, il va falloir au préalable saisir le schéma équivalant de la batterie et placer la charge dans le logiciel PSIM, logiciel de simulation électrique.
Q7. Pour arriver à cet objectif, suivez à la lettre les consignes ci-dessous afin de réaliser la simulation du modèle électrique équivalent (c’est votre autonomie qui sera évaluée) :
1. Démarrer PSIM ,
2. Créer une nouvelle feuille de schéma en faisant : Fichiernouveau (en anglais : FileNew
save).
3. Enregistrer-la sous votre nom dans votre espace mémoire : Fichierenregistrer sous.
4. Placer les différents éléments du modèle équivalent à l’aide des raccourcis placés en bas à gauche.
Pour faire tourner les différents éléments, il suffit de faire un clic droit juste après l’avoir sélectionné.
Réaliser les connexions électriques à l’aide de l’outil « Wire »
Double-cliquer sur chacun des éléments pour renseigner leur nom et leur valeur. « Appuyer sur Echap (ou Esc) pour sortir du menu »
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 4/11
En cochant la case display, le nom de l’élément apparait sur le schéma. Vous pouvez ensuite déplacer ce nom là ou vous le souhaitez afin de rendre le schéma lisible.
Ne pas oublier de cocher la case « display » permettant de montrer la valeur de la mesure pendant la simulation, cela vous permettra d’avoir directement les résultats affichés sur votre schéma.
Q8. Quel élément du schéma permet de faire varier le courant délivré par notre batterie :
La résistance de charge
Q9. Compléter le tableau ci-dessous en simulant différentes valeurs de Rcharge
Pour lancer la simulation, il faut appuyer sur F8, mais attention : 2 fenêtres s’ouvrent, ce sont des fenêtres qui permettent de visualiser l’allure des signaux en fonction du temps. Comme nous réalisons des mesures en continu, vous pouvez fermer ces fenêtres et lire directement sur votre schéma la valeur des différents éléments. « Appuyer sur Echap (ou Esc) pour sortir du menu »
Rcharge(Ω) 0,15 0,2 0,4 0,6 1 10 000
I (A)
U(V)
Q10. Reporter la courbe obtenue en simulation sur le même graphique que celle obtenue dans la
question Q6.
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 5/11
Q11. En comparant les deux courbes, dire si le modèle est proche de la réalité.
Oui
3. Étude du schéma fonctionnel de la batterie :
Q12. Compléter le schéma fonctionnel de la batterie :
Q13. Réaliser sur la même feuille PSIM le schéma fonctionnel de la batterie :
Pour cela, suivre la procédure ci-dessous : Poser les différents éléments du modèle.
A l’aide de l’outil Wire, , réaliser les connexions
Placer des voltmètres , pour mesurer et afficher la valeur de U et I.
inserer une constante Attention à bien mettre les gains K dans le bon sens à l’aide du clic droit. Vérifier les flèches d’entrée et de sortie !
Vous remarquerez, que les fils ne sont pas de la même couleur. En effet, le logiciel ne les considère plus comme des connexions électriques.
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 6/11
Q14. Compléter le tableau ci-dessous en simulant pour différentes valeurs de Rcharge le schéma fonctionnel
Rcharge(Ω) 0,15 0,2 0,4 0,6 1 10 000
1/Rcharge(Ω)
U(V))
I (A
Q15. Les résultats obtenus sont-ils conformes avec ceux du modèle électrique ?
Oui
L’intérêt du modèle fonctionnel est de ne pas se limiter à la simulation d’élément électrique. Nous verrons plus tard comment simuler le fonctionnement d’un moteur associé à une chaine de conversion d’énergie mécanique.
4. Étude du modèle électrique équivalent.
On repasse désormais sur le modèle électrique équivalent afin de mettre en avant les avantages de la simulation.
Q16. Déterminer à partir de la simulation le courant de court–circuit théorique Icc1. (remplacer la résistance par un fil)
Remplacer la résistance de charge par un fil 𝑰𝒄𝒄 = 𝟏𝟏𝟒𝟏
Q17. Serait-il possible de réaliser cet essai en vrai ? Pourquoi ?
Non, ce courant est très important, et nous n’avons pas
d’équipement permettant de les mesurer. De plus lors de cet essai
la batterie peut s’échauffer et exploser.
Q18. Calculer la valeur de courant de court-circuit Icc2 et comparer à la valeur Icc1 donnée par la
simulation.
