Conception et réalisation d’un prototype de véhicule...

Challenge Educ Eco 2010 – Mémoire de l’Ema Solar Team

Conception et réalisation d’un

prototype de véhicule électrique

Fiches techniques

Mai 2010

EMA Solar Team – Fiches techniques

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SOMMAIRE

Le Projet .................................................................................................................................................. 3

La démarche de projet ............................................................................................................................ 5

La sécurité ............................................................................................................................................... 7

Les performances .................................................................................................................................... 9

L’innovation ........................................................................................................................................... 11

La communication ................................................................................................................................. 13

Schématisation de la chaîne d’énergie ................................................................................................. 14

Annexe financière .................................................................................................................................. 15


3

Le Projet

Le concept

Nous avons choisi de concourir dans la catégorie prototype en présentant notre « e’ Max »,

véhicule électrique monoplace ultraléger et aérodynamique. Notre goût pour l’innovation et

les défis énergétiques ont porté nos choix sur une motorisation « tout électrique »

comprenant le stockage de l’énergie électrique embarquée.

Puisqu’en terme d’énergie « rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme »,

l’électricité stockée dans les batteries du prototype doit provenir d’une source primaire

d’énergie. Si ces batteries ont été chargées sur une prise secteur française, 96% de l’énergie

qu’elles contiennent proviennent d’une source fossile (hydrocarbures ou uranium). Si en

revanche les batteries ont été rechargées à partir d’un panneau photovoltaïque, 100% de

l’électricité ainsi récupérée provient d’une source d’énergie 100% renouvelable.

Afin de s’affranchir des contraintes d’adaptation d’un panneau solaire fixé sur le prototype

(poids supplémentaire, augmentation du coefficient de trainée aérodynamique, difficulté de

gestion de la recharge…) nous avons choisi d’en équiper notre stand. La surface de panneaux

peut donc y être bien plus grande et plus facilement exploitable. Les batteries seront

rechargées plus rapidement, et nous avons prévu d’en utiliser deux packs aisément

amovibles : pendant que l’un se recharge au stand l’autre est disponible pour le véhicule.

L’EMA Solar Team

Notre équipe est formée d’étudiants à l’Ecole des Mines d’Alès, école d’ingénieur

généraliste, issus de plusieurs promotions : 159, 160 et 161. Pour une meilleure visibilité,

nous avons créé un club « EMA Solar Team » affilié à l’association loi 1901 « Cercle des

Elèves de l’école des Mines d’Alès».

Les quatre porteurs de projet sont des élèves de 3ème

année :

• Guillaume GENIN. Option Mécanique et Matériaux, responsable conduite de projet

et motorisation.

• Steve PENOT. Option Mécanique et Matériaux, responsable communication et

mécanique.

• Olivier SCHOENENBERGER. Option Ingénierie des systèmes de production,

responsable électronique et télémétrie.

• Fryderyk POMIRSKI : responsable CAO.


4

L’objectif est de faire du Challenge Educ Eco un événement phare de la scolarité à

l’Ecole des Mines d’Alès en regroupant des élèves issus de l’ensemble des 4

promotions en cours. Les porteurs de projet veilleront à la transmission des

connaissances d’année en année, et nous visons ainsi l’amélioration continue de

notre prototype baptisé « e’Max ».

L’ e’Max

Entièrement conçu sous CAO (conception

assistée par Ordinateur), l’ « e’Max » a été

réalisé par une équipe d’étudiants de notre

école qui ont participé à une édition du

Shell Eco Marathon en catégorie essence.

Aujourd’hui nous convertissons ce

prototype à l’énergie électrique, convaincus

de l’avenir de ce mode de propulsion.

Caractéristiques :

• Poids à vide : 23kg.

• Dimensions : Longueur=2,50m, Hauteur=0,50m, Largeur=0,80m.

• Structure : coque en nid d’abeille et fibre de carbone

• Motorisation : Moteur roue 750W.

• Coefficient de trainée aérodynamique Cx=0,20.

• Consommation moyenne estimée par calculs sur le circuit de Nogaro : 53W

mécanique.


