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
EMA Solar Team – Fiches techniques
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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.
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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 :
Concevoir et réaliser
un système de
freinage sur le train
avant.
• Etude théorique
• CAO du système
• Choix des matériaux et
dimensionnement
• Usinage
Lionel LIMOL
Fryderyk POMIRSKI
Oui
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Projet Long ISP :
Concevoir et réaliser
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.
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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
Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser
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
Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser
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
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Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser
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
Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser
Isoler les roues
du pilotes
Présence d’une
cloison entre les
roues et le pilote
Oui/non F0 Oui
Sous-fonction Critère Niveaux Limite Flexibilité A réaliser
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
Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser
Ne pas blesser Pas d’angle vifs
sur le prototype
Rayon minimal de
5cm
+/- 1cm F0 Non
Sous-fonction Critère Niveau Limite Flexibilité A réaliser
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
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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
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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.
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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) :
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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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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 :