𝑰𝒄𝒄 =𝑬
𝑹𝒊𝒏𝒕=
𝟏𝟐
𝟎.𝟎𝟏𝟎𝟓𝟏= 𝟏𝟏𝟒𝟏, ce résultat est identique à la simulation
Q19. Comparer avec la valeur Icc donnée par le constructeur. Donner une piste de réflexion pour
expliquer cette différence.
Icc_constructeur=1375A, nous avons pris comme tension à vide la 12V.
Pour améliorer le modèle, il faudrait faire des essais en réel
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 7/11
5. Étude de la charge
Remplacer la charge par une alimentation de type à courant continu (Current DC) : C’est cette alimentation qui va charger la batterie. La batterie est donc maintenant un récepteur et non une source.
Q20. Compléter le tableau ci-dessous en simulant différentes valeurs de Icharge.
Icharge (A) 0 10 20 30 50 60
Ubat(V)
Q21. Tracer Ubat=f(Icharge) pendant la charge. ATTENTION au sens et au signe du courant !
Ubat (V)
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 8/11
Q22. Justifier les résultats obtenus (le changement de signe, la variation etc.)
Le courant s’inverse, la tension aux bornes de la résistance interne
s’inverse aussi et vien t donc s’additionner cette fois-ci à la tension
à vide E.
EUbat
Modèle électrique équivalent
RintI
URint
6. Étude énergétique
La résistance interne de la batterie est un élément inhérent à sa conception. Elle génère des pertes. L’objectif de cette partie va être de mesurer l’énergie perdue dans cette résistance interne. Pour rappel en continu, P = U×I. Donc, une sonde de tension mesure URint et une sonde de courant IRint, puis on multiplie les valeurs données par celle-ci afin d’obtenir la puissance. Ensuite, avec un bloc intégrateur, on intègre cette puissance afin d’observer l’évolution de l’énergie (cela revient ICI à faire
W = P×t).
Important : Bien renseigner le champ
Name : « P » ou « Energie » afin de savoir qui est quoi.
Régler la constante
d’intégration de l’intégrateur à 1s
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 9/11
Cliquer dans Simulate puis sur simulation control et poser « l’horloge » sur votre schéma.
Régler le pas de calcul à 0.01s
Régler le temps de la simulation à 10s
(Temps de décharge)
10/0.01 = 1000 points de mesure
Mettre une résistance de charge de 1Ω
Appuyer sur F8, puis quand la fenêtre s’ouvre :
Sélectionner P et Energie
Q23. Quelle quantité d’énergie est dissipée par la résistance interne pendant 10 secondes de fonctionnement ?
E=15j
Q24. Imprimer le relevé avec les deux graphes P(t) et Energie(t) et justifier l’allure temporelle de ces deux grandeurs :
La puissance dissipée par la résistance interne de la batterie est
une constante, puisque le courant débité est constant.
Pdissipée=Rint×I²
L’énergie est une droite puisque plus le temps passe plus on
consomme d’énergie, E=P×t.
Rappel mathématique : l’intégration d’une constante est une
droite.
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 10/11
Q25. Si l’on souhaite réaliser une mesure de la puissance perdue lors de la charge de la batterie, il est nécessaire de mettre en place un protocole de mesure. Pour cela, réaliser le schéma permettant la mesure de la puissance dissipée par Rint.
Indiquer le sens du courant Ibat.
Q26. L’ampèremètre mesure le courant Ibat. Vous avez placez votre voltmètre d’une certaine façon, que mesure alors le voltmètre ?
Le voltmètre mesure la tension Ubat et non URint
Q27. Comment faire alors pour calculer les pertes joules dû à la résistance interne Rint.
E est mesurée à vide et URint = Ubat – E. Ensuite, on peut faire P j =
URint×Ibat
7. Conclusion
Q28. Afin de faire la synthèse de cette étude, donner la formule permettant le calcul du rendement
de cette batterie.
Pabsorbé = Ubat×Ibat 𝐏𝐣 = 𝐑𝐢𝐧𝐭×𝐈𝐛𝐚𝐭𝟐 𝜼 =
𝑷𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃é−𝑷𝒋
𝑷𝒂𝒃𝒔𝒐𝒓𝒃é
Q29. Comment évolue le rendement de la batterie lorsque le courant augmente ?
On remarque que plus le courant délivré par la pile est élevé, plus
le rendement diminue.
A
V
T STI2D Modélisation d’une batterie TP
4 TP Modélisation d'une batterie E_v2 Lycée Jules Ferry – Versailles 11/11