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La démarche de projet

Dans le cadre de notre scolarité à l’Ecole des Mines d’Alès, nous devons mener au

semestre 8 un “projet long” qui consiste à travailler sur un sujet d’ingénierie. Nous avons

proposé trois sujets, qui ont été acceptés par l’école et dont la réalisation a été effectuée par

trois équipes de deux élèves.

OBJECTIF

TACHES

ACTEURS

Réalisation

27avr2010

Planifier le projet

• A partir de l’étude du

règlement, extraire de celui-ci

un cahier des charges du

prototype

• Faire un diagramme Gantt

• Proposer des sujets de projet

long

Guillaume GENIN

Steve PENOT

Olivier

SCHOENENBERGER

Oui

Projet Long IMM :

Concevoir et réaliser

la motorisation de

l’Emax

• Dimensionnement des

batteries

• Dimensionnement du moteur

• Optimisation de la stratégie

d’alimentation

Guillaume GENIN

Steve PENOT

Oui

Projet Long IMM :


un système de

freinage sur le train

avant.

• Etude théorique

• CAO du système

• Choix des matériaux et

dimensionnement

• Usinage

Lionel LIMOL

Fryderyk POMIRSKI

Oui


6

Projet Long ISP :


un système

télémétrique de

mesures de la

consommation

énergétique

• Schémas électroniques

• Modélisation

• Impression des typons

• Réalisation

Alexandre DELEAU

Olivier

SCHOENENBERGER

Oui

Remise en état du

véhicule et test

• Harnais de sécurité

• Extincteur embarqué

• Feu stop

• Remplacement du pare-brise

• Test

Elèves de deuxième

année

Oui

Participer au

Challenge Educ Eco

2010 (16 au 19 Mai)

• Amener le véhicule à Nogaro

• Piloter le véhicule

• Assurer la maintenance

• Ramener le véhicule à Alès

Lionel LIMOL

Steve PENOT

Fryderyk POMIRSKI

Audrey ROSTAING

Anas JABIROUNE

Olivier

SCHOENENBERGER

Celine DELOMENEDE

Jonathan FAURE

non

En ce qui concerne la coordination de ces trois projets longs et des autres tâches,

nous avons dès le départ planifié des réunions hebdomadaires ainsi qu’un diagramme de

Gantt, qui nous ont permis de nous situer en permanence dans l’avancée du projet global.


7

La sécurité

La sécurité est un facteur tout à fait primordial dans la conception et la réalisation du

prototype. Nous nous sommes basés sur le règlement du Challenge Educ Eco afin d’en extraire le

cahier des charges des fonctions de sécurité.

FONCTION 1 : ASSURER LA SECURITE DU PILOTE

Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser ?

Protéger le pilote

en cas de

retournement

Arceau de

sécurité

Dépassement de 5 cm mini au

dessus de la tête du pilote

Résistance à une charge de 70 kg

Horizontale et Verticale sans se

déformer.

- 1 cm

- 2kg

F0

F0

Non

Non, l’arceau à

déjà une

résistance

suffisante sur

l’Emax.

Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser

Maintenir le

pilote en cas

d’accident

Harnais de

sécurité

Attache 5 points

Solidité éprouvée en levant le

véhicule par le harnais

0 points

+ 50kg

F0

F0

Oui

Oui


S’extraire

rapidement du

véhicule

Sans assistance

Avec assistance

Moins de 10 secondes

Ouverture marquée d’une flèche

rouge

Ouverture devant se faire sans

recours à un outil

-5sec

F0

F0

F0

Non

Oui

Non


Isoler la

motorisation et le

stockage

d’énergie

Cloison étanche

Cloison ignifugée

Etanchéité

Résistance au feu

1dL/s

In-

inflamm

able

F0

F0

A améliorer.

