Pour obtenir le grade de. Spécialité : Micro & Nano Electronique. Arrêté ministériel : 7 août «Guy / WALTISPERGER»

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1 THÈSE Pour obenr le grade de DOCTEU DE UNIVESITÉ DE GENOBE Spécalé : Mcro & Nano Elecronque Arrêé mnsérel : 7 aoû 2006 Présenée par «Guy / WATISPEGE» Thèse drgée par «Skandar / BASOU» préparée au sen du aboraore d Elecronque e de Technologe de l Informaon ETI e du aboraore de Technque de l Informaque e de la Mcroélecronque pour l Archecure des sysèmes négrés TIMA dans l'école Docorale Elecronque, Elecroechnque, Auomaque e Traemen du Sgnal EEATS Archecures négrées de geson de l énerge pour les mcrosysèmes auonomes Thèse souenue publquemen le «7 Ma 20», dean le jury composé de : Professeur, Chrsan, PIGUET Coordnaeur scenfque au CSEM à Neuchâel en Susse, Professeur à l EPF à ausanne en Susse, Présden Professeur, Nacer, ABOUCHI Professeur à CPE yon, apporeur Professeur, Pascal, NOUET Professeur à Monpeller II, apporeur Professeur, Skandar, BASOU Professeur à Grenoble I, Membre Doceur, Cyrl, CONDEMINE Ingéneur de recherche au CEA de Grenoble, Membre

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3 EMECIEMENTS Je ens à remercer en ou premer leu Skandar Basrour e Cyrl Condemne qu on respecemen drgé e encadré cee hèse. Tou au long de ces ros années, ls m on souenu e adé à orener mes recherches ou en m éclaran sur le fonconnemen des mcrosysèmes e des récupéraeurs d énerge, de la mécanque des maéraux jusqu aux foncons élecronques les plus complexes. Je remerce les rapporeurs de cee hèse, Pascal Noue e Nacer Abouch, pour la rapdé e la rgeur aec lesquelles ls on lu mon manuscr e l nérê qu ls on poré à mon raal. Merc égalemen au présden du jury Chrsan Pgue pour le f nérê qu l a poré à mon raal. Merc à Jean-ené èquepeys e à oland Blanpan, chefs de déparemen au ETI pour m aor accuell e pour leur confance. Je oudras remercer deux collègues qu jouen un rôle fondamenal dans le déeloppemen de la plae-forme MANAGY. Tou d abord Frédérc ohan pour ses consels asés e son souen echnque. Pus Jérôme Wllemn pour son regard crque, me permean de prendre le recul nécessare e de eller à la proecon des dées noarces ssues de ce raal. J a eu égalemen le plasr de collaborer aec des laboraores franças ans qu aec des grandes enreprses du seceur de l énerge e de la mcroélecronque. Je remerce les collaboraeurs aec lesquels j a eu la chance de raaller e qu m on perms d affner mon proje. J exprme oue ma reconnassance à ma fancée, pour l aenon qu elle a porée à la lecure de mon manuscr ans qu à ma famlle, e mes ams pour le rôle fondamenal qu ls on joué au coé de ma fancée en me souenan pendan ces ros nenses années. Enfn, une pensée émue pour les collègues, docorans e éudans aec qu j a paragé des nsans conaux e qu on perms la réalsaon de mes raaux pendan ces ros années au sen des laboraores du ETI e du TIMA : H. herme, J.-F. Chrsmann, A. amond, E. Colne, S. Daué, H. Fane, G. Despesse, J.-J. Challou, P. Audeber, E. Deleoye, S. obne, Clare, Sahar, Grégory, Anon, Alexandre, Chady, Hela, Hamd, Marjolane, Huber, Samuel, Gullaume, Julen, Brce, Mooï, Paco, Maxme, Agnès, Wenbn, Marcn,...

4 «Conserons par la sagesse ce que nous aons acqus par l'enhousasme» Condorce T Å yå ÄÄx

5 TABE DES MATIEES TABE DES MATIEES 5 ESUME 7 GOSSAIE 9 INTODUCTION CHAPITE I : ES MICOSYSTEMES AUTONOMES 3. INTODUCTION 7 2. ES MICOSYSTEMES AUTONOMES Ea de l ar e proje MANAGY ES SYSTEMES DE ECUPEATION D ENEGIE es sysèmes phooolaïques es généraeurs hermoélecrques es sysèmes de récupéraon mécanque Comparason des dfférens sysèmes de récupéraon d énerge CONCUSION 45 CHAPITE II : A GESTION D ENEGIE 47. INTODUCTION 5 2. ES PINCIPES DE GESTION D ENEGIE es régulaeurs lnéares de ype DO es conersseurs à découpage Concluson sur les régulaeurs e les conersseurs Mesure de pussance GESTION OPTIMISEE DE ENEGIE Exracon du maxmum d énerge Sockage effcace de l énerge FONCTIONNEMENT ET TANSFET OPTIMISES POU UNE INTEGATION EFFICACE DANS A PATE-FOME MUTI-SOUCES / MUTI-CHAGES Ea de fonconnemen du sysème Modfcaon du chemn de pussance Inégraon dans la plae-forme MANAGY CONCUSION 86 CHAPITE III : MODEISATION DU MODUE DE ECUPEATION PHOTOVOTAÏQUE DU MICOSYSTEME AUTONOME 87. INTODUCTION 9 2. ES SYSTEMES DE ECUPEATION D ENEGIE PHOTOVOTAÏQUE 9 2. e module phooolaïque en CIGS es sysèmes de récupéraon de l énerge phooolaïque CIGS Comparason du sysème proposé aec un sysème basque adapé à la echnologe CIGS MODEISATION DU CONVETISSEU DC/DC 0 3. e conersseur à double sore e conersseurr à double sore aec la cellule phooolaïque 2

6 4. ETUDE ET SEGMENTATION DE A METHODE DU MPPT 5 4. a méhode du MPPT smple capeur de enson Smulaon des sous-blocs de la méhode du MPPT 7 5. SIMUATIONS GOBAES 8 5. Exracon du maxmum d énerge Synhèse des spécfcaons CONCUSION 27 CHAPITE IV : EAISATION DU SYSTEME DE GESTION D ENEGIE 29. INTODUCTION ES CONTAINTES TECHNOOGIQUES ET A METHODE DE CONCEPTION Chox de la echnologe UMC 80 nm a méhodologe de concepon op-down E FITE DE PUISSANCE es ranssors de pussance e les drers assocés a dode sans seul e shun proecon conre la surenson e DTC : Dead Tme Conrol ogque Fonconnemen global du flre de pussance E BOC POU A METHODE DU MPPT Esmaon de la araon de P PV er sous-bloc Généraon du noueau rappor cyclque 2 e sous-bloc Généraon du sgnal de ype PWM 3 e sous-bloc ES BOCS PEMETTANT A EGUATION DU SYSTEME e BandGap e comparaeur à hyséréss PEFOMANCES GOBAES OBTENUES Démarrage du sysème e fonconnemen en régme éabl e fonconnemen en cas de surcharge en sore es performances du sysème CONCUSION 70 CONCUSION ET PESPECTIVES 7 ANNEXE : FONCTIONNEMENT D UN CONVETISSEU DE TYPE BOOST 73 ANNEXE 2 : MISE EN EQUATION DU CONVETISSEU ASSOCIE AU MODUE PHOTOVOTAÏQUE 79 ANNEXE 3 : INDUCTANCE TAIYO YUDEN CBC3225T220K 83 ANNEXE 4 : CAACTEISTIQUES DE A TECHNOOGIE UMC 80 NM 85 ANNEXE 5 : EXPICATION DU SCHEMA DU BOC DE SEECTION ET DE COMPAAISON DES VAEUS ABSOUES 87 ANNEXE 6 : EIMINATION DU PASSAGE DU COMPTEU/DECOMPTEU DE A DENIEE VAEU A A PEMIEE ET VICE VESA EN ADEQUATION AVEC A METHODE DU MPPT 89 ANNEXE 7 : PIES CAS TECHNOOGIQUES POU E BANDGAP 9 EFEENCES BIBIOGAPHIQUES 93 BIBIOGAPHIE DE AUTEU 20

7 ESUME Augmener la durée de e d'une ple, ore s'en passer es aujourd'hu deenu une oblgaon pour les mcrosysèmes. En effe, à cee échelle, le remplacemen des ples e leur reje dans l enronnemen son problémaques. a oe préconsée pour répondre à ce enjeu es d ulser des sources d énerge renouelables solare, hermque e mécanque. Pour cela, nous proposons de déelopper une plae-forme de récupéraon d énerge mulsources/mul-charges MANAGY capable de s adaper à son enronnemen pour en exrare le maxmum d énerge e répondre à des applcaons derses. archecure es consuée de chemns drecs e de chemns ndrecs où l énerge proenan des sources es d abord ransférée dans une uné de sockage aan d êre réulsée par les charges du mcrosysème. ulsaon de cee nouelle archecure perme d opmser le ransfer d énerge enre sources e charges e amélore le rendemen du sysème de 33%. Aan de déelopper une archecure mul-sources, nous aons cherché à amélorer le rendemen de la source phooolaïque PV qu, au u de l éa de l ar, a la densé de pussance la plus éleée. a recherche du rendemen maxmum de la source PV reen à la recherche du pon de pussance maxmum MPPT. Il exse pour chaque condon d rradance, de empéraure, e d énerge exraes un couple enson-couran permean à la source de fournr un maxmum de pussance MPP. Grâce à l ulsaon de deux chemns de pussance, nous arrons smulanémen à créer une boucle de régulaon fable pussance agssan sur le rappor cyclque du sysème de geson d énerge MPPT e une boucle de régulaon de la enson de sore agssan sur le ransfer de l énerge. a modélsaon du sysème nous a perms de spécfer ses performances. Pour aendre les performances requses, des archecures nnoanes on éé réalsées qu on fa l obje de ros brees. De plus, des blocs ne son acés qu aux nsans de changemen d éa du sysème e son conçus, quand cela a éé possble, aec des ranssors fonconnan en mode fable nerson. Toues ces opmsaons permeen au sysème de fonconner sur une large plage de araon de l éclaremen de condons néreures supéreures à 500 lux à exéreures aec un rendemen proche de 90%. Mos-clés : capeur auonome - geson de l'énerge - récupéraon d'énerge - MPPT - mcrosysèmes - MEMS

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9 GOSSAIE - AN : Agence Naonale de la echerche - CAN : Conersseur Analogque Numérque - CCM : Connuous Conducon Mode - CIGS : hn-flm Copper Indum Gallum dselende, maérau polycrsalln - CNS : Cenre Naonal de la echerche Scenfque - CTAT : Complemenary To Absolue Temperaure - DCM : Dsconnuous Conducon Mode - DSP : Dgal Sgnal Processor - DVFS : Dynamc Volage and Frequency Scalng - GD : Groupemen De echerche - Irradance ou Eclaremen : quanfe la pussance élecromagnéque par uné de surface, exprmé en W.m -2 ou en Sun aec W.m -2 = msun - DO : ow Drop Ou - MEMS : Mcro-Elecro-Mechancal Sysem - MPP : Maxmum Power Pon, pon de pussance maxmale - MPPT : Maxmum Power Pon Trackng, recherche du pon de pussance maxmale - MPW : Mulple Projec Wafer - NEMS : Nano-Elecro-Mechancal Sysem - OPDC : Ordered Power Dsrbue Conrol - OTA : Operaonal Transconducance Amplfer - PDM : Pulse Densy Modulaon - PFM : Pulse Frequency Modulaon - PPM : Power Pahs Managemen - PS : Power Supply ejecon ao, PS = 20 log V n / V ou - PTAT : Proporonal To Absolue Temperaure - PV : PhooVolaïque - PWM : Pulse Wdh Modulaon - SIDO : Sngle Inducor Dual Oupu - SIMO : Sngle Inducor Mulple Oupu - SISO : Sngle Inducor Sngle Oupu - SMPS : Swched Mode Power Supply, conersseur de pussance à commuaon - SOI : Slcon On Insulaor - SSDI : Synchronzed Swch Dampng on Inducor - SSHC : Synchronzed Swch Haresng on Capacor - SSHI : Synchronzed Swch Haresng on Inducor - TEG : ThermoElecrc Generaor - WSN : Wreless Sensor Node

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11 Inroducon Inroducon Au jour d aujourd hu bon nombre de sysèmes on une auonome lmée par leur ple. Mas aec l arrée des mcrosysèmes auonomes e l élargssemen des domanes d applcaons nous ne pouons plus nous permere n le remplacemen, n l mpac du reje des ples usagées à une plus grande échelle. Ce raal de hèse effecué au sen du ETI a conrbué à l aancemen de deux projes ndusrels mulparenares HOMES, ST_PowerHub aec les enreprses STMcroelecroncs, Schneder Elecrcs e la collaboraon du ITEN 2. De plus ces raaux fon pare du proje académque SESAM 3 souenu par l AN 4. Ces projes sen à ulser l énerge ambane pour almener les sysèmes élecronques. e proje HOMES par exemple, se à déelopper un sysème auonome consué de capeurs de empéraure, d humdé e de CO 2 pour réguler e opmser le chauffage e la enlaon au nombre de personnes occupan une pèce. ndépendance du sysème du réseau élecrque e l ulsaon de la communcaon par rado fréquence perme de posonner le sysème à la melleure place dans la pèce e de s adaper aux modfcaons d usage de la pèce. e remplacemen de l énerge proenan de la ple par de l énerge ssue de sources de récupéraon d énerge permera d une par, d allonger la durée de e du sysème pour que celle-c so supéreure à dx ans e d aure par de rédure les opéraons d nsallaon e de manenance. Cee hèse a pour objecf d augmener la durée de e des sysèmes e de rédure le coû e l mpac enronnemenal des mcrosysèmes. Nous aons éudé les mcrosysèmes auonomes pour pouor amélorer leurs archecures. Cee améloraon passe par une négraon plus performane des sources de récupéraon d énerge pour fournr d aanage d énerge au mcrosysème. Nore objecf à long erme es de déelopper une plae-forme de récupéraon d énerge mul-sources/mul-charges que nous nommons MANAGY fgure. Elle permera au mcrosysème de s adaper à son enronnemen pour en rer le maxmum d énerge e elle pourra répondre aux derses applcaons pouan mere en œure un mcrosysème auonome. Nous commençons dans un premer emps, à déelopper le bloc permean la récupéraon e la geson de l énerge phooolaïque. es raaux de cee hèse on pour objecf de fournr ce élémen clé pour la fuure plae-forme de récupéraon d énerge. Ce bloc permera de récupérer le maxmum d énerge du module phooolaïque, qu sera ransférée de la manère la plus effcace possble aux charges du mcrosysème. améloraon du ransfer énergéque es permse grâce au déeloppemen d une archecure composée de pluseurs chemns de pussance, chemns qu seron reprs dans la plae-forme de récupéraon d énerge MANAGY fgure. Ces chemns permeron d almener drecemen les charges du mcrosysème e de socker l énerge exrae en plus des sources d énerge pour un usage uléreur. ETI : aboraore d Elecronque e des Technologes de l Informaon au sen du CEA 2 ITEN : aboraore d Innoaons pour les Technologes des Energes nouelles e les Nanomaéraux au sen du CEA 3 SESAM : Smar mul-source Energy Scaenger for Auonomous Mcrosysems 4 AN : Agence Naonale de la echerche

12 Inroducon a plae-forme de récupéraon d énerge Obje de la hèse Charges Fgure : Archecure smplfée de la plae-forme de récupéraon d énerge MANAGY ETI a hèse es composée de quare chapres. e premer chapre perme l éude des mcrosysèmes auonomes ans que des sources de récupéraon d énerge. Cee éude permera de défnr une nouelle archecure pour les nœuds de capeurs auonomes e de jusfer l archecure de la plae-forme de récupéraon d énerge MANAGY. Nous comparerons les dfférenes sources de récupéraon d énerge pour défnr celles qu seron les plus pernenes. e deuxème chapre es dédé à la geson d énerge, nous éuderons les dfférenes archecures permean de récupérer e de ransférer l énerge pour défnr celle qu sera la plus adapée aux mcrosysèmes auonomes. Dans le rosème chapre nous présenons la modélsaon du sysème de geson e de récupéraon d énerge. Nous proposerons la mse en œure d une nouelle méhode de maxmsaon de la pussance délrée par un module phooolaïque, adapée aux fables pussances. En effe, nous aons une conrane mporane sur la consommaon du crcu négré, pour que celu-c pusse fonconner dans une large gamme de paramères enronnemenaux. Dans le quarème chapre nous déallons les dfférens blocs de l archecure conçus dans la echnologe UMC 80 nm. Nous déelopperons, pour cela, de noueaux blocs à fable consommaon e nous défnrons des archecures bas neau qu permeron de rédure les consommaons saques e dynamques ou en répondan à la fonconnalé souhaée aec le mnmum de surface de crcu négré. Nous résumerons dans la concluson les pons clé du raal de hèse e nous proposerons des perspeces. Pour smplfer la lecure du manuscr, nous reporerons en annexes les éapes de calculs e les nformaons des complémenares. 2

13 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes CHAPITE I : ES MICOSYSTEMES AUTONOMES 3. INTODUCTION 7 2. ES MICOSYSTEMES AUTONOMES Ea de l ar e proje MANAGY ES SYSTEMES DE ECUPEATION D ENEGIE es sysèmes phooolaïques es généraeurs hermoélecrques es sysèmes de récupéraon mécanque Comparason des dfférens sysèmes de récupéraon d énerge CONCUSION 45 3

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15 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes ESUME DU CHAPITE I a dmnuon crossane de la consommaon e de la alle des sysèmes élecronques perme aujourd hu d ajouer oujours plus de fonconnalés pour un même budge énergéque. En parallèle, de nombreux raaux on perms d amélorer les sources de récupéraon d énerge e en parculer leur densé de pussance. a conergence de ces deux domanes nous a perms d ensager la créaon d un sysème auonome almené à parr de la récupéraon de l énerge de l enronnemen. Dans un premer emps, nous aons effecué un éa de l ar des mcrosysèmes auonomes. Nous aons pu ans carographer les cenres de recherche les plus aancés dans le domane e déermner les grands axes de recherche. S un grand nombre de raaux on poré sur la dmnuon de la consommaon des conersseurs, e sur l améloraon des unés de calcul, peu de raaux cherchen à opmser l énerge délrée par les sources de récupéraon d énerge e praquemen aucun ne rae de l améloraon du ransfer énergéque enre sources e charges. Des raaux son en cours sur l élaboraon de sysèmes mul-sources mas son pour l nsan lmés à la juxaposon de sources. Il paraî donc néressan de raaller sur l opmsaon de l énerge au sen des mcrosysèmes an au neau des sources que de leur mse en parallèle aan de mere en œure de nouelles soluons de ransfer de l énerge. Pour permere d aancer sur ces domanes nous meons en œure une plae-forme mul-sources e mul-charges, nommée MANAGY, permean l opmsaon de l énerge an au neau des sources que du ransfer e de son ulsaon. éude des sources dsponbles pour les sysèmes auonomes, en parculer les sources phooolaïques, hermques e braores, monre que les sysèmes de récupéraon phooolaïque on le plus for poenel. Parm ce ype de source d énerge nous aons chos la echnologe CIGS 5 qu se dégage grâce à ses fors rendemens de conerson. Par conre les cellules phooolaïques délren une enson qu dmnue aec la pussance ncdene reçue. De plus, comme pour les aures echnologes de récupéraon phooolaïque, la cellule es caracérsée par un couple enson-couran pour lequel elle déeloppe une pussance maxmale en sore. 5 CIGS : hn-flm Copper Indum Gallum dselende, maérau polycrsalln 5

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17 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Chapre I : es mcrosysèmes auonomes. Inroducon nroducon de crcus auoalmenés qu ulsen les ressources dsponbles dans leur enronnemen sur une longue durée de e a êre crucale pour bon nombre d applcaons auonomes. En effe, aec la polque acuelle de réducon de la consommaon élecrque d une par e de la réducon des déches d aure par, l a fallor déelopper des sysèmes auonomes qu ne soen plus relés au réseau élecrque e généran mons de déches grâce à la suppresson du remplacemen des baeres. Cec es possble grâce à la conergence de la réducon de la consommaon e de l améloraon des sources de récupéraon énergéque. Comme le monre la fgure I-, année après année, la consommaon a éé sgnfcaemen rédue permean d ensager un mcrosysème auonome aec une consommaon moyenne d une cenane de mcrowas. Feulle de roue de l assocaon des ndusrels des semconduceurs SIA 997 Ples alcalnes Ples à combusble Thermogénéraeurs Fgure I- : Eoluon de l énerge dans les sysèmes élecronques. Un moyen de rédure l nellgence embarquée es de réparr l nellgence dans chaque nœud auonome pour connuer à effecuer les mêmes calculs complexes. nellgence es ans paragée enre les dfférens sysèmes de capeurs e d aconneurs auonomes. Par exemple, l sera possble de communquer drecemen aec des cellules du corps n-o afn d accroîre l effcacé des médcamens en délran des doses aux momens adéquas [BU 2009]. On pourra ans drecemen conre ré-aconner le corps human pour éer la surenue d une crse en lman ans les chues e les séquelles assocées. De els sysèmes peuen permere d amélorer le su de grandeurs physques, permean par exemple la surellance de la chaîne du frod, qu nécesse des mesures de empéraure à ous les sades de la e du produ [JED 2005]. Dans de elles applcaons où la dsponblé d énerge n es pas consane, une geson nellgene de l énerge s mpose. Celle-c a déermner le poenel de raemen des données. De plus, la pussance e l énerge moyenne consommée doen êre fables, car le sysème sera almené à parr de sources de récupéraon d énerge qu ne génèren que de fables pussances moyennes de l ordre d une cenane de mcrowas par cenmère carrée. En effe, dans des enronnemens de empéraures négaes, les baeres e accumulaeurs présenen de rès mauases performances. Tous ces défs doen êre prs en consdéraon pour dégager les conranes de concepon d un fuur sysème auonome, pouan par exemple récupérer l énerge hermque e emmagasner de l énerge dès les 7

18 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes premers mcrowas reçus. es déeloppemens dans ce domane peuen s appuyer sur la conergence d une large demande de la par des ndusrels, des pouors publcs e des personnes. Ans, par exemple, d après la lse BUSINESS 2.0 [PES 2003], les capeurs auonomes fon pare des sx echnologes qu on modfer profondémen le monde d aujourd hu. e MIT e GOBAFUTUE [TEC 2003] on quan à eux denfé les WSN 6 réseau de capeurs comme une des dx echnologes émergenes qu auron un mpac for sur le fonconnemen de nos socéés. De plus, un bon nombre de communcaons poren sur les proocoles e les archecures des WSN. IMEC Inerunersy McroElecroncs Cener, l Unersé de Berkeley, le MIT Massachuses Insue of Technology, l nsu Fraunhofer, l Unersé Georga Tech, le AAS aboraore d Analyse e d Archecures des Sysèmes e le CSEM Cenre Susse d Elecronque e de Mcroechnque raallen sur des raaux du même ype, cerans au neau maérel e d aures pluô au neau proocole e réseau. En France, nous aons pluseurs groupemens de recherche GD MNS, GD ECAP, GD SoC SP 7 qu poren sur le suje. Ils son souenus par le CNS 8, e cerans de leurs projes par l AN 9, à Toulouse, yon, Grenoble, Bres, Pars e Monpeller. Pour donner une son globale des appors des mcrosysèmes auonomes oc quelques applcaons décres dans le lre «Smar Dus : sensor nework applcaons, archecure, and desgn» [IY 2006]. applcaon qu sera la plus répandue sera celle du conrôle de la oure. es mesures des capeurs auonomes permeron d amélorer les performances du éhcule ans que la sécuré e le confor au sen de l habacle fgure I-2. Fgure I-2 : es capeurs sans fl dans l auomoble [SCI 2009]. Ben sûr l ndusre es rès néressée par les capeurs auonomes, que ce so : 6 WSN : Wreless Sensor Node 7 GD MNS : Groupemen De echerche Mcro e Nano Sysèmes, ECAP : éseau de Capeurs, SoCSP : Sysème on Chp Sysème n Package 8 CNS : Cenre Naonal de la echerche Scenfque 9 AN : Agence Naonale de la echerche 8

19 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes - dans le domane de l aéronauque, pour pouor à parr de mulples pons de mesures déermner l usure de l apparel e facler son enreen e son conrôle, - pour rendre les bureaux nellgens, - pour géolocalser en emps réels les bens à fore aleur ajouée, - pour sécurser les ses, - pour smplfer la manenance. ulsaon de capeurs auonomes s aère encore plus nécessare lorsque la seule source d énerge es basée sur une résere élecrque, comme dans le cas du éhcule élecrque où l fau préserer l énerge sockée dans les baeres pour ne pas rédure l auonome du éhcule. Par alleurs, les applcaons médcales son rès éudées en ce momen aec le ellssemen de la populaon de l OCDE 0 e l augmenaon du nombre de personnes dépendanes. es mcrosysèmes peuen permere la surellance e le dagnosc à dsance, mas ls peuen égalemen êre ulsés pour le raemen des malades neurologques e pour ader les personnes. a fgure I-3 présene un ceran nombre d applcaons pour le corps human. Fgure I-3 : es capeurs pour le dagnosc médcal [MIC 200]. e géne cl es rès néressé par les applcaons de conrôle e de surellance, pour les nfrasrucures, les personnes e pour préenr les caasrophes. Enfn, l ne fau pas oubler les applcaons mlares, el que le conrôle des roupes, la geson de l armemen e du réapprosonnemen, la surellance des zones de confls, la proecon des zones d nérês usnes, pons, murs, ppelnes, bâmens sraégques ou encore l ade au démnage. Ce chapre a pour bu d éablr un éa de l ar sur les mcrosysèmes auonomes. es prncpaux mcrosysèmes déeloppés au neau mondal seron ou d abord exposés pour sauer sur l éa d aancemen de cee hémaque. Nous présenerons ensue la plae-forme 0 OCDE : Organsaon de Coopéraon e de Déeloppemen Economque 9

20 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes mul-sources/mul-charges déeloppée au ETI, dans laquelle s nscr ce raal de hèse e qu a pour objecf d élargr le nombre d applcaons possbles grâce à son apude à s adaper à dfférens enronnemens. Enfn, nous exposerons les dfférenes sources d énerge dsponbles ans que les dfférens sysèmes de récupéraon assocés. A parr de cee analyse, nous monrerons les sources d énerge les plus adapées pour permere la concepon d un sysème de récupéraon nnoan pour les mcrosysèmes auonomes. 2. es mcrosysèmes auonomes Dans le cadre de ce éa de l ar sur les mcrosysèmes auonomes, nous nous sommes resrens aux raaux porans sur des sysèmes négrés. Nous aons donc écaré les premères généraons de sysèmes auonomes, elles que les «Moes», qu son manenan commercalsés comme par exemple le Tmoesky [MOT 200] e qu resen rès olumneuses. a seconde généraon de sysèmes auonomes que nous présenons c a pour bu d êre négrable dans un olume nféreur au cenmère cube. Ces dmensons ouren de noueaux champs d applcaons, mas elles nécessen l négraon d une source de récupéraon d énerge, rendue oblgaore par le fable olume lassé au sockage de l énerge. 2. Ea de l ar a Unersé de Berkeley unersé de Berkeley a raallé sur un proje nommé Smar Dus fgure I-4. e bu éa de déelopper un sysème auonome mllmérque capable de communquer e de fare pare négrane d un réseau de capeurs dsrbués [AB 2007]. Fgure I-4 : Sysème auonome SMAT DUST [hp://www-bsac.eecs.berkeley.edu]. Ils on réalsé un démonsraeur auonome de 38 mm 3 capable de mesurer des araons d accéléraon, ans que des araons de lumère ncdene. e sysème possède pour cela deux capeurs, un capeur capacf pour l accéléraon e une phoodode. es données son ensue ransmses par un canal opque. e sysème consomme 75 µw e a éé esé aec deux sources dfférenes, une baere Mn-T- e une cellule solare de 2 mm 2 de ETI : aboraore d Elecronque e des Technologes de l Informaon du CEA 20

21 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes surface. Ces raaux on perms d almener un mcroconrôleur à ulra fable consommaon fonconnan aec mons de 2 pj par nsrucon. e mcroconrôleur ulse un oscllaeur négré à une fréquence de quelques khz qu fonconne aec une horloge emps réel e cnq mnueurs permean d acer une horloge plus rapde pour effecuer cerans raemens aan de se remere dans un mode dégradé. Des raaux poran sur des ransmeeurs fable pussance on éé présenés en 2005 à l ISSCC 2 aec une consommaon de 400 µw en récepon e.6 mw en émsson [OTI 2005]. e bu prncpal de ces éudes es de permere des aancées sgnfcaes dans le domane des sysèmes auoalmenés par l élaboraon de sources récupérarces d énerge aec des densés de pussance supéreures à 00 µw.cm -3. Ces raaux on éé poursus en 2008 aec la présenaon du sysème «Pcocube», un sysème communquan de récupéraon braore rdmensonnel don le récupéraeur pézo-élecrque es exerne dû à sa alle mporane un cylndre de pluseurs cenmères de hau. Un noueau ransmeeur a éé déeloppé ans qu un sysème de geson d énerge reposan sur l ulsaon d un redresseur e d une pompe de charge fgure I-5. e crcu de geson d énerge présene un rendemen global de 74% pour une pussance de 450 µw [CHE 2008]. b Unersé du Mchgan Fgure I-5 : e sysème Pcocube [CHE 2008]. unersé du Mchgan raalle sur la possblé d aendre de longues durées de e en ulsan des mcrosysèmes à rès fable pussance fgure I-6. es chercheurs raallen égalemen sur les proocoles, la reconfgurablé e sur les processeurs de raemen de données des capeurs mesuran l acé cérébrale [SEO 2008]. Fgure I-6 : Wreless Inegraed McroSysems WIMS [NAJ 2005]. 2 ISSCC : Inernaonal Sold-Sae Crcus Conference, IEEE 2

22 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Ils cherchen à aendre les objecfs suans [NAJ 2009]: - fable consommaon aendre la cenane de µw µw, - fable alle, des boîers herméques - 5 cm 3, - grande précson 6 bs, pluseurs capeurs e aconneurs, - auo es, programmable, calbré numérquemen e rapdemen reconfgurable, - nerface de communcaon bdreconnelle pouan communquer sur des dsances comprses enre 00 m e km. - proocole sandard pour les enrées/sores. - logcel paramérable par sélecon du ransduceur. - plae-forme commune générque e perase. c IMEC IMEC Inerunersy Mcroelecroncs Cener raalle sur un proje nommé WATS pour Wreless Auonomous Transducer Soluons. e bu de ce proje es de déelopper un mcrosysème auonome, basé sur la récupéraon de l énerge e la concepon de crcus à rès fable consommaon fgure I-7. Fgure I-7 : Archecure du mcrosysème [GYS 2007]. es prncpaux sujes de recherche son : - la ransmsson sans fl aec le déeloppemen d un ransmeeur fable pussance [GYS 2005], - la récupéraon d énerge hermque aec le déeloppemen d un crcu de geson d énerge. e ransmeeur UWB 3 fable pussance a éé déeloppé en echnologe CMOS 80 nm e peu délrer des mpulsons jusqu à une fréquence de 40 MHz. énerge consommée mesurée es de l ordre de 50 pj par pulse répéé à 40 MHz pour une bande de fréquence de GHz. applcaon médcale pour laquelle le ransmeeur a éé ulsé nécesse dx pulses pour coder un b, pour un aux de ransmsson de 0 kbps. Une consommaon moyenne de 5 µw a éé mesurée pour le fonconnemen du ransmeeur. e sysème mcro énergéque es basé sur l ulsaon d un généraeur hermoélecrque. Une élecronque de conerson adapée a éé conçue aec un ransmeeur rès fable pussance monée sur subsra flexble fgure I-8. énerge générée par le crcu es de 0. mw aec une enson supéreure à V. Ils ndquen que cee pussance es suffsane pour charger une pee ple bouon e pour ransférer la aleur de la empéraure du corps oues les deux secondes à une saon de récepon proche. Pour cela, un module a éé 3 UWB : Ulra Wde Band 22

23 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes déeloppé basé sur les echnologes MEMS. applcaon d une araon de empéraure de 8 C correspondan à la dfférence enre une empéraure ambane de 22 C e une empéraure de peau de 30 C perme fnalemen d obenr une araon de 5 C aux bornes du généraeur hermoélecrque, délran ans une pussance de l ordre de 00 µw. Fgure I-8 : Exemples de sysèmes déeloppés par IMEC [GYS 2005, GYS 2007]. es aures blocs du sysème son des produs du commerce. e mcroprocesseur à fable pussance es du ype 8 MIPS TI MSP430F49 hp:// Pour d aures applcaons, ls on égalemen ms en œure le ransmeeur à 2.4 GHz de Nordc du ype nf240 hp:// Des réalsaons on déjà perms de alder le fonconnemen des sysèmes bomédcaux almenés par des sources hermoélecrques. équpe raalle égalemen sur l négraon du sysème. Une négraon rdmensonnelle 3D du sysème a ans déjà éé créée grâce à l emplemen de dfférens crcus négrés, l dée éan d négrer le maxmum de foncons dans un cenmère cube [GYS 2006]. d Insu Fraunhofer IIS e Fraunhofer Insu für Inegrere Schalungen raalle sur des conersseurs hybrdes, des unés de sockage e la geson d énerge assocée [SPI 2007]. eurs éudes poren sur l élecronque pour l almenaon à parr de hermogénéraeurs [MAT 2007]. Fgure I-9 : Thermo-élémens e geson d énerge déeloppés par l nsu Fraunhofer [ MAT 2007]. Ils on conçu en 2007 une nouelle boucle de conrôle pour dmnuer la consommaon d énerge ans que le bru généré, permean un gan de 73%. Ils on déeloppé un sysème permean la recharge d une baere de 50 ma.h à parr d un hermogénéraeur généran une pussance de 2 mw fgure I-9. e hermogénéraeur es un composan commercal endu par la socéé Mcropel. Ils se son sers d une pompe de charge ulra fable pussance pour démarrer le processus de récupéraon d énerge hermque aec des ensons de 23

24 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes démarrage proches de 250 mv. a pompe de charge délre une enson de 700 mv qu es alors ulsée par le conersseur DC-DC qu charge la baere. Une fos le conersseur démarré, la enson de fonconnemen peu chuer jusqu'à 50 mv. e conersseur de ype boos a une sore de 3.7 V e une effcacé moyenne comprse enre 40 e 63%. e sysème de récupéraon hermque génère une pussance de sore de mw à parr de la chaleur d une man mesurée dans le cas d une araon de empéraure de 20 C. e démonsraeur es capable de ransmere une aleur oues les deux secondes grâce à la seule source hermoélecrque [MAT 2006]. e Unersé Georga Tech unersé Georga Tech effecue des recherches sur les mcrosysèmes auonomes, don les raaux, essenellemen drgés par le professeur con Mora, sen à obenr un sysème auonome basé sur la récupéraon hybrde d énerge fgure I-0. Ils proposen d ulser une source braore, hermque ou solare pour délrer une pussance moyenne de l ordre de la cenane de mcrowas. Afn d aendre ce objecf, de nombreux raaux de recherche se son focalsés sur la geson de l énerge [TO 2008]. Fgure I-0 : e sysème auonome hybrde déeloppé par l unersé Georga Tech [TO 2006, TO 2008]. Un sysème de geson d énerge à enrée e sore doubles n ulsan qu une seule nducance a éé présené en Ce sysème ulse une ple à combusble e une baere hum-ion délran respecemen une enson de 0.6 V e une enson comprse enre 2.7 e 4.2 V. e sysème ans déeloppé perme, suan les besons, so d almener une charge de V, so de recharger la baere hum-ion [KIM 2009]. Un crcu négré de récupéraon pézo-élecrque permean la recharge d une baere hum-ion a éé présené en 200. Ce crcu es consué d un conersseur AC- DC possédan une seule nducance grâce à l ulsaon d une dode ace. e rendemen pour recharger une capacé de 23 µf e une baere hum-ion de.5 ma.h es de 4% [KWO 200]. archecure proposée en 2006 n nègre aucune méhode pour récupérer le maxmum d énerge des sources. Toue l énerge es ransférée a la baere, ce qu ndu des peres non néglgeables sur le chemn de pussance enre la source e la charge, dues à la mse en sére de pluseurs conersseurs «Boos charger» pus «DCDC conerer» e «DO». Nous reendrons sur ce pon au chapre nulé : Geson d énerge. 24

25 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes 2.2 e proje MANAGY a Objecfs e bu du proje MANAGY, acronyme pour «managemen of energy», es d abour à un réseau de capeurs négrés nellgens, où chaque élémen aura à son bord des sources mulples de récupéraon d énerge, ans que des capeurs mulples, permean de s adaper de manère nellgene à son enronnemen fgure I-Fgure I-. Pour cela, nous aons raallé de manère ndépendane sur chaque pare du sysème écupéraon d énerge, geson d énerge, capeur, raemen, ou en pensan à leur négraon au sen du sysème afn que celu-c so le plus performan possble. objecf éan d aendre un nœud de capeur auonome opmsé au neau sysème. Il faudra que l nellgence négrée, qu sera rédue à l essenel, séleconne la ou les sources les plus adapées ans que les capeurs nécessares e qu elle ransmee les données au nœud le plus proche. Pour cela elle adapera le cycle de fonconnemen du sysème ans que le nombre de communcaons. nellgence négrée a êre mplanée dans une uné cenrale numérque asynchrone, qu ne sera acée qu en foncon du dépassemen de neaux d énerge approche appelée «energy dren». Elle commandera les charges en foncon des demandes, des quanés de données à ransmere e de l énerge dsponble. Fgure I- : Synopque d un nœud élémenare aec ses mulples sources e capeurs ETI. a léraure raan des WSN 4 adresse acuellemen une seule source d'énerge qu es en éroe phase aec l'applcaon sée équlbre enre la pussance récupérée e la pussance consommée pour des condons spécfques sur l enronnemen. archecure d un nœud de capeur es ans consuée de quare foncons prncpales : - une source d'énerge, - une uné de conrôle, de geson e de sockage d énerge - un ou des capeurs, - e un sysème d'émsson à dsance. a parcularé de la plae-forme MANAGY es de mere en œure dans un même nœud pluseurs sources d'énerge pour répondre aux éoluons de l enronnemen suan les applcaons. Pour cela, la plae-forme a adresser dfférens ypes de sources de récupéraon 25

26 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes d énerge. es sources reenues almeneron le nœud de manère opmale en cherchan d une par à récupérer le maxmum d énerge, e d aure par à meux la gérer. Un élémen de sockage ampon permera de délrer l'énerge nécessare aux fonconnemen des capeurs lorsque les récupéraeurs d énerge seron nacfs. For d une expérence de pluseurs années dans le domane de la récupéraon d énerge négrée, le ETI a déjà ms en œure en collaboraon aec le ITEN 4 un mcrosysème almené par deux sources d énerge dsnces [HE 2007]. e mcrosysème gère l énerge récupérée par un généraeur hermoélecrque e charge une baere à couche mnce déeloppée par le ITEN. e mcrosysème comprend une surellance à rès fable consommaon < µa du neau de la baere pour permere l augmenaon de sa durée de e. e bloc de surellance lance e arrêe la recharge de la baere permean ans de rédure le nombre de cycles de charge/décharge subs par la baere. Par conre, l archecure déeloppée n opmse pas l exracon d énerge e ne perme pas le fonconnemen smulané des sources hermoélecrque e radofréquence. Pour pouor récupérer e ransférer l énerge proenan de pluseurs sources d énerge, nous aons beson d'une geson opmale de celle-c, an au neau des récupéraeurs d énerges qu au neau de sa geson au sen du sysème. Pour cela, nous deons déelopper une nouelle archecure permean le fonconnemen en parallèle de dfférens récupéraeurs d énerge auonomes. De plus, nous souhaons assocer aux mesures des capeurs une nformaon sur le neau de charge e sur l'acé de la baere. Cec permera à l uné de conrôle numérque asynchrone de gérer nellgemmen l énerge d une par e d aure par de ransmere les neaux énergéques pour nformer le réseau de capeurs de l éa du nœud. b archecure du sysème a plae-forme de récupéraon d énerge MANAGY a beson de quare blocs : - le premer bloc es consué par les sources de récupéraon d énerge e leur conersseur permean d exrare le maxmum d énerge des sources e de la ransférer au sysème. Ce bloc éan lmé par la alle du dsposf, l aura une épasseur nféreure à un cenmère e une surface maxmum de 5 cm 2, - le second bloc es consué des blocs permean de collecer e ransférer l énerge proenan des sources ers le rosème bloc, - le rosème bloc es consué par les charges du sysème, - enfn un quarème bloc effecue la geson des chemns en foncon des éoluons des éas du sysème. Il es basé sur l ulsaon d un conrôleur numérque asynchrone permean d obenr un sysème de ype «energy dren». Nore objecf es de déelopper à long erme une plae-forme aec une archecure permean une mse en foncon en parallèle e ndépendane des blocs de récupéraon d énerge e des charges du sysème san à rédure les peres de conerson. Pour cela, l archecure possède deux chemns de pussances dsncs fgure I-2. 4 ITEN : aboraore d Innoaons pour les Technologes des Energes nouelles e les Nanomaéraux au sen du CEA 26

27 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes a plae-forme de récupéraon d énerge Charges Fgure I-2 : Archecure de la plae-forme de récupéraon d énerge MANAGY ETI. Un premer chemn zébré en rouge comporan une enson éleée a pour bu de recharger l uné de sockage en prélean l énerge délrée par les sources de récupéraon. énerge ans sockée peu alors êre ulsée par le sysème après aor éé régulée e conere, pour pouor almener les charges nernes, nécessan une plus fable enson d almenaon. a plae-forme de récupéraon d énerge es conçue dans la echnologe UMC 80 nm, ce qu lme sa enson maxmale à 3.8 V. Nous aurons beson dans cee plae-forme d une baere capable d almener un ransmeeur F consomman un couran de 20 ma oues les 0 mn. Pour cela, nous négrerons une baere d une capacé mnmum de 2 ma.h. Un deuxème chemn ra plen en jaune paran des sources de récupéraon d énerge a pour bu de reler drecemen les sources au bloc de régulaon afn d almener les charges nernes. On ée ans le passage par le chargeur qu requère une enson plus éleée pour charger la baere. Ce deuxème chemn permera ans d almener à fable enson les charges nernes aec le mnmum de peres sur le chemn de pussance, augmenan ans l énerge dsponble pour le sysème. a enson de ce chemn es comprse enre.2 e.5 V. Ces ensons proennen des besons des charges nernes déeloppées au sen du laboraore. Ces deux chemns ransmeen l énerge récupérée par les sources grâce à l ulsaon de colleceurs performans. Ces colleceurs seron basés sur l ulsaon de dodes aces qu permeron d assocer ous les courans proenan des dfférenes sources de récupéraon d énerge ou en empêchan un quelconque équlbrage ou des ransfers enre sources. Nous ensageons d ulser un colleceur d énerge spécfque pour almener le cœur. Ce cœur consommera une par néglgeable d énerge. C es pour cee rason qu l ne possède pas son propre chemn de pussance. Nous oulons égalemen pouor almener une charge exerne à parr de l énerge sockée dans la baere. 27

28 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Enfn, suan le neau de la baere e les besons en maère de réjecon du bru de l almenaon, nous ulserons so un régulaeur, so un conersseur à découpage déoleur de ype buck pour almener les charges nernes lorsque les sources d énerge son naces ou qu elles produsen une pussance nsuffsane. es conersseurs e régulaeurs on êre déallés dans le chapre suan pour pouor alder le chox du sysème de geson d énerge. a plae-forme nécesse des blocs de récupéraon d énerge adapés permean de délrer les ensons nécessares aux deux chemns de pussance. On aura ans beson de blocs auonomes ne nécessan aucune énerge en proenance de l uné de sockage qu opmseron le rendemen du sysème de récupéraon assocé. aanage des chemns mulples pour le ransfer de pussance mplque une complexfcaon du sysème de récupéraon d énerge qu do donc se fare aec un surcoû mnmum pour garanr un gan conséquen à la nouelle plae-forme. a plae-forme comprend égalemen des blocs qu permeen de gérer le ransfer d énerge. Un bloc de conrôle de charge e de décharge de l uné de sockage es nécessare ans que des blocs de régulaon e de flrage pour délrer aux charges une almenaon sable e fablemen bruée. A cela s ajoue un bloc de conrôle numérque asynchrone qu réagra en foncon des araons du neau d énerge pour aguller l énerge par le melleur chemn de la plae-forme. a plae-forme sera conçue à parr de blocs de bases qu l faudra assembler nellgemmen pour obenr un sysème auonome opmsé à ous les neaux des blocs jusqu'à l archecure du nœud. 3. es sysèmes de récupéraon d énerge Dfférens ypes de sources d énerge son dsponbles dans l enronnemen : braore, hermque, e des rayonnemens élecromagnéques. Nous allons comparer ces dfférenes sources d énerge afn de déermner celle qu es la source la plus néressane à opmser pour l négrer dans les fuurs mcrosysèmes auonomes. Nous nous aacherons aux sources présenes naurellemen dans l enronnemen, ce qu exclue les rayonnemens créés par nos objes de communcaons. Touefos, un comparaf, en fn de chapre, enan compe de la densé de pussance e du rendemen, négrera ces sources afn de déermner les sources permean la melleure récupéraon dans l enronnemen. 3. es sysèmes phooolaïques a Prncpe Une cellule phooolaïque basée sur une joncon p-n en slcum a le fonconnemen suan : quand elle es exposée à la lumère rayonnemen de phoons, la joncon lbère une pare élecron-rou au raers du crcu élecrque assocé. e champ élecrque drge l élecron ers la régon n ands que le rou se drge ers la régon p. Un couran es créé s l élecron ne se recombne pas au raers de la joncon polarsée par le poenel V PV. On peu résumer le fonconnemen d une cellule par le schéma équalen de la fgure I-3, où le couran produ es modélsé par un généraeur de couran e la joncon p n par une dode [SZE 2002, UQ 2003, MA 2003]. S e P son les réssances en sére e en parallèle équalenes représenan les peres du sysème. 28

29 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes PV Fgure I-3 : Modèle élecrque d une cellule phooolaïque. En général un panneau solare es composé d un nombre N s de cellules phooolaïques en séres. es réssances équalenes du panneau son alors des mulples des réssances de chaque cellule e la enson délré par le panneau au V panneau =N s.v PV. Une cellule solare a les caracérsques d une dode, le couran su une lo exponenelle e la enson en crcu ouer V co es dépendane du couran de cour-crcu I cc. a relaon enre la enson V PV e le couran I PV es connue e es défne par les équaons I- e I-2. k. T I cc V = co ln I- q I sa I V I. q I PV PV S PV PV S PV = I ph I sa exp k. T I-2 P Aec : I ph le phoocouran généré, I sa le couran nerse de sauraon, q la charge élecrque, k la consane de Bolzmann e T la empéraure. a fgure I-4 perme d obserer l éoluon de I PV en foncon V PV pour une cellule en slcum monocrsalln e pour deux neaux d rradances à empéraure ambane 25 C. V. I PV A 0.3 mw.cm -2 0 mw.cm -2 Fgure I-4 : I PV en foncon de V PV pour une rradance de 0.3 mw.cm -2 e de 0 mw.cm -2. b Eclaremen ncden V PV V e couran généré dépend drecemen du nombre de phoons reçus e donc du rayonnemen auquel es soums la cellule. Des mesures on éé effecuées pour quanfer le rayonnemen moyen que l on peu aendre sous nos laudes. Par exemple, en exéreur e 29

30 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes sous le solel drec on a une densé maxmale de 00 mw.cm -2 équalen à un Sun, alors que, en néreur dans une pèce éclarée on a des densés de pussance de l ordre de 00 µw.cm -2. énerge es mesurée de manère dfférene suan que l on se roue sous un rayonnemen solare ou sous un éclarage arfcel. Généralemen, le rayonnemen solare es mesuré en prenan la aleur de l rradance exprmée en W.m -2 ou en µw.cm -2. a pussance lumneuse ncdene d une source arfcelle es quan à elle mesurée en prenan la aleur de l éclaremen E exprmé en lm.m -2 ou en lux e ne prend en compe que le specre du sble I-3. E = A I λ. y λ. dλ I-3 A = lm/w, e yλ es une foncon décran la sensblé specrale de l œl human. a foncon yλ, défne par la Commsson Inernaonale de l Eclarage, es racée à la fgure I-5. Il fau noer que le rayonnemen ulra-ole λ < 400 nm e le rayonnemen nfrarouge λ > 700 nm, ben que conrbuan à l rradance I, n on aucun effe sur l éclaremen E. Fgure I-5 : Sensblé specrale de l œl. a source lumneuse domnane en enronnemen néreur peu êre une source arfcelle s l on se sue lon d une fenêre. Elle peu êre une lampe à ncandescence, une lampe halogène ou une lampe fluorescene de plus en plus ulsée. rradance specrale d une lampe fluorescene es une foncon complexe. Elle es consuée d un ensemble de raes dépendanes du reêemen phosphorescen. e nombre e la poson de ces raes aren d un modèle de lampe à l aure, e es foncon du ype de maérau ulsé. Toues les lampes fluorescenes on un specre d émsson qu se sue dans le domane du sble longueurs d onde aran de 400 à 700 nm. Nous consdérons alors l approxmaon suane : l rradance specrale proenan d une lampe fluorescene es consdérée comme une foncon consane pour 400 < λ < 700 nm, snon égal à zéro. Pour un el specre, la correspondance enre l rradance I fluo e l éclaremen E fluo es alors donnée par la relaon I-4. E fluo 250 I fluo I-4 où I fluo es exprmée en W.m -2 e E fluo en lux. a pussance lumneuse dsponble en enronnemen néreur es ben plus fable 30

31 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes qu en enronnemen exéreur. Ans, dans une pèce normalemen éclarée, l éclaremen ypque es comprs enre quelques cenanes e quelques mllers de lux. e specre de la lumère dépend du ype de source comme on peu le or sur la fgure I-6. a solelb ampoule à ncandescence c éclarage fluorescen Fgure I-6 : Specres des sources lumneuses, a solel, b ncandescene, c fluorescene [GE 200]. On peu remarquer que : - pour le solel, pour une même lumnosé l énerge es unformémen répare dans le specre, - pour une lampe à ncandescence, l énerge es plus répare ers les longueurs d ondes éleées, - pour une lampe fluorescene, la réparon d énerge es gaussenne aec une superposon de raes. Sur la fgure I-7 on peu or l énerge émse par une source arfcelle pour une même nensé d éclarage suel E de 500 lux. Fgure I-7 : Specre des sources lumneuses à 500 lux [VI 2005]. 3

32 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Un modèle permean d esmer l énerge dsponble en néreur en prenan en compe oues les sources lumneuses présenes a éé déeloppé par andall [AN 2003]. De plus, des mesures on éé prses dans un coulor pour aor un ordre de grandeur de la pussance récupérable fgure I-8. a méhode employée consse à prendre un nombre mporan de mesures 000 dans un domane en ros dmensons, suan un grand nombre de drecons e par pas de cnq degrés. Une nerpolaon a perms d obenr la care d éclaremen du coulor. On y o ben les îlos dus aux sources fluorescenes qu s y rouen. appel : W.m -2 = 0.00 Sun Sun = 00 mw.cm -2 Fgure I-8 : Modélsaon de l énerge rayonnée dans un local e un coulor de bureau [AN 2004]. Ces mesures son données à re ndcaf car l fau saor qu un bureau es en moyenne quare fos plus éclaré qu un coulor. On peu ans défnr la quané d énerge dsponble suan la localsaon de la cellule solare ableau I-. Nous ulsons la conerson smplfée enre lux, lumen e W.m -2 I-5 qu a éé proposée par andall [AN 2002]. lx = lm.m -2 = /20 W.m -2 = /20 msun I-5 Cas éclarage amsé éclarage de coulor néreur éclarage de raal éclarage par ncandescence emps couer exéreur rès ensolellé E lux I µw.cm Tableau I- : Energe dsponble pour la récupéraon phooolaïque. Prenons l hypohèse pessmse suane ulsée acuellemen dans l ndusre, où le capeur phooolaïque es posonné au nord e soums à un emps plueux d her pendan 6 h par jour, ce qu représene une densé de pussance solare dsponble de 20 W.m -2. En héore, une surface de cm 2 de cellule solare aec un rendemen de 2% permera de récupérer 5.2 Joules pendan cee journée. Sachan qu un sysème auonome acuel nécesse une énerge de l ordre de 4 Joules pour mesurer e ransmere cee donnée esmaon effecuée pour une mesure sur 0 bs e une ransmsson de cee donnée par radofréquence oues les 0 mn pendan 2 heures, on remarque qu l es possble d auoalmener le capeur auonome quelles que soen les condons de l enronnemen. c Ea de l ar de la echnologe des cellules phooolaïques Il exse dfférens ypes de maéraux ulsés dans la fabrcaon de cellules phooolaïques : la echnologe de cellules en slcum monocrsalln c-s e en slcum 32

33 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes mulcrsalln mc-s es la caégore la plus représenée aec 85% du marché du phooolaïque [JAG 2009]. Elle nclue des aranes à hau rendemen elles que les cellules à conac arrère e les cellules à héérojoncon, les cellules en slcum amorphe a-s son rès répandues. Pour augmener leur rendemen des raaux on perms d élaborer des cellules à joncon double combnan slcum amorphe e slcum mcrocrsalln a-s/µc-s ans que des cellules à joncon rple comporan du Germanum a-s/a-sge/a-sge, les cellules en Cadmum de Tellure CdTe, e en Cure Indum Gallum e Sélénum CIGS son en plene crossance. es cellules CIGS ulsen le molybdène pour créer le conac arrère de la cellule celu-c es drecemen déposé sur le erre, cf. fgure I- 9, Proecon a-s Suppor Fenêre Tampon CIGS Moly Verre Fgure I-9 : Zoom sur la composon d une cellule phooolaïque e d une cellule à couche mnce. de nouelles joncons son en cours d élaboraon pour élargr le specre récupérable à l ade de cellules en composés III-V, en parculer des cellules à joncon rple comporan de l Arsénure de Galum GaInP/GaAs/Ge, enfn, des déeloppemens son en cours sur des cellules en sem-conduceurs organques e des cellules à coloran, leurs rendemens proches de 5% son pour l nsan neemen nféreurs aux aures, mas leur coû es ben mondre, aec à erme la possblé de les déposer comme s l on applqua une penure. Nous allons comparer les dfférenes echnologes de cellules phooolaïques pour esmer les performances que l on peu aendre pour chacune d enre elles. e ableau I-2 compare les performances de dfférenes echnologes de cellules phooolaïques déeloppées sous forme de prooypes ou commercalsées. Il prend en compe les quare prncpaux crères pour le chox d une echnologe de récupéraon d énerge par effe phooolaïque. Ces crères son : - la pussance élecrque maxmale fourne par la cellule sous fore rradance 000 W.m -2, correspondan à un enronnemen rès ensolellé. Cee pussance es exprmée sous la forme d un rendemen de conerson énergéque, - la pussance élecrque maxmale fourne par la cellule sous fable rradance lampe fluorescene à 000 lux, correspondan à un enronnemen néreur ypque, - la naure du subsra sur lequel es élaborée la cellule, - e le coû de fabrcaon de la cellule. es echnologes c-s e mc-s présenen un coû éleé, du fa de l emplo de subsras onéreux plaquees de slcum. a echnologe III-V, qu me en œure des procédés lens e complexes épaxe, es encore plus coûeuse, ce qu lme généralemen son ulsaon pour des applcaons de nche el que le spaal. es echnologes a-s, CdTe, CIGS, organque e coloran présenen un coû fable, grâce à l emplo de subsras bon marché erre, méal, plasque. 33

34 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Technologe c-s mc-s c-s conac arrère c-s héérojoncon a-s Joncon double a-s/µc-s Joncon rple a-s/a-sge/a- SGe CdTe CIGS Joncon rple GaInP/GaAs/Ge Organque Cellules à coloran endemen sous lumère solare à 000 W.m -2 Melleures cellules ou modules de laboraore 25.0% cellule ~ cm² Unersy of New Souh Wales 20.4% cellule ~ cm² Fraunhofer ISE 9.5% cellule ~ cm² Unersy of Neuchael.7% module ~ 0 cm² Kaneka 6.7% cellule ~ cm² NE 9.4% cellule ~ cm² NE 32.0% cellule ~ cm² Specrolab 5.5% cellule ~ cm² Konarka 0.4% cellule ~ cm² Sharp Cellules ou modules commercaux 2 5% - 8% cellule ~ 00 cm² Q-Cells, Moech 2% - 6% module ~ m² Sunech, Sharp, JA Solar, Solarworld 4% - 7% cellule ~ 00 cm² Q-Cells, Moech 2% - 4% module ~ m² Sunech, Sharp, Kyocera, Yngl Solar, JA Solar, Solarworld 7% - 9% module ~ m² Sunpower 6% - 7% module ~ m² Sanyo 6% - 7% module ~ m² Msubsh Heay Indusres, Scho Solar 8% - 0% module ~ m² Sharp, Kaneka, Msubsh Heay Indusres 6% module ~ m² Un-solar 0% - % module ~ m² Frs Solar 6% - 2% module ~ m² Würh Solar, Q-Cells, Global Solar, Solaron, Showa Shell Solar, Honda Solec, Sulfurcell, Johanna Solar, Aancs, Sunshne PV, Nanosolar 25% - 30% cellule ~ 0 cm² Azurspace, Specrolab, Emcore.5% module ~ m² Konarka.5% module ~ 00 cm² G24 Innoaons Densé de pussance sous lampe fluorescene à 000 lux 3 en µw.cm cellule ~ 00 cm² Eude pour dfférens fabrcans de cellules 35 module ~ m² Scho Solar cellule ~ cm² ZSW 0 module ~ m² Konarka 5 module ~ 00 cm² G24 Innoaons Subsra c-s mc-s c-s c-s Verre Verre Méal Verre Verre, méal, plasque c-ge Plasque Plasque Coû Eleé Eleé Eleé Eleé Fable Fable Fable Fable Fable Très éleé Tableau I-2 : es dfférenes echnologes de cellules phooolaïques. Vor référence [GE 2009]. 2 Vor ses web des fabrcans. 3 Technologes a-s, organque e coloran : or se web des fabrcans. Technologes c-s, mc-s e CIGS : aleurs esmées à parr des références [EI 2009, VI 2003, VI 2004], en consdéran que pour un éclaremen donné de 000 lux, la pussance fourne sous lampe fluorescene es égale à 40% de la pussance fourne sous lumère solare. es conclusons prncpales de ce ableau son : que la echnologe a-s offre une pussance sous fable rradance lampe fluorescene à 000 lux comparable aux echnologes c-s, mc-s e CIGS. Un el résula peu surprendre, éan donné que la echnologe a-s présene une pussance sous fore rradance lumère solare à 000 W.m -2 ben plus fable que les echnologes c-s, mc-s e CIGS. es rasons de ce comporemen son doubles. D une par, la réssance parallèle des cellules en a-s es éleée, ce qu lme les fues e amélore le rendemen sous fable rradance. D aure par, la echnologe a-s se compore beaucoup meux sous lampe fluorescene que les echnologes c-s, mc-s e CIGS, l se roue que ce maérau absorbe Fable Fable 34

35 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes meux le specre bleu e er, une lmaon des echnologes c-s, mc-s e III-V qu son basées unquemen sur des subsras rgdes plaquees de slcum ou germanum alors que les echnologes a- S, CdTe, CIGS, organque e coloran son compables aec des subsras flexbles feullard méallque ou flm plasque, ce qu facle l négraon de la cellule sur le dsposf élecronque à almener. un rendemen acuel des cellules slcum qu es comprs enre 0 e 20% suan la echnologe. es pees cellules adapées aux mcrosysèmes délren ans des densés de pussance comprses enre 0 µw.cm -2 e 0 mw.cm -2 sous une enson de 0.6 V. e derner paramère à prendre en compe es le specre de la source lumneuse. En effe, ceranes cellules on des rendemens plus mporans pour une source donnée, comme le monre la fgure I-20. Fgure I-20 : Specre des cellules solares [AN 2003]. On peu obserer sur la fgure I-20 que l énerge récupérée, pour une même nensé lumneuse, are suan le ype de cellule e le ype de source lumneuse. Ans, la echnologe en slcum monocrsalln a un rès fable rendemen de conerson pour les fables longueurs d ondes les lampes fluocompaces émeen prncpalemen de la lumère ere e bleue e n es donc pas approprée à la récupéraon d énerge en enronnemen néreur. De même, la echnologe en slcum amorphe n es pas adapée à la récupéraon d énerge solare en rason de son specre éro nm. Enfn, les cellules oen leurs caracérsques éoluées aec le emps. Il a éé obseré que le couran de cour-crcu n es que fablemen affecé alors que la enson délrée par les cellules phooolaïques chue aec le ellssemen de 5% par an [MA 2009]. Nous aons monré que les caracérsques de la cellule dépenden des condons d ulsaon ensolellemen, empéraure, elllssemen mas auss du ype de source lumneuse ulsée. a enson fourne par une cellule phooolaïque chue aec l affablssemen de l rradance e le emps. Cec mpose la concepon d un sysème de geson d énerge ransféran effcacemen cee énerge au rese du sysème auonome. éude des dfférenes echnologes a perms de mere en aan le fable coû de la echnologe CIGS ans que ses bonnes performances sur l ensemble du specre d éclaremen. 35

36 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes 3.2 es généraeurs hermoélecrques a Prncpe En 82, T. J. Seebeck a monré que dans le cas d un maérau soums à un flux de chaleur généré par une dfférence de empéraure, une dfférence de poenel élecrque se forme aux exrémés de la joncon fgure I-2. T > T 2 Fgure I-2 : Prncpe de l effe Seebeck. Cee dfférence de poenel es défne par l équaon I-6. A 2 B B V = S x T 3 4 V = S A S B. T T2 = S AB. T aec S AB le coeffcen de Seebeck µv.k - I-6 es hermogénéraeurs on la parcularé d êre réersbles, c'es-à-dre qu ls peuen ransformer un flux hermque en élecrcé ou de l élecrcé en un flux hermque refrodssemen d une face e réchauffemen de la seconde. Ils son consués d un assemblage de joncons, e ulsen l effe Seebeck pour générer de l élecrcé. Dans le cas nerse c es l effe Peler qu es ulsé. Il perme de créer une dfférence de empéraure aux exrémés du maérau à parr d une dfférence de poenel élecrque. Dans le cas du généraeur hermoélecrque, l nerson du sens du flux hermque a pour conséquence d nerser la enson générée à ses bornes fgure I-22. Appor de chaleur Chaleur absorbée T H T H p n I p n I T C T C écupéraon de pussance élecrque en sore Mode généraeur hermoélecrque effe Seebeck Almenaon de pussance élecrque en enrée Mode refrodsseur hermoélecrque effe Peler Fgure I-22 : Prncpe de fonconnemen d un hermogénéraeur. Thomson a monré en 85 commen un seul maérau peu absorber une quané de chaleur s l es soums à la fos à une dfférence de empéraure e à une dfférence de poenel élecrque. Il a monré le len enre l effe Seebeck e l effe Peler. Il en résule qu un bon maérau hermoélecrque possède, d une par, un coeffcen Seebeck éleé, e d aure par une fore conducé élecrque mas une fable conducé hermque. 36

37 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes b e modèle hermque équalen Prenons l exemple du corps human, celu-c nécesse une empéraure nerne consane. Cec oblge le corps human à réguler sa empéraure nerne quelles que soen les condons exéreures en dsspan ans énormémen d énerge fgure I-23. Fgure I-23 : Energe dsspée par le corps human [STA 2004]. Dans le cas d une récupéraon de la dsspaon hermque du corps human, on a une réssance hermque corps enre la peau e le hermo-élémen. Il fau ensue enr compe de la réssance hermque équalene du hermogénéraeur TEG, pus prendre en compe la réssance hermque ar qu exse enre le hermogénéraeur e l ar desnaare du flux hermque. e crcu hermque équalen peu êre modélsé comme sur la fgure I-24. T H corps TEG ar T C Fgure I-24 : Flux hermque e réssances hermques. S nous consdérons que la somme des mpédances hermques au 60 K.W -, nous obenons pour une dfférence de 6 degrés enre la empéraure du corps human e celle de l ar un flux hermque de 00 mw. T Z TAVG η = I-7 T T H C Z TAVG TH Pour obenr la pussance élecrque délrée par le hermogénéraeur l fau prendre en compe le rendemen de carno I-7 ans que celu des hermoélémens qu le compose. c Ea de l ar des dfférenes echnologes de hermogénéraeurs Pour comparer les dfférenes echnologes, on ulse un faceur de méré noé ZT. Celu-c perme de prendre en consdéraon les élémens mporans exposés précédemmen, à saor, le coeffcen Seebeck noé S, la conducé élecrque σ e la conducé hermque κ. Il es défn par l équaon I-8. 37

38 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes 2 σ. S. T ZT = I-8 κ S nous calculons les aleurs de ZT en foncon de la empéraure pour les dfférenes echnologes dsponbles, on peu alors obserer que chaque echnologe possède un domane de empéraure pour lequel ses performances son les plus éleées fgure I-25. Fgure I-25 : ZT pour dfférenes echnologes [IT 2008]. a fgure I-25 nous monre que la echnologe de hermogénéraeurs la meux adapée es celle ulsan le Tellure de Bsmuh B 2 Te 3. On reroue dans le commerce un bon nombre de produs consués de ce maérau. a dfférence enre les produs commercaux résde d une par dans la densé du nombre de joncons permean d augmener la conerson d énerge par uné de surface e d aure par par la conducé hermque e la conducé élecrque du maérau. Nous allons comparer deux modules commercaux, un module Thermo fe fgure I-26 e un module Mcropel fgure I-27. Module Thermo fe :. Dmensons : Ø9.3x.4 mm joncons de B 2 Te µw pour T de 0 K 20 µw à 5 V charge adapée. TEG =38 K.W - Fgure I-26 : Module Thermo fe. Module Mcropel :. Dmensons : 8 mm 2 e 4 mm 2 x. mm. 540 joncons de B 2 Te 3, 40 mv.k -..5 mw pour T de 0 K 2 ma à 0.75 V charge adapée Qn=0.75 W. 3.5 mw pour T de 30 K 5.75 ma à 2.3V charge adapée Qn=2.25 W. TEG =2.5 K.W - Fgure I-27 : Module Mcropel. 38

39 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes On peu noer que le module Thermo fe a une densé de joncon presque dx fos plus mporane e une réssance hermque deux fos plus grande que le module Mcropel. Par conre, pour une même dfférence de empéraure T = 0 C, on obsere que le module Mcropel fourn une pussance dx fos plus mporane. On peu dédure que cee performance es due à la bonne conducé élecrque du sysème Mcropel. e ITEN déeloppe dfférens hermogénéraeurs. eurs caracérsques en enson e en alle dffèren suan le flux hermque de l applcaon. En 2005, le ITEN aa déeloppé un hermogénéraeur qu aa des dmensons de 5 cm par 2 cm e assoca le chromel à l alumelle. Il permea de délrer une enson de V pour un graden de empéraure de 58.5 C. On obena ans une pussance ule de 233 µw.cm -2. a source présena une réssance nerne de 9 Ω. En 2008, des chercheurs du ITEN son arrés à des caracérsques de densé de joncons dans les hermo-élémens de l ordre de 8 joncons par cm 2 aec des gans de 400 µw.k - /joncon, aec une réssance sére de 50 mω/joncon e une épasseur de 2.5 mm du sysème. Pour obenr une alle ule de 0 cm 2, on a beson d une alle oale de 2 cm 2. Dans ce cas, les joncons permeen de récupérer 72 mv.k - aec une réssance oale de 0 Ω. S on applque une dfférence de empéraure de 7 degrés, on aen une enson de sore de 500 mv. Des éudes son effecuées pour obenr des hermo-élémens à l ade de couches mnces. On pense pouor modfer la caracérsque ZT des maéraux en ulsan l échelle nanomérque. Par exemple, les maéraux peuen êre assemblés sous forme de poudres nanomérques déeloppan ans de nouelles propréés. Ces hermo-élémens auron pluseurs aanages : une négraon faclée e une bocompablé grâce à l ulsaon de maéraux els que le slcum e le slcum-germanum S/SGe, ans qu un for poenel d ndusralsaon car le slcum es un maérau déjà ulsé par l ndusre. es hermo-élémens on beson d un sysème de geson d énerge qu prenne en compe la fable enson produe. De plus, le sysème possède une réssance équalene TEG qu éolue aec le flux hermque. e sysème de geson d énerge dera donc, pour exrare le maxmum d énerge, adaper son mpédance à TEG. 3.3 es sysèmes de récupéraon de l énerge mécanque a e es nfnmen lée à la braon, nous générons connuellemen des braons, que ce so par l nermédare de nos objes ou que ce so drecemen par nos déplacemens. dée de pouor almener l ensemble des capeurs présens dans nore enronnemen à l ade de la récupéraon de l énerge braore générée par les sysèmes qu s y roue n es pas nouelle. a alle rédue des nouelles sources de récupéraon fabrquées à l ade des echnologes de la mcro e de la nanoélecronque perme de créer des mcrosources d énerge négrées au crcu. Un récupéraeur braore peu êre approxmé par un sysème masse-ressor amor. a fgure I-28 présene de manère générque un sysème basé sur l ulsaon d une masse ssmque m soums à une force de rappel k. 39

40 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Vbraons k m F élec. V Fgure I-28 : Modèle d un récupéraeur braore. S on suppose un el sysème soums à une excaon snusoïdale exéreure, on peu consdérer que la récupéraon d énerge sera maxmum quand la fréquence du smulus sera équalene à la fréquence propre du sysème oscllan. Une éude du specre des braons de l enronnemen d ulsaon es donc nécessare pour déermner la fuure fréquence d opéraon du sysème. Il fau alors adaper le ransduceur à la source de braons mécanques. Il exse à ce jour ros moyens de conerr l énerge braore : - par conerson magnéque, - par conerson élecrosaque, - par conerson pézo-élecrque. Pour explquer le fonconnemen de chaque conersseur nous allons débuer par une analyse des fréquences des braons présenes dans nore enronnemen. a es fréquences présenes dans nore enronnemen Des éudes on éé menées [OU 2003] pour connaîre les fréquences des braons des élémens qu nous enouren. Il en résule qu elles son largemen sous le seul des 200 Hz, excepé les fréquences des machnes ouls fgure I-29. m.s Auomoble Af Hz m.s Escaler méallque Af Hz Fgure I-29 : Mesures effecuées au ETI [DES 2005]. On peu conclure qu un récupéraeur braore peu êre rès néressan s l rempl la condon d êre adapé à des fréquences nféreures à la cenane de Herz e d acceper un large specre de braons. Grâce à l éude des dfférens ypes de récupéraeurs d énerge braore dsponbles nous allons mere en aan ceux qu corresponden le meux à de els crères [DES 2005]. 40

41 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes b a conerson magnéque nducon élecromagnéque, découere par Faraday en 83, consse en la généraon d un couran élecrque dans un conduceur placé dans un champ magnéque. Dans la plupar des cas, le conduceur es sous la forme d une bobne e l élecrcé es générée par le mouemen d un aman dans la bobne grâce à la araon du flux du champ magnéque fgure I-30. e couran ans généré dépend de l nensé du flux du champ magnéque, de la rapdé du déplacemen de l aman e du nombre de ours de la bobne. Fgure I-30 : Schéma du mcrogénéraeur élecromagnéque [DON 2006]. Dans le cas d un aman placé sur une poure, celu-c peu jouer le rôle de masse nerelle sur la poure brane. ulsaon de composans élecromagnéques rédus, ulsan un olume de 0.5 cm 3 e opmsés pour un enronnemen à fables braons, permeen de produre 46 µw à parr d une accéléraon de mg g 9.8 m.s -2. Ce résula es obenu aec une réssance de 4 kω e une braon à une fréquence de 52 Hz [BEE 2007]. Des dffculés perssen dans l négraon de ces sysèmes : les sysèmes sur plaques de slcum son dffcles à obenr e son lmés à l ulsaon d amans planares, aec des bobnes lmées en nombre de ours. Par conre, pour des olumes plus mporans 0.6 cm 3, un sysème élecromagnéque peu délrer une densé de pussance de µw.cm -3.g 2, mesurée pour une braon à une fréquence de 54 Hz aec une accéléraon de 0.57 g. Mas la enson de sore de ces sysèmes es fable e n aen que 68.2 mv pour celu-c [PA 200]. Ce ype de conerson ne nous néresse pas dans le cas de ce éa de l ar car les courans ndus dans les bobnes mcroscopques son pour l nsan rop fables pour permere une récupéraon d énerge effcace [BEE 2006]. c a conerson pézo-élecrque On roue de nombreuses publcaons raan des récupéraeurs pézo-élecrques. es céramques pézo-élecrques on depus longemps éé ulsées pour conerr l énerge mécanque en énerge élecrque. Ils on de rès grands faceurs de qualé pour récupérer le maxmum de pussance, mas cec les rend rès sélecfs sur la fréquence de smulaon. Nous ne nous néresserons c qu aux sysèmes don le olume es nféreur au cm 3. Cerans crsaux soums à une conrane mécanque se polarsen, cee polaré es proporonnelle à la conrane sube. Inersemen ces maéraux se déformen s ls son soums à un champ élecrque. Il exse un grand nombre de maéraux pézo-élecrques, ncluan des crsaux smples comme le quarz, les pézocéramques comme le plomb zrconum de ane PZT, des flms fns de nrure d alumnum AlN ou d oxyde de znc, des flms épas obenus à l ade de poudres de pézocéramques ou des maéraux polymères el que le polynyldenefluorde PVDF. es maéraux pézo-élecrques on des propréés ansoropes qu dffèren selon la drecon e l orenaon des forces e de la polarsaon. Malheureusemen les propréés pézo-élecrques éoluen aec le ellssemen du maérau, 4

42 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes les smul e la empéraure. Ces changemens son dépendans du mode de fabrcaon e du ype de maérau. a empéraure es un faceur lman car s l on dépasse le pon de Cure le maérau se dépolarse e perd oues ses propréés pézo-élecrques. a poure brane es un sysème performan pour la récupéraon d énerge. Au neau de l encasremen de la poure brane, le maérau es soums à de fores conranes. es performances du sysème dépenden foremen de la géomére e des maéraux ulsés. Des sysèmes ulsan la echnologe des MEMS on déjà éé déeloppés. Par exemple, le proje VIBES a perms d élaborer un sysème de.5 mm x 0.75 mm sur subsra SOI aec une épasseur d oxyde de 2 µm e une épasseur de slcum de 4 µm pour une épasseur oale de 400 µm fgure I-3. Ce sysème perme de récupérer 30 nw à une fréquence de fonconnemen de 900 Hz aec une excaon de 0.4 g [MA 2007]. Fgure I-3 : Schéma du mcrogénéraeur pézo-élecrque [MA 2007]. es poures branes son fabrquées à parr d éapes manenan maîrsées permean leur co-négraon aec leur élecronque de geson. es récupéraeurs pézoélecrques permeen de générer des ensons assez éleées pour de fables courans de sore. De plus, l effcacé de ransducon es drecemen lée aux propréés du maérau ulsé. mpédance de sore de ce ype de maérau es souen rès mporane > 00 kω [MIN 2006]. Des raaux récens [DEF 20] on perms de dmnuer la fréquence de fonconnemen à 24 Hz e cec aec de fables accéléraons 0.7 g MS e comprs dans un olume nféreure à 3 mm 3 fgure I-32. Fgure I-32 : Schéma du mcrogénéraeur pézo-élecrque fonconnan à 24 Hz [DEF 20]. d a conerson élecrosaque es premers conersseurs élecrosaque ulsaen des capacés arables dérées des srucures à pegnes capacfs des premers accéléromères. Depus, la srucure a éé modfée pour amélorer ses performances grâce à la modfcaon de la fréquence 42

43 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes d ulsaon, de la enson générée à ses bornes ans que de la alle du conersseur. De nombreuses publcaons raen des conersseurs basés sur des srucures MEMS 5 e NEMS 6. Il exse ros ypes de srucures de conersseurs élecrosaques : - conersseur plan à enrefer arable, - srucure à pegne ner dgé, - srucure à pegne ner dgé à enrefer arable. e prncpe fgure I-33a es basé sur la conerson de l énerge mécanque créée par le déplacemen de deux armaures qu génère une araon de la capacé en de l énerge élecrque. a araon de capacé enre les deux armaures a générer une énerge élecrque qu a êre accumulée dans la capacé de sore C sore fgurei-33b. Ce ype de conersseur n es pas srcemen un généraeur dans la mesure où l fau une charge nale dans la capacé arable. a Fgure I-33 : Prncpe d un sysème élecrosaque [hp:// b énerge récupérée par ce sysème, dans un cycle à charge consane, dépend de la plage de araon de enson ans que de la plage de araon en capacé, selon l équaon I- 9. E = U mn. U max Cmax Cmn I-9 2 D un pon de ue sysème, l es donc néressan de pouor augmener la enson de raal ans que la plage de la araon de la capacé. On aura donc beson d un crcu de geson d énerge permean d aor une enson de fonconnemen plus éleée que celle fxée par les charges du mcrosysème. a capacé peu êre augmenée en dmnuan la alle des enrefers. es conersseurs à mul gap fgure I-33 permeen des araons mulples des ampludes C mn -C max. Cec a pour effe d augmener la fréquence d ulsaon par rappor à la fréquence de braon. De plus une elle srucure perme de rédure sgnfcaemen la enson d njecon de charges < 50 V e ans d augmener l effcacé de conerson 70-80% [DES 2007]. es généraeurs élecrosaques son réalsés à l ade d éapes echnologques nalemen déeloppées pour les MEMS. Ans, les compéences pour la créaon de srucures dans le plan n-plane e hors du plan ou-of-plane son déjà exsanes. a densé d énerge récupérée peu êre augmenée en dmnuan les enrefers des capacés, ce qu facle leur mnaursaon. Cec crée un comproms car la réducon des enrefers lme le mouemen de la srucure e rédu la surface des capacés. 5 MEMS : Mcro-Elecro-Mechancal Sysem 6 NEMS : Nano-Elecro-Mechancal Sysem 43

44 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes Malheureusemen, les généraeurs élecrosaques nécessen une polarsaon nale, cec pose un problème lors du démarrage de la charge d une baere. Il peu êre résolu grâce à l ulsaon d élecres [MIK 200], d un généraeur pézo-élecrque [KHB 2006], ou d une pompe de charge MEMS [BAS 2009]. mpédance de sore es souen mporane, rendan les généraeurs élecrosaques peu adapés à une ulsaon en an que généraeur de couran. es généraeurs élecrosaques nécessen un conersseur e un sysème de geson d énerge pour conrôler la srucure capace e garanr une récupéraon maxmale d énerge [SA 2006]. 3.4 Comparasson des dfférens sysèmes de récupéraon d énerge es capeurs auonomes seron ulsés dans dfférens enronnemens. a source d énerge pourra donc arer pour chaque ype d applcaon. Un bon nombre de sysèmes de communcaon sans fl Wf, Blueooh émeen des ondes rado à 2.4 GHz. Des capeurs auonomes pourraen ulser cee énerge dsspée, ben que dans ce cas on ne pusse pas parler srcemen de récupéraon d énerge, dans la mesure où cee énerge es présene à cause d une mauase sélecé des anennes émerces e réceprces acuelles. Mas l fau ou de même noer qu une source élecromagnéque émean à 20 db peu almener un capeur muns d une anenne de 30 mm 3 à une dsance de 4 m en fournssan une enson de 0.7 V [BHA 2006]. Il exse égalemen d aures sources de récupéraon d énerge mas elles son encore dffcles à mere en œure, comme par exemple l ulsaon de la phoosynhèse. Source d énerge Dmensons, noes Densé de Excaon endemen pussance Graden de T C : Thermoélecrque : Thermo fe TM [THE 200] 0.2 cm 2 60 µw.cm -2 5 C 2% Mcromoeur : Srlng [FO 2008] 5 mm*5 mm 225 mw.cm -2 NC NC Vbraons & Chocs Pézo-élecrque : [MA 2007] 800 µm *200 µm mm 3, poure MEMS 40 µw.cm ms -2,.3 khz Elecrosaque : [DES 2007] 04 g 333 µw.cm Hz 60% Elecromagnéque : [BEE 2007] 0.5 cm µw.cm ms -2 30% Champs élecromagnéques Télé almenaon : [JIA 2005] 5 ours, 46*46 mm 2 42 µw.cm MHz 25% Déplacemen de gaz Mcrourbne [HO 2004] mw.cm l.mn - NC Solel & umère Phooolaïque : Exéreur rès ensolellé 0-20 mw.cm -2 Solel 0-20% Inéreur fenêre à proxmé -2 mw.cm -2 Solel 0-20% Inéreur, lumère 000 lux, source fluo µw.cm -2 Sans solel 0% arfcelle source halogène Phoosynhèse Bople [FE 200] Implané dans un 9 µw.cm -2 Halogène NC cacus a rosème dmenson n es pas ulsée pour un ceran nombre de sources, nous aons chos de comparer les densés surfacques de pussance. Tableau I-3 : Comparason des dfférens sysèmes de récupéraon d énerge. NC 44

45 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes e ableau I-3 perme de comparer les performances des dfférenes sources de récupéraon d énerge pour les mcrosysèmes auonomes. Il fau êre aenf au fa que les sources d énerge ne délren pas une pussance lnéare aec la araon de leurs dmensons. Par exemple, pour la récupéraon braore, la masse de l élémen bran e le maérau de la poure auron auan d nfluence que le débaemen de la srucure. es rendemens du ableau I-3 son calculés pour le récupéraeur seul. Ils ne prennen pas en compe le rendemen du crcu de geson d énerge assocé. énerge exrae par le sysème de récupéraon d énerge dépendra donc de la capacé du crcu de geson d énerge à fare fonconner d une par le récupéraeur énergéque dans les melleures condons couran- enson, e d aure par à ransférer au meux cee énerge. Par exemple, dans le cas de la récupéraon hermque, une adapaon d mpédance mposera un rendemen nféreur à 50% par rappor à celu affchée par la source de récupéraon d énerge. e récupéraeur d énerge do êre ploé par un sysème de geson d énerge capable de s adaper à son mpédance. Ans, on pourra éer que ce so la charge qu enne mposer son pon de fonconnemen à la source de récupéraon d énerge, mode lman le rendemen du récupéraeur d énerge. analyse des rendemens monre que les sysèmes de récupéraon braore son les plus performans, mas ls son égalemen les plus sélecfs sur les caracérsques de leurs smul. Ans, une braon don la fréquence e l amplude éoluen sur une large plage ne sera que rès dffclemen conere en énerge élecrque. Par conre, les sysèmes phooolaïques e hermques affchen les melleures densés de pussance, e malgré leur rendemen plus fable, ls permeen de récupérer une quané ben plus mporane d énerge élecrque. 4. Concluson es sysèmes phooolaïques apparassen comme éan les sources d énerge les plus néressanes an du pon de ue de la quané d énerge présene dans l enronnemen que du pon de ue de la densé d énerge aegnable. Ces sysèmes son en plen déeloppemen aec des rendemens en consane progresson. De plus, les composans de récupéraon d énerge par effe phooolaïque apparassen comme éan les meux à même d almener les dsposfs élecronques auonomes. Ces sysèmes consuen un marché en plene expanson qu représenera pluseurs mllards de dollars à l horzon 2020 [HA 2009], à la fos pour des applcaons grand publc élecronque nomade mas égalemen professonnelles capeurs pour le bâmen e la surellance des srucures. Parm les récupéraeurs phooolaïques, nous aons chos d ulser la echnologe CIGS parce qu elle perme d effecuer une récupéraon d énerge auss ben sous fore que sous fable rradance. De plus, elle pourra s négrer faclemen dans les capeurs auonomes de deman grâce à son fable coû de producon e ses rendemens en consane progresson. Enfn, des raaux son en cours pour mere au pon des modules phooolaïques pouan êre fabrqués conjonemen aec les crcus négrés, en déeloppan des procédés de fabrcaon compables aec la flère radonnelle CMOS [PE 200]. e ITEN nous a ransms les rendemens de la echnologe CIGS qu es en cours de déeloppemen [IT 2007]. a echnologe acuelle perme ans d aendre des 45

46 Chapre I : es mcrosysèmes auonomes rendemens de : - 2% en exéreur sous une rradance de Sun, généran 379 mv e 3.6 ma.cm -2, - 8% en néreur sous une rradance de 0 msun, généran 324 mv e.7 ma.cm -2. es cellules à base de CIGS affchen une performance plus éleée à fable éclarage par rappor au slcum crsalln de référence, due à un melleur manen de la enson en fonconnemen e à son plus large specre de conerson fgure I-20. a deuxème source la plus néressane es la source hermque. a echnologe la meux adapée à la plage de empéraures ambanes es celle consuée de Bsmuh de Tellure. e dsposf que nous aons à nore dsposon proen de la socéé Mcropel GmbH. Inéressée par nos raaux, la socéé nous a fourn le composan MPG-D75 [MPG 200]. Un module hermoélecrque délre une enson nféreure au ol pour des fables araons de empéraures. De même, une cellule phooolaïque a une enson en crcu ouer nféreure à 0.6 V, quelle que so sa echnologe. Il faudra donc déelopper une élecronque de geson d énerge capable d augmener cee enson pour fournr une enson suffsammen éleée e sable pour almener les charges du sysème. De même, les généraeurs hermoélecrques, qu fournssen une fable enson, auron beson d une geson d énerge effcace permean d augmener cee enson. Nous allons présener dans le chapre suan les archecures de geson d énerge ensageables pour répondre à ces besons. Nous chercherons à déelopper une archecure de récupéraon d énerge compable aec la mnaursaon des sysèmes. 46

47 Chapre II : a geson d énerge CHAPITE II : A GESTION D ENEGIE 47. INTODUCTION 5 2. ES PINCIPES DE GESTION D ENEGIE es régulaeurs lnéares de ype DO es conersseurs à découpage Concluson sur les régulaeurs e les conersseurs Mesure de pussance GESTION OPTIMISEE DE ENEGIE Exracon du maxmum d énerge Sockage effcace de l énerge FONCTIONNEMENT ET TANSFET OPTIMISES POU UNE INTEGATION EFFICACE DANS A PATE-FOME MUTI-SOUCES / MUTI-CHAGES Ea de fonconnemen du sysème Modfcaon du chemn de pussance Inégraon dans la plae-forme MANAGY CONCUSION 86 47

48 Chapre II : a geson d énerge page nenonnellemen blanche 48

49 Chapre II : a geson d énerge ESUME DU CHAPITE II es sources de récupéraon d énerge e les charges élecronques n on pour l nsan pas les mêmes caracérsques an en maère de enson que de couran, l es donc nécessare d nsérer un sysème de conerson. Parm les sysèmes de conerson exsans, on dsngue les régulaeurs lnéares, les SMPS 7 e les pompes de charge. Nore éude a perms de monrer que les SMPS son les sysèmes les plus néressans pour adaper une source de fable enson qu are ers une charge fonconnan à de plus fores ensons. En effe, les SMPS on un rappor de conerson arable leur permean de conerr aec le melleur rendemen proche de 90% une enson d enrée arable ers une enson de sore régulée. De plus, les sysèmes SMPS on la possblé de ploer la aleur de la enson de la cellule solare en enrée par le ploage du rappor cyclque du conersseur. Un bon conrôle du rappor cyclque peu donc permere à ou nsan de fare fonconner le module phooolaïque à son pon de pussance maxmale. Nous aons un budge énergéque rès resren pour nore sysème auonome. Nous aons ou d abord éudé les méhodes permean de mesurer la pussance aan d éuder celles permean so d augmener la pussance en enrée, elles que les méhodes de MPPT 8, so d opmser le ransfer de pussance aux charges du sysème. Nous aons chos de mere en œure la méhode de MPPT de «sngle sensor» qu ne nécesse qu une mesure de enson du module phooolaïque pour déermner le rappor cyclque permean à la source de fonconner au plus proche de son pon de pussance maxmale. Nous aons éudé les prncpales baeres pour déermner la plus adapée à une ulsaon de 0% de sa capacé aec une enson maxmale de 3.8V. Nous aons séleconné la baere Vara M 220 e nous aons élaboré un modèle pour pouor prendre en compe ses effes sur le sysème. a mse en œure de chemns mulples combnan chemn drec enre la source e les charges, e chemn ndrec où l énerge ranse a l uné de sockage e de enson plus éleée, perme de lmer les peres de conerson ans que celles nrnsèques à l uné de sockage e son ulsaon. Nous aons éudé les conersseurs SMPS permean d almener des chemns de pussance mulples. Nous en aons dédu que nore conersseur do comprendre une régulaon de ype OPDC 9 e posséder au mnmum deux chemns, un chemn drec à fable enson, e un deuxème chemn ndrec pour le sockage de l énerge. Enfn nous aons éudé cee nouelle archecure e monré qu elle peu apporer un gan de 33% sur le rendemen du sysème dans le cadre d un sysème ulsan une baere. 7 SMPS : Swch Mode Power Supply, conersseur de pussance à commuaon 8 MPPT : Maxmum Power Pon Trackng, recherche du pon maxmum de pussance 9 OPDC : Ordered Power Dsrbue Conrol, dsrbuon ordonnée de la pussance 49

50 Chapre II : a geson d énerge page nenonnellemen blanche 50

51 Chapre II : a geson d énerge Chapre II : a geson d énerge. Inroducon Nous aons u dans le chapre sur «les mcrosysèmes auonomes» les dfférenes sources d énerge suscepbles d êre ulsées pour l élaboraon d un sysème mul-sources mul-capeurs. Ces sources on en commun de fournr une fable pussance en sore. De plus la enson délrée par ces sources, qu elles soen phooolaïque ou hermque, es nféreure au ol e n es pas suffsane pour almener drecemen une charge d un nœud de capeur. Pour pouor almener les charges du nœud, l es donc nécessare de mere en œure un crcu de geson d énerge qu a enr adaper l énerge en enrée, pour répondre aux besons des charges du mcrosysème. énerge en enrée es connue, mas elle es soumse aux araons de l enronnemen. e crcu de geson d énerge dera donc êre capable de gérer une source connue qu are lenemen au cours du emps e d ulser l énerge exrae pour almener une charge don le couran a arer en foncon de son mode de fonconnemen fgure II-. Sources V n, I n Conersseur ou régulaeur Charges V ou, I ou Fgure II- : a geson d énerge au sen du mcrosysème. Dans le cadre d un nœud de capeur auonome, l fau d une par conerr effcacemen l énerge, mas auss d aure par rédure au mnmum la consommaon du bloc de geson d énerge. Cee consommaon do êre rédue au mnmum afn qu elle ne réduse pas à néan les gans obenus grâce à la recherche de l effcacé maxmale du conersseur. ors de la concepon du crcu de geson d énerge, nous derons donc chercher le melleur comproms enre effcacé e consommaon. Dans ce chapre, nous exposerons les dfférenes méhodes de conerson e de ransfer d énerge permean de ransférer des fables pussances 0 à 500 µw. Nous allons explquer les prncpes des sysèmes de geson d énerge exsans spécfques aux fables pussances. Ces sysèmes peuen êre des régulaeurs ou des conersseurs. Nous allons dans les paragraphes suans raer des nnoaons mses en place pour les fables pussances [ST 998, HAM 200] ans que les sysèmes permean la mesure ou l esmaon de l énerge du sysème. Nous errons qu l n exse pas de conersseur ou de régulaeur qu corresponde à oues les applcaons. Pour chaque applcaon, pluseurs soluons son ensageables aec leurs aanages e leurs nconénens. Nous analyserons les sysèmes selon leurs performances auss ben en maère de consommaon saque, de consommaon dynamque e de rendemen. A parr de cee analyse, nous chercherons l archecure e les méhodes les meux adapées pour permere la concepon d un sysème de récupéraon e de geson d énerge nnoan pour les mcrosysèmes auonomes. 5

52 Chapre II : a geson d énerge 2. es prncpes de geson d énerge 2. es régulaeurs lnéares de ype DO a e prncpe du DO e régulaeur lnéare de ype DO ow Drop Ou es rès ulsé pour conerr une source de enson connue en une enson nféreure ndépendane du couran préleé par la charge. e drop-ou ou enson de déche d un régulaeur lnéare es défn par la dfférence enre les poenels du dran e de la source du ranssor de sore auss nommé ranssor ballas, qu son respecemen la enson d almenaon V BAT e celle de sore V S fgure II- 2. a aleur du drop-ou mnmum es la dfférence mnmum qu l fau applquer pour que le ranssor de pussance so dans un éa passan e que le régulaeur pusse ans fonconner normalemen. En effe, le régulaeur conrôle le couran nécessare à la sore de manère à manenr la enson de sore sable. es régulaeurs lnéares ne peuen fournr qu une enson de sore V S sablsée nféreure à celle de l enrée. C charge Fgure II-2 : Prncpe d un DO. e crcu de mesure e de conrôle prend en compe les araons en sore V s dues aux araons de la charge ou de l almenaon pour ajuser la source de couran conrôlée en enson foncon remple par le ranssor ballas qu a permere de manenr la enson V S à son neau désré. a aleur à laquelle la enson de sore es régulée es ploée par la enson de référence V ref. e ranssor de pussance es un élémen parculer de par son rappor W/. Sa aleur es calculée de manère à obenr le couran de sore I s aec un mnmum de peres résses. a largeur es drecemen lée aux deux paramères les plus mporans du DO : le couran de sore maxmum en fonconnemen normal e la enson de déche mnmum. a largeur opmale W op es donc déermnée à parr de ces caracérsques. Enfn, ce ranssor de pussance crée une capacé de charge à la sore de l amplfcaeur d erreur qu nfluera drecemen sur le emps de réponse du régulaeur. ulsaon d une capacé exerne éleée C charge perme de sablser le sysème, mas elle es rès coûeuse en maère de prx e de place occupée. Pour lmer sa aleur, on assoce une compensaon en nerne de compensaon de Mller. ndusre cherche des soluons complèemen négrables. Ans, de nouelles archecures de compensaon on éé déeloppées pour rédure cee capacé exerne. Elles ulsen une boucle auxlare rapde, qu perme une réponse rapde en mode ransore ou en permean une compensaon nerne. es résulas des raaux de [MI 2007] monren des performances comparables à celles de régulaeurs aec une capacé exerne, auss ben au neau de la réponse ransore que de la sablé. Une capacé nerne de compensaon lmée à 7 pf e une capacé de charge C charge rédue à 00 pf on éé ulsées. 52

53 Chapre II : a geson d énerge b endemen e réjecon du bru es régulaeurs DO on le grand aanage d aor une grande réjecon du bru de l almenaon. Par exemple, le DO P5900 [NAT 200] a une enson de bru d enron 0 µvrms pour une gamme de araon du sgnal d enrée allan de 0 Hz à 00 khz e un for PS 20 >75 db à khz. Par conre, l possède un couran de fue rop mporan de 25 µa [MAN 2006]. Il exse des DO aec des courans de fue nféreurs au mcroampère, mas aec une fable réjecon de bru e une longue réponse ransore 50 µs pour une araon de 3 mv [GUO 2009]. Dans le cas des fables pussances où les courans son proches de 0 µa, un rendemen maxmum de 20% a éé aen par n en 2006 fgure II-3. Pour les fables courans de sore, le rendemen dépend essenellemen des peres générées par la boucle de réroacon V EF, amplfcaeur d erreur,, don la par dmnue aec l augmenaon du couran de sore. endemen améloré aux fables courans de charge Fgure II-3 : endemen du DO foncon du couran η DO dédé aux fables courans de charge, η 2 DO opmsé par [IN 2006]. De plus, plus la chue de enson aux bornes du ranssor ballas es fable e plus les peres dues à sa réssance équalene son rédues. ulsaon d un ranssor large perme de rédure sa réssance équalene, on peu alors aendre des rendemens de 9% pour un couran de sore de 200 ma [HON 2006]. Dans le cas d une archecure dédée aux fables courans de sore, la alle du ranssor ballas do êre rédue pour dmnuer l énerge nécessare à son conrôle, mas cec a pour effe de rédure ses performances aux fors courans de sore fgure II-3. On oben alors des rendemens qu aosnen les 70% pour des courans de sore de quelques mllampères. On remarque que même s le régulaeur DO possède une bonne réjecon d almenaon lu permean de flrer les ondulaons de enson d enrée, son rendemen chue pour les fables pussances <20%. Il n es donc pas adapé pour gérer les fables pussances délrées par les sources de récupéraon d énerge. En reanche, nous pourrons l ulser dans la plae-forme de récupéraon d énerge pour flrer les ondulaons de enson en enrée e fournr ans une almenaon flrée aux capeurs sensbles aux brus e nécessan des courans plus éleés. 20 PS : Power Supply ejecon ao, réjecon du bru de l almenaon PS = 20log V n / V ou 53

54 Chapre II : a geson d énerge 2.2 es conersseurs à découpage es conersseurs à découpage, ou SMPS 2, fon pare des conersseurs d énerge employan les prncpes de la commuaon. es conersseurs, que l on roue usuellemen pour gérer des pussances de quelques dzanes de was jusqu'à de rès fores pussances, on monré leur nérê grâce au prncpe même de la commuaon qu ndu un rendemen héorque proche de un. A rès fable pussance, ce aanage se roue amondr par la par relaemen plus mporane des mperfecons des composans acfs e passfs. Néanmons, ces sysèmes on un for rendemen e permeen an l éléaon que la dmnuon de la enson en sore. es conersseurs classques conerssen une pussance en enrée défne par V n e I n en une pussance en sore défne par V ou e I ou. Ils son conçus à parr de composans capacfs, nducfs, de dodes e d nerrupeurs es conersseurs à découpage nducfs classques a Prncpe des conersseurs à découpage nducfs es conersseurs à découpage nducfs peuen so fournr une enson de sore plus éleée que l enrée ce son alors des conersseurs suroleurs, nommés boos, so fournr un enson plus fable ce son alors des conersseurs déoleurs, nommés buck. Prenons le cas d un conersseur suroleur de ype boos fgure II-4 fonconnan à une fréquence fxe de raal. Ce sysème fa pare des archecures des SISO 22. V e K V s Charge Fgure II-4 : e conersseur de ype boos. Au cours d une pérode T, le sysème passe par deux phases de fonconnemen. ors de la premère phase, l nerrupeur K es fermé e la dode es bloquée. a source fourn oue son énerge à l nducance qu l emmagasne. ors de la deuxème phase, pendan le emps -αt, l nerrupeur es ouer e la dode condu. nducance se décharge dans la charge à une enson supéreure à celle de l enrée fonconnemen décr en ANNEXE : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos. e conersseur peu raaller selon ros modes de conerson fgure II-5 : dsconnu, connu e en rampe monane défns à parr des araons du couran I de l nducance : - e mode dsconnu ou DCM 23 es ulsé pour les fables pussances. a 2 SMPS : Swched Mode Power Supply, conersseur de pussance à commuaon 22 SISO : Sngle Inducor Sngle Oupu, conersseur nducf à sore unque 23 DCM : Dsconnuous Conducon Mode 54

55 Chapre II : a geson d énerge enson de sore es conrôlée par modulaon de la fréquence ou par modulaon de la densé des mpulsons. e couran I es nul en dehors des phases de ransfer d énerge, - e mode connu ou CCM 24 es fréquemmen ulsé pour les pussances moyennes e fores. Dans ce mode, un couran connu à aleur moyenne non nulle raerse consammen l nducance en flucuan. a réducon des oscllaons perme de rédure les peres du conersseur. Ce mode n es pas ben adapé pour les fables pussances à cause de la alle de l nducance e des capacés requses pour les fores fréquences de commuaons. De plus, l es nécessare d aor un sysème bloquan ou couran négaf pour ne pas déérorer les sources de récupéraon d énerge, - e mode rampe monane es ulsé pour des réponses rapdes dues à une fore demande de la charge. Dans ce cas, le couran moyen raersan l nducance es rop fable pour conserer la enson de sore au neau requs. Une phase exceponnellemen longue es alors effecuée pour accroîre le couran moyen raersan l nducance [SU 998]. Fgure II-5 : es modes de conducon d un conersseur SMPS [SU 998]. b Conrôle e asserssemen Comme pour le DO, la régulaon de la enson de sore es assurée par un asserssemen fgure II-6. Une dfférence majeure enre ces deux ypes de régulaeur es à noer : dans le cas des SMPS, une ondulaon à la fréquence de découpage se rajoue à la aleur moyenne de la enson de sore, mas elle es, en général, flrée par le flre de sore du SMPS. De plus, le SMPS, soums à un comporemen non lnéare lnéare par morceaux nhéren au prncpe de découpage, nécesse une modélsaon non lnéare du sysème. Cee boucle d asserssemen do par alleurs assurer de bonnes performances dynamques, en parculer lors des araons de charge. 24 CCM : Connuous Conducon Mode 55

56 Chapre II : a geson d énerge Crcu de conrôle V e V s Fgure II-6 : e conersseur e sa boucle d asserssemen. a enson de sore V s es comparée à une enson de référence V réf.. Une enson d erreur epslon en es dédue, qu, par l nermédare d un crcu de conrôle, a moduler la aleur du rappor cyclque α commandan les ranssors de pussance. Pluseurs soluons exsen pour effecuer cee modulaon : - modulaon de la densé des mpulsons PDM 25, - modulaon de la largeur des mpulsons PWM 26, - ou encore modulaon de la fréquence PFM 27. Dfférenes srucures de conrôle son dsponbles. a boucle peu ulser la comparason de la enson de sore à une enson de référence à laquelle une comparason du couran raersan l nducance peu êre ajouée pour plus de précson. c égulaon numérque a régulaon numérque conrôle les ranssors de pussance grâce à des conersseurs analogques/numérques. Un crcu ulsan un conrôle numérque a l aanage d êre rapde, de pouor fonconner à des fréquences éleées e d ulser des algorhmes numérques de conrôle. De plus, l es possble d mplémener des boucles mulples de conrôle permean de rer prof de chaque méhode de modulaon. a régulaon numérque a l aanage de pouor êre mplémenée dans dfférenes echnologes car son code es ndépendan de la echnologe. Un conersseur à boucle de conrôle numérque es composé d un conersseur numérque, d un modulaeur de largeur d mpulson numérque [TE 2005] e de conrôleurs des ranssors de pussances. a concepon d un el conersseur es complexe e nécesse des modélsaons hybrdes performanes. Des co-smulaons ponues enre pare numérque e analogque son nécessares pour obenr les caracérsques opmales an pour le fonconnemen que pour la sablé du sysème. Malheureusemen, les consommaons affchées par ces sysèmes ne son pas encore compables aec les applcaons rès fables pussances dues à l énerge nécessare aux calculs ans qu aux conersons analogques/numérques. En effe, les conranes mposées aux conersseurs analogques/numérques son fores en maère de consommaon e de rapdé, e fxées drecemen par les conranes de l asserssemen. 25 PDM : Pulse Densy Modulaon 26 PWM :Pulse Wdh Modulaon 27 PFM : Pulse Frequency Modulaon 56

57 Chapre II : a geson d énerge d endemen e réjecon du bru des conersseurs à découpage nducfs es conersseurs à découpage nducfs peuen acceper de larges gammes de enson e de couran d enrée. a enson mnmale d enrée es proche de 0.8 V. Il faudra donc eller à ne pas fare chuer la enson délrée par les sources d énerge pour le bon fonconnemen du sysème. Par exemple, un conersseur DCDC a éé conçu par [HE 2007]. Il accepe une enson d enrée aran de à 2.7 V e adme un couran de sore de.7 ma aec des oscllaons sur la enson de sore de 30 mv pour une nducance de µh e une capacé de 20 nf. e rendemen des conersseurs à découpage nducfs es proche des 90%. Par exemple, le crcu déeloppé par Song [SON 2006] a un rendemen de 94.8% pour une pussance de sore de 452 mw. Comme les régulaeurs DO, les conersseurs à découpage nducfs on un rendemen qu dmnue aec la pussance de sore, mas de manère beaucoup mons prononcés que pour les DO. On peu or sur la fgure II-7 l éoluon du rendemen en foncon du couran de sore compren enre ma e A, e cec pour dfférens modes de modulaon e de conducon du conersseur A Fgure II-7 : Conersseur nducfs, rendemen en foncon du couran de sore, allan du mll Ampère à l Ampère [CHE 2007]. e mode de modulaon PFM/PDM/PWM peu êre ulsé pour amélorer le rendemen du conersseur en adapan la boucle de conrôle en foncon de la pussance de sore fgure II-7. Pour un mode de modulaon fxé, l es possble d amélorer encore plus le rendemen du sysème en ulsan des echnologes dédées. Ans, un crcu conçu par Fuse [FUS 200] aen les 90% de rendemen pour des pussances comprses enre 5 e 5 mw en modulaon PWM dans le mode DCM. Ce crcu a éé conçu pour aendre ces performances à l ade de ranssors de la echnologe SOI permean de rédure les fues de couran, e aec des ensons de seul mulples, permean d amélorer sgnfcaemen le rendemen pour les fables pussances. a modulaon PWM peu permere ans au conersseur nducf éléaeur d aendre des rendemens éleés jusqu à 95% pour des pussances supéreures à 0 mw fgure II-8. Pour les fables pussances, l ulsaon du mode DCM, ans que la modulaon de la fréquence de commuaon PFM deennen aanageuses pour lmer les fues du conersseur. 57

58 Chapre II : a geson d énerge Fgure II-8 : endemen en foncon de la pussance de sore mw [FUS 200]. a rejecon du bru d almenaon peu aendre -80 db [HOO 2005] dans le cas d un conersseur à découpage déoleur de ype buck fonconnan en modulaon PWM aec une fréquence de MHz. es ondulaons en sore son égalemen défnes par la alle de la capacé en sore. Dans le cas où la aleur de la capacé nécessare pour aendre la réjecon du bru d almenaon deen rop mporane, l es possble de la dmnuer où la supprmer grâce à l ulsaon d un régulaeur lnéare de ype DO es conersseurs à découpage capacfs a e prncpe des conersseurs à pompe de charge e prncpe des conersseurs à pompe de charge es basé sur un ransfer d énerge effecué par des redsrbuons de charges enre capacés. Ces régulaeurs peuen, comme les conersseurs nducfs, fournr une enson de sore plus éleée ou plus fable par rappor à la enson d enrée. Comparés aux aures conersseurs connus les conersseurs à pompe de charge ne nécessen pas l ulsaon d une nducance ou d un ransformaeur, généran ans mons d nerférences élecromagnéques. a enson de sore es conrôlée a la fréquence de commuaon. e conersseur correspond à une réssance équalene qu are en foncon de la fréquence de commuaon e de la aleur des capacés fgure II-9. Ces capacés peuen êre négrées suan la aleur de la fréquence e de la pussance de sore nécessares. Fgure II-9 : Prncpe des conersseurs à pompe de charge. es conersseurs à pompe de charge peuen êre régulés en modfan la fréquence de fonconnemen, permean ans de s adaper au couran préleé par la charge en sore. Dans le cas où ce couran de sore es consan, le conersseur à pompe de charge peu s adaper aux araons de l enrée grâce à la modfcaon de son rappor cyclque. Enfn, l es égalemen possble de conrôler le rappor de conerson du conersseur à pompe de charge en adapan le nombre d éages qu le consuen. 58

59 Chapre II : a geson d énerge b es dfférenes srucures es prncpales srucures ulsées son celles de Dckson [HON 2003]. Il y a égalemen les srucures nerconnecées ou cross-couplées, qu possèden deux branches de pompage en parallèle [GOB 2006], e les srucures à pompe de charge exponenelles [TSU 2005]. Fgure II-0 : Conersseur à pompe de charge de ype Dckson à N éages. e crcu es consué d éages capacfs connecés par des nerrupeurs e couplés en parallèle aec des horloges φ e φ 2 non recouranes fgure II-0. En régme éabl, la enson du noeud V are enre V source e la aleur V H qu es nféreure à 2V source du fa des peres par redsrbuons e du couran fourn par la pompe dans la charge I charge. De même, la enson du noeud V 2 are enre V 2 = V H e V 2H, e ans de sue jusqu'au noeud V N. On oben ans en sore une enson V charge décre par l équaon II-. N. I Vch arg e = N. Vsource V II- f. C Aec : V la enson de chue des nerrupeurs, f la fréquence de pompage, C la capacé élémenare de pompage e I le couran à la sore. es performances son lmées par les ensons de seul des ranssors ulsés comme nerrupeurs. archecure Dckson présenée par [BHA 2006] ulse des ranssors à fable enson de seul, à laquelle le sysème es capable de conerr une enrée de seulemen 0.3 V en une sore de 2.5 V. es archecures de ype exponenelles peuen acceper des ensons d enrée plus fables. Noammen, l exse un crcu capable de fournr une sore comprse enre.2 V e 2.3 V aec des enrées comprses enre 80 mv e 200 mv pour un couran maxmal de 200 µa [KI 2006]. Par conre, ces archecures exponenelles on beson d un crcu de démarrage pour générer les horloges de commuaons qu son à un neau de enson plus éleé que celu de l enrée. Elles ne peuen donc pas êre auoploées. c endemen e réjecon de bru des conersseurs à pompe de charge Ces conersseurs on une effcacé qu dmnue aec l augmenaon de la dfférence enre la enson d enrée e de sore. Ils possèden un rendemen maxmum lorsque leur enson de sore es un mulple de leur enson d enrée. Pour ces rasons, les conersseurs à pompe de charge son ulsés pour des applcaons où les rappors de conerson son fxes. Dans le cas de fables pussances de sore < mw, des conersseurs à pompe de charge on éé déeloppés aec des rendemens supéreurs à 70% [SPI 2007]. a enson mnmum d enrée es lmée par les seuls des ranssors employés. Cee lme es proche de 0.3 V e ben nféreure à celle des aures ypes de conersseurs. 59

60 Chapre II : a geson d énerge e couran fourn par les conersseurs à pompe de charge es lmé par la aleur des capacés, des réssances, des nerrupeurs e de la fréquence d horloge. Un conersseur à pompe de charge a l aanage d êre oalemen négrable, mas cec n es ra que pour de fables pussances de sore. Par exemple, pour une sore de mw, Palumbo a démonré qu une capacé de 60 pf es requse e qu elle es dffclemen négrable [PA 2004]. es conersseurs à pompe de charge monren de bonnes performances pour des fables ensons en enrée e de pes rappors fxes de conerson. eur rendemen es maxmum lorsqu ls délren une enson de sore mulple de leur enson d enrée. Dans ces condons, les rendemens aens son supéreurs à ceux des archecures nduces. Mas pour ceranes applcaons l négraon complèe de la pompe peu êre remse en cause. Enfn, l archecure d un conersseur à pompe de charge peu êre adapée pour s accorder dynamquemen aux araons subes à son enrée ou sur sa consgne de sore. Par exemple, le nombre d éages ou la aleur des capacés de pompage pourraen êre modfés pour amélorer le rendemen des sysèmes où la source d enrée es arable es conersseurs à découpage nducfs à sores mulples SIMO Un conersseur à découpage nducf à une seule enrée e à sore mulple es nommé SIMO 28. Un el conersseur fonconnan en mode OPDC 29 a éé proposé par e en 2007 [E 2007]. Il s ag d un conersseur connu-connu nducf à mul-sores permean d obenr pluseurs ensons de sores régulées à parr d une seule enson d almenaon. e prncpal aanage de ce ype de conersseur es qu l nécesse une seule nducance, qu es le composan le plus olumneux du sysème. De plus, le mode OPDC perme de parager la pussance enre les sores du sysème. e sysème proposé par e fgure II- es composé de quare sores poses e d une sore négae. a enson nomnale d enrée V g es de 3.7 V. es quare sores poses régulées, nommées V 0, V 02, V 03 e V 04, délren des ensons alan respecemen 0.2 V, 7.0 V, 7.5 V e 8 V. Dans cee archecure, seule la dernère sore n es pas régulée. es N- premères sores son régulées grâce à une comparason aec la aleur de consgne. erreur de régulaon sur les N- premères sores es donc lmée à l erreur des comparaeurs employés e à la fréquence du sysème. a dernère sore, quan à elle, suppore l ensemble des erreurs proenan de l asserssemen e du conrôle du sysème. Duran la premère pare du cycle, l nducance es chargée, pus déchargée successemen dans chaque sore duran la seconde pare. e sysème passe d une sore à l aure dès que la consgne de la sore précédene es aene. S l énerge sockée es nsuffsane pour recharger chaque sore, le sysème augmene le rappor cyclque du conersseur pour charger daanage d énerge dans l nducance à chaque cycle. 28 SIMO : Sngle Inducor Mulple Oupou, une seule nducance e de mulples sores 29 OPDC : Ordered Power Dsrbue Conrol, dsrbuon ordonnée de la pussance 60

61 Chapre II : a geson d énerge Conersseur classque Geson des sores mulples Fgure II- : Sysème SIMO e dagramme emporel [E 2007]. Cee nouelle archecure perme d ensager un sysème encore plus nellgen. En effe, nous pourrons ordonner une séquence de connexon des sores dfférenes, almenan en proré la sore qu en a le plus beson don l erreur par rappor à la consgne es la plus grande. a dernère sore seran dans ous les cas de référence e resan la seule à subr les erreurs dues à l asserssemen du sysème. Il apparaî donc qu un conersseur à découpage nducf es néressan pour une large plage de pussance. Un el conersseur a l aanage de pouor s adaper aux araons de la enson d enrée grâce à la modulaon de son horloge de commande. De plus, de nouelles approches monren que ce sysème perme de créer des chemns de pussance mulples permean de fournr des ensons de sores dfférenes. a alle e le prx d un el conersseur dépenden foremen de la alle des ranssors de pussance e des composans exernes nécessares qu l faudra opmser. Cee archecure es néressane pour un sysème de récupéraon d énerge connue. Il faudra cependan êre aenf au sysème d asserssemen e de commande, qu on fxer la pussance mnmum nécessare au fonconnemen du sysème, ans qu à ne pas dégrader la enson d enrée en lman les chues de enson sur son chemn ers l nducance. 2.3 Concluson sur les régulaeurs e les conersseurs e ableau II- perme de résumer les caracérsques des conersseurs communémen ulsés, repars en deux groupes : les régulaeurs lnéares e les conersseurs fonconnan par commuaon. e ableau II- perme d denfer une complémenaré enre les deux groupes de conersseurs. En effe, les conersseurs par commuaon son souen ulsés de pare aec des régulaeurs lnéares. S les premers on de rès bons rendemens e permeen d éleer la enson, les seconds rédusen sgnfcaemen les ondulaons en enson. 6

62 Chapre II : a geson d énerge Type égulaeurs lnéares Conersseurs commués Foncon Abasseur Abasseur, éléaeur endemen Peres Moyen à fable Eleée s la dfférence enre enson d enrée e de sore es fable Eleées surou s la dfférence enre enson d enrée e de sore es éleée Eleé Excepé à rès fable pussance où le couran consommé deen déermnan Fables Complexé Fable Moyenne à éleée Talle Fable à moyenne Plus grande que les régulaeurs lnéares à fable pussance Coû Fable Moyen à éleé du au composans exernes Ondulaon/Bru Fable pas d ondulaon, fable bru Moyen à éleé dû à la commuaon Tableau II- : Comparason des dfférens sysèmes de geson d énerge. es pompes de charge son adapées pour effecuer des rappors fxes de conerson. Par conre, dès que l on s élogne du rappor fxe ou que le rappor deen mporan, on noe une chue du rendemen de conerson. Dans le cas d une source phooolaïque où la enson de sore are en foncon de l éclaremen, l es plus aanageux d ulser un conersseur à découpage suroleur de ype boos qu a permere de garanr un rendemen de conerson sur oue une plage de enson d enrée e donc un rendemen de conerson garan sur oue une plage d éclaremen. Nous saons qu l exse ros modes de conducon : dsconnue, connue e en rampe monane. Dans le mode de conducon connue e en rampe monane, le couran raersan l nducance do oujours êre connu. Dans ce cas, le couran peu deenr pérodquemen négaf dans l nducance enraînan des peres. Pour lmer les peres dans l nducance, nous souhaons raaller en mode dsconnu. Ce mode de fonconnemen perme de reenr à un couran nul dans l nducance à chaque cycle. Pour le momen, même en conducon dsconnue, les aleurs de e de C ne son pas négrables. Cependan, l semble plus ensageable de les dmnuer dans ce mode qu perme de lmer les peres. 2.4 Mesure de pussance Dans les nœuds de capeurs auonomes, l y a un for beson de mesurer des courans allan du mcroampère au mllampère e des ensons allan de quelques cenanes de mllols à quelques ols. Deux méhodes son courammen ulsées : la méhode de mesure drece e la méhode d approxmaon ulsan des seuls de déecon. Cee mesure de pussance es nécessare pour pouor ploer e ajuser le sysème de geson d énerge effcacemen fgure II-2. En effe, une geson d énerge effcace nécesse de connaîre le neau de pussance qu ranse par le sysème. Grâce à cela, le sysème de geson d énerge a pouor s adaper e ransférer cee énerge de la manère la plus approprée. Nous allons comparer les dfférenes méhodes exsanes pour déermner celle qu sera la plus approprée à nore sysème. 62

63 Chapre II : a geson d énerge Sources V n, I n Conersseur ou régulaeur Charges V ou, I ou mesure mesure Analyse & Conrôle du ransfer 2.4. Méhodes dreces a Mesure analogque Fgure II-2 : Conrôle du ransfer d énerge. a méhode la plus courane es d ulser une réssance placée en sére aec l nducance ou un ranssor de pussance. a enson aux bornes es ulsée pour déermner le couran raersan l élémen. nconénen de cee soluon es la quané d énerge dsspée. Une soluon a éé proposée par Sun en 2006 [SUN 2006] qu consse à mesurer le couran moyen raersan une réssance en enrée d un crcu conersseur nducf. Cee méhode prend ben en compe les araons des ensons en enrée e en sore pour déermner le couran moyen à l ade d un crcu de compensaon, mas celu-c génère l essenel des peres. Une aure méhode courammen ulsée consse à ulser un négraeur pour déermner le couran à parr de la enson de l nducance. Cee méhode complexfe la concepon. De plus, la précson de la mesure dépend de dfférens faceurs comme la olérance lors de la fabrcaon de l nducance ou encore la empéraure. Une rosème oe consse à ulser, comme Smh en 2000 [SMI 2000], la réssance en conducon du MOSFET au leu de rajouer une réssance. Mas cee réssance de conducon are aec la empéraure. S la réssance équalene du ranssor en conducon on es rop grande, le sysème a dssper beaucoup d énerge, rédusan sgnfcaemen le rendemen global du conersseur. Dans les applcaons rès fables pussances, les on son fables e la enson do êre amplfée par un crcu d amplfcaon qu augmene la consommaon de manère mporane. Ces méhodes son surou ulsées pour des courans mnmum de charge de l ordre de 300 ma. Une méhode plus smple a éé proposée par ee en 2002 [EE 2002]. e crcu de la fgure II-3 mesure une pare du couran raersan l nducance à l ade de mrors de couran e d un amplfcaeur opéraonnel. Ce crcu es rès précs. Par conre, à cause de la chue de enson au raers des ranssors M5 e M l ne peu pas êre ulsé pour des applcaons à fables ensons. 63

64 Chapre II : a geson d énerge Fgure II-3 : Mesure analogque du couran pour un conersseur de ype buck [ee 2002]. Dans le cas d une fable enson d almenaon par exemple en dessous de.2 V, cee méhode ne sera alors plus suffsane pour manenr les ranssors dans un éa sauré. Une aure soluon a éé proposée par eung [EU 2004]. e crcu fgure II-4 es égalemen améloré grâce à l ulsaon d un ranssor PMOS. a enson d almenaon peu alors êre rédue e le crcu es fonconnel sous.2 V. PMOS Fgure II-4 : Mesure amélorée du couran pour un conersseur de ype buck [EU 2004]. Ce crcu de mesure de couran fonconne à 500 khz. a précson de la mesure es proche de 94%, ands que le sysème fonconne aec un rendemen global de 89% pour un couran de charge de 20 ma. b Mesure mxe D une façon générale, la mesure mxe s effecue par l nseron dans l archecure de conersseurs analogque/numérque qu on échanllonner la aleur du couran ou de la enson. a précson de la mesure dépend de la résoluon du conersseur de n bs. Maaell a proposé une archecure de conrôle numérque basée sur l ulsaon de la aleur du couran de la bobne fgure II-5. e couran es déermné par les mesures des ensons V e e V S obenues par l nermédare de conersseurs analogque/numérque CAN noés AD [MAT 2004]. 64

65 Chapre II : a geson d énerge Fgure II-5 : Conrôle numérque d un conersseur de ype boos [MAT 2004]. es CANs ulsés son des conersseurs rapdes qu garanssen un emps de conerson nféreur à la mcro seconde. Cee méhode ulse une mesure de la enson de sore qu es raée par un FPGA EPC6 de Alera pour obenr la aleur du couran passan dans l nducance. Cee echnque n es pas adapée aux rès fables pussances. Trescases [TE 2006] a proposé en 2006 une approche mxe analogque/numérque fgure II-6. Fgure II-6 : Mesure mxe sur un conersseur de ype buck [TE 2006]. a enson de sore es échanllonnée e sousrae à la référence numérque, généran un sgnal d erreur. Un conersseur numérque/analogque CNA coner le couran proenan du compensaeur en une enson qu a êre comparée au couran raersan l un des ranssors de pussance. a consommaon des blocs de conerson analogque/numérque ms en œure ne perme pas de répondre aux applcaons rès fable pussance Méhodes par déecon de seuls a déecon de seuls peu se fare à l ade de l mplémenaon d un rgger de Schm fgure II-7. e sysème fa commuer le ranssor T, qu joue le rôle 65

66 Chapre II : a geson d énerge d nerrupeur. Il es passan s la enson es supéreure à une enson V, e bloqué pour une enson nféreure à V 2 aec V 2 <V. V alm V ref V 2 V T V charge Fgure II-7 : Déecon de seuls aec un rgger de Schmd. Kocer [KOC 2006] a déeloppé un séleconneur de mode d ulsaon à parr d une mesure de enson. e séleconneur décde de mere le sysème en elle, en mode recharge ou en mode acf. En mode elle, le sysème aend que la capacé se charge e dsspe un rès fable couran. Fgure II-8 : Archecure fable pussance aec deux échelles de réssances [KOC 2006]. Aec un rès fable couran consommé < µa, le sysème mesure la enson, socke de l énerge dans une capacé e crée un sgnal qu ace les charges prncpales du sysème qu son composées d un capeur de empéraure e d un amplfcaeur de pussance pour la ransmsson des données. e crcu es basé sur un comparaeur à hyséréss formé par les ranssors M à M7 e deux échelles de ranssors Echelle A e Echelle B qu génèren les ensons de comparason fgure II-8. e sysème es acé par le ranssor M6, dès que la enson de la capacé dépasse 2.5 V, e es éen dès que la enson passe sous.5 V. De grandes aleurs de réssance son ulsées pour dmnuer la dsspaon saque d énerge. es ranssors n-well ulsés permeen d aendre ces grandes aleurs de réssances sur puce ou en resan compacs. Deux dodes à enson de seul éleée son ulsées pour descendre les échelles de ranssors sous des ensons nféreures à.5 V pour rédure encore d aanage les dsspaons d énerge. a fgure II-9 présene un aure rgger de Schm fable pussance qu, comme le crcu précéden, commande un ranssor jouan le rôle d nerrupeur. a modfcaon résde 66

67 Chapre II : a geson d énerge dans la réducon du nombre de ranssors ulsés grâce à la suppresson de l éage d allumage e par la smplfcaon de l archecure du rgger de Schm [INK 2006]. Fgure II-9 : Schéma pour l mplémenaon d un seul de réel [INK 2006]. Grâce à ces smplfcaons de l archecure du rgger de Schmd, l es possble de rédure la consommaon du bloc à mons de µw. Ce sysème es ulsé par [INK 2006] pour acer un crcu de récupéraon d énerge récupéran 30 µw. Cee archecure perme de réeller un sysème aec une rès fable consommaon an en maère d énerge que de surface de crcu. Nous aons u qu l exse des méhodes dreces e des méhodes de déecon de seuls. Chaque méhode correspond à des besons dfférens. Ans, pour les méhodes dreces, on cherche aan ou à ulser la aleur mesurée pour asserr le sysème e conrôler ses performances, alors que pour les méhodes à déecon de seul on cherche à connaîre l éa de fonconnemen du sysème. Cee dernère approche es néressane pour effecuer des mesures asynchrones afn de conrôler le sysème global e fare remoner des nformaons sur son éa énergéque. 3. Geson opmsée de l énerge Pour assurer un fonconnemen opmsé du mcrosysème auonome, de nouelles approches son mses en œure, comme la maxmsaon de la pussance en enrée e la recherche d un fonconnemen équlbré enre énerge enrane e énerge consommée pour permere un fonconnemen connu. Ces nouelles méhodes demanden au sysème de geson d énerge d équlbrer la charge du réseau de capeurs en adapan la consommaon spao-emporelle à l énerge dsponble dans l enronnemen on peu acer l un ou l aure nœud dspersé dans l espace en foncon de l énerge qu ls récupèren. a geson d énerge dans un mcrosysème auonome es une queson globale qu démarre par la recherche de nouelles sraéges d exracon d énerge, par la réducon de la consommaon des blocs deenan prmordale lorsque les pussances son fables, <00 µw, par l opmsaon du sockage énergéque e une geson nellgene de l acé des charges du sysème. a dersé des sources énergéques solare, hermque, braore.. ans que les dfférens ypes d élémens de sockage doen êre consdérés e ulsés pour opmser le rendemen global du sysème. Pour cela, un nœud de capeur nécesse une uné de calcul 67

68 Chapre II : a geson d énerge numérque adapée. Des projes son en cours pour déelopper une logque asynchrone dédée aux capeurs auonomes, ploée par les neaux d énerge du sysème [CH 200]. Elle es alors de «energy dren» cf. Chapre I. Nous aons défn la sraége de geson de l énerge suane au sen du nœud de capeurs : - opmsaon de l exracon d énerge, - connassance ou esmaon de l énerge récupérée, - opmsaon du ransfer de l énerge enre sources e charges, - adapaon des profls de consommaon à l énerge présene dans le sysème, - communcaon de l éa énergéque au réseau pour l opmser en denfan les nœuds crques. Nous rappelons que nous aons déeloppé au cours de ce raal de hèse la pare de récupéraon e de geson de la source phooolaïque de la plae-forme mul-sources/mulcharges. Pour nore sysème de geson d énerge, nous nous sommes focalsés sur l opmsaon de l exracon d énerge, sur l esmaon de l énerge récupérée e sur l opmsaon du ransfer de l énerge enre sources e charges. 3. Exracon du maxmum d énerge es mcrosysèmes auonomes on une alle resrene. Ils ne délren donc qu une quané lmée d énerge embarquée e l énerge qu ls peuen récupérer es lmée. S l es mporan de chercher à opmser la récupéraon d énerge l es ou auss mporan de eller au coû énergéque de cee opmsaon. Cee aenon do êre d auan plus marquée que la majoré des sysèmes d opmsaon de récupéraon d énerge, noammen dans le domane du phooolaïque, on éé déeloppés pour des applcaons de ype moyenne ou fore pussance, où la pussance du module phooolaïque es comprse en 50 W e 50 W, ben lon des pussances ypques des mcrosysèmes. es premers sysèmes de récupéraon d énerge on donc fa la par belle à des sysèmes nécessan des calculs coûeux mplanés en emps réel sur des DSP 30. Ces seuls calculs on une demande énergéque qu dépasse l énerge oale récupérable par nore mcrosysème. Nous allons présener les méhodes prncpalemen ulsées pour maxmser la pussance récupérée e denfer celles qu son ransposables à nore domane de pussance. Deux grands groupes de méhodes son ulsés, les méhodes des dreces, e les méhodes des approchées. a Méhodes dreces es méhodes dreces son des méhodes effcaces qu ulsen drecemen la mesure de la pussance nsananée pour déermner les paramères opmums de fonconnemen du sysème. Oure la consommaon pour les calculs de l algorhme de recherche du pon de fonconnemen maxmum, l ne fau pas néglger que l algorhme fonconne à parr des aleurs de pussance nsananée. a pussance nsananée es déermnée à l ade d un capeur de couran e de enson. Or nous aons u dans la pare raan de la mesure de pussance cf. 2.4 Mesure de pussance que la mesure du couran n es pas ensageable dans nore mcrosysème. En effe, les fables aleurs de couran mses en jeu demanden un 30 DSP : Dgal Sgnal Processor 68

69 Chapre II : a geson d énerge capeur performan qu ne peu êre ms en place à cause de sa consommaon. Malgré une effcacé proche de 00% pour de ce ype de méhodes, que ce so pour la méhode de l annulaon de la dérée [HA 968], de la conducance ncrémenale [HUS 995], de la capacé parase [BA 999], de l oscllaon forcée [TSE 200] ou de la méhode la plus répandue, «perurb and obsere» [HUA 998], nous ne pouons pas les mplémener dans les mcrosysèmes auonomes. Ces méhodes son donc réserées aux sysèmes de plus fore pussance de même que les commandes ulsan des sues de Fbonacc [MIY 2004], de la logque floue [BIN 200] ou des réseaux de neurones [VEE 2003]. b Méhodes approchées basées sur des modèles mahémaques ou des ables es méhodes de recherche approchées, des ndreces, ulsen, so des modèles mahémaques pour déermner plus smplemen le pon de pussance maxmal, so des los expérmenales permean de s approcher du pon de pussance maxmal. es méhodes ulsan des modélsaons mahémaques [TAK 997] demanden une pussance de calcul non néglgeable au sysème. De plus, elles nécessen encore l ulsaon de capeurs performans de couran e de enson. Enfn, ces méhodes son basées sur la connassance du récupéraeur d énerge e ne prennen pas en compe les araons qu peuen exser enre les récupéraeurs n leur ellssemen. Elles ne son donc pas adapées aux mcrosysèmes. Des méhodes basées sur des ables de éré [IB 999] exsen égalemen. Elles assocen drecemen les paramères opmums à parr de la mesure des araons du pon de fonconnemen, mas ces pons son fgés e lmés. Cee méhode demande une mémore mporane, ce qu représene un surcoû non néglgeable. Enfn, comme précédemmen, cee méhode ne s adape pas au récupéraeur d énerge car, oure la demande de mémore, elle nécesse ou de même une uné de calcul qu a deor déermner les noueaux paramères en foncon des mesures effecuées. Nous ne pouons donc pas les mere en œure dans nore sysème car elles ne prennen pas en compe son ellssemen. c es méhodes approchées basées sur une mesure de enson ou de couran Une méhode rès employée pour s approcher du pon de pussance maxmal es basée sur la seule mesure du couran ou de la enson. Oman [OTT 2002] a présené une archecure de récupéraon d énerge qu opmse l énerge proenan d un généraeur pézoélecrque fgure II-20. Son archecure es composée d un redresseur AC/DC su d un conersseur DC/DC. e conersseur DC/DC es conrôlé a la modulaon du rappor cyclque de hachage. Ce rappor cyclque es modulé à parr des mesures des araons du couran de sore qu charge une baere. Il exse un rappor cyclque opmal pour lequel l énerge ransférée es maxmum pour un smulus braore donné [OTT 2002]. énerge récupérée par la source pézo-élecrque es maxmsée grâce à l adapaon de la charge, assurée par la modulaon du rappor cyclque de hachage du DC/DC. 69

70 Chapre II : a geson d énerge Fgure II-20 : Archecure d un récupéraeur pézo-élecrque aec un sysème de geson d énerge ncluan un MPPT [OTT 2002]. Oman a ans démonré que la pussance ransférée passe de 6.4 mw à 70.4 mw grâce à l ulsaon d un conersseur DC/DC conrôlé. Dans la sue de ses raaux [OTT 2003], l a démonré que dans le cas où le conersseur DC/DC fonconne en mode dsconnu DCM, le rappor cyclque opmum se rapproche d une aleur unque de 3.6% sur une large plage de fonconnemen du récupéraeur pézo-élecrque. Une éude du sysème de récupéraon d énerge pézo-élecrque peu ans permere de rouer le rappor opmum du conersseur DC/DC, e de le fxer lors de la réalsaon du sysème pour oue sa durée de fonconnemen. Doms [DOM 2009] a présené une archecure de maxmsaon de l énerge produe par une source hermoélecrque