Non


8


Eteindre un

départ de feu

Extincteur à bord

du véhicule

1kg, ABC ou BC

A portée de main du pilote

F0

F0

Oui

Oui

Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser

Solidité du train

roulant

Résistance à la

charge appliquée

Limite élastique >2000 N 0 N F0 Oui


Isoler les roues

du pilotes

Présence d’une

cloison entre les

roues et le pilote

Oui/non F0 Oui


Couper le circuit

en cas d’urgence

Coupe-circuit Accessible de l’extérieur

Indiqué par une flèche rouge de

10cm de long 3cm de large

+5cm

F0

F0

Oui

Oui

FONCTION 2 : ASSURER LA SECURITE DES AUTRES CONCURRENTS


Ne pas blesser Pas d’angle vifs

sur le prototype

Rayon minimal de

5cm

+/- 1cm F0 Non


Avertir de la

présence du

véhicule

Emission d’une

onde sonore

Klaxon de 85db +/- 20db F0 Oui


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Les performances

Le but de la compétition étant de réduire la consommation totale, cette fiche à pour objectif

d’évaluer les différentes causes de pertes d’énergie et de les quantifier afin d’évaluer la puissance

consommée.

Données

Caractéristiques du circuit :

Longueur : L = 3636m

Pente max : p = 3,73 %

Caractéristiques du véhicule

Masse à vide : Mv = 23 kgi

Poids du pilote : Mp = 55 kg

Equipements divers (motorisation, extincteur…) : Me = 22 kg

Masse totale en charge : 100 kg

Coefficient de trainée aérodynamique : Cx = 0,202 (calculé par modélisation sous solidworks)

Surface de pénétration dans l’air : Sx = 0,43 m²

Nombre de roues = 3

Taille des roues = 20’’

Rayon de la roue avec le pneu : r = 0.255

Coefficient de frottement pneus/bitume (donnée constructeur + coeff de sécurité de 1,5 étant donné

l’âge et l’usure des pneus actuels) : K = 0,0015

Contraintes imposées par la compétition :

7 tours de circuit à Vmoy = 30 km/h, soit Vmoy = 8,33 m/s.

Dimensionnement de la Puissance moyenne mécanique nécessaire

Ce calcul donnera une évaluation de la puissance mécanique moyenne consommée pour un tour du

circuit de Nogaro. Il servira à dimensionner les batteries et le moteur.

Forces extérieures appliquées au véhicule en déplacement à vitesse constante égale à la vitesse

moyenne imposée :

Resistance aérodynamique

Faéro = 1/2*ρ*Sx*Cx*V²

Application Numérique : Faéro = 3,9 N


10

Resistance au roulement sur bitume

La résistance au roulement est due aux pertes dissipées dans le pneumatique, ainsi qu’aux pertes

dissipées dans les roulements de roue.

Fpneus = m*g*K

Application Numérique : Fpneus = 1,5 N

Etant donné le manque de données sur les caractéristiques des roulements à billes, nous avons fait

une estimation de la force résultant des pertes imputées à ceux-ci par mesure expérimentale de la

force nécessaire à la mise en mouvement du véhicule, à vitesse nulle, sur du plat et sur du bitume

sec. La valeur mesurée sur un Newton-mètre digital est de 4N environ. Nous en déduisons une

estimation de la valeur de la force liées aux pertes dans les roulements :

Froulements = 1 N.

Force Résultante

Ftotale = Faéro + Fpneus + Froulements

Ftotale = 6,4 N

Puissance mécanique moyenne

Pmoy = Ftotale * Vmoy

Application Numérique : Pmoy = 53 W

NB : Si ce calcul prend en compte les frottements aérodynamiques, pneumatiques et évaluent ceux

des roulements, il omet les pertes liées aux défauts de parallélisme des deux roues avant directrices,

les pertes générées par les frottements latéraux supplémentaires en virage, les pertes liées à la

déformation du châssis sous contrainte, et pour finir les pertes liées au rendement de la

motorisation. Compte-tenu qu’il est difficile d’agir sur ces pertes, excepté le rendement de la

motorisation qui est l’objectif de ce projet long, nous avons pris un coefficient de sécurité de 2 que

nous avons appliqué à la valeur de la puissance mécanique moyenne calculée ci-dessus.

Le dimensionnement des batteries et du moteur a donc été fait pour : Pmoy = 106 W


11

L’innovation

Voici les pistes d’innovations que nous avons suivies sur l’E-max :

Télémétrie

L’amélioration de toute performance nécessite la mesure de celle-ci. Dans cette optique une équipe

de trois élèves s’est penchée sur la réalisation d’un système de mesure de paramètres et

d’observation de leurs évolutions en fonction des différentes stratégies de course.

Les objectifs de ce sous-projet étaient :

• La mesure des paramètres sur le véhicule

• La transmission des paramètres par voie hertzienne

• L’affichage des ces paramètres sur un terminal situé dans les stands.

C’est une étude complète du système qui a été réalisée, de la conception de l’architecture jusqu’à la

réalisation des typons sous le logiciel EAGLE.

Parallèlement à cela, un logiciel d’affichage des données sur un l’ordinateur du stand a été réalisé,

ainsi que le programme du contrôleur de la carte d’acquisition située dans le véhicule.

Voici les paramètres mesurés :

• Vitesse instantanée

• Vitesse moyenne

• Tension batterie

• Energie consommée

• Intensité batterie

• Puissance

• Distance totale

• Température contrôleur

• Température batterie

• Tension batterie auxiliaire

• Position accélérateur

• Position volant

• Position frein

Optimisation et calcul de trajectoire

Lors d’un virage, des pertes latérales viennent s’ajouter aux pertes longitudinales. Il s’agit donc de

trouver la meilleure trajectoire, compromis entre la trajectoire qui minimise la distance et celle qui

minimise les pertes. Nous avons considérer les simplifications suivantes : vitesse constante dans le

virage, et trajectoire en arc de cercle. Le résultat est un programme de calcul Matlab qui résout 7

équations non linéaires, à partir des données d’entrée que sont le rayon de courbure du virage et les

coefficients de frottement longitudinaux et latéraux. Il fournit en sortie l’angle de braquage,

facilement exploitable par le pilote puisque la position du volant est mesurée par un capteur et

affichée sur l’ordinateur de bord.


12

Système directionnel : calcul de l’épure et CAO

L’ensemble du train avant dû être reconçu puisqu’il n’y avait pas de frein avant sur le

système en place datant du Shell Eco Marathon 1999. C’est une équipe de deux élèves,

spécialisés en conception assistée par ordinateur (CAO) qui s’est chargée de la conception et

de la réalisation d’un train avant intégrant des freins hydrauliques à disques. Après les

considérations théoriques classiques, dont le but était de définir l’épure de Jeantaud, cette

équipe s’est chargée de la conception des pièce sous le logiciel Solidworks (qui est un des

partenaires officiels de l’Ema Solar team), puis a fait les modélisations des efforts dans la

direction sous contraintes. Voici quelques résultats de ces modélisations :

Applications des forces :

Modélisation du coefficient de sécurité (qui doit être supérieur à 1 si la conception est bien

faite) :


13

La communication

Voici les actions de communication qui ont été menées :

• Vers les autres élèves de l’Ecole : campagne d’affichage en début d’année pour

recruter l’équipe, réunion de présentation du projet, soirée Educ Eco au bar de

l’Ecole.

• Vers les futurs entrants : stand d’exposition à la journée portes ouvertes de l’Ecole

des Mines d’Alès

• Vers les partenaires : dossier de partenariat, compte rendus réguliers.

• Sur Internet : Site du projet www.emasolarteam.com

Actions à venir :

• Communication grand public, articles de presse…

• Communication sur la performance réalisée auprès des élèves de l’EMA pour l’équipe

suivante.


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Schématisation de la chaîne d’énergie


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Annexe financière

Dès le départ les coûts ont pu être maîtrisés puisque nous partions d’un prototype déjà

existant. De plus le Cercle des Elèves, associations des élèves de l’Ecole des Mines d’Alès, a

contribué au projet en offrant une participation financière de 1500€, qui a couvert les frais

de réalisation qui n’était pas pris en charge par l’Ecole. Voici quelques éléments du budget :

• Réalisation des pièces mécaniques : 600€

• Achat de kits de frein à disques : couvert par l’Ecole

• Achat d’un moteur roue : couvert par l’école

• Accessoires de sécurité : 400€

• Réalisation des cartes électroniques de la télémétrie + composants électroniques :

couvert par l’Ecole.

De plus, voici les principaux partenaires qui nous ont soutenus dans ce projet :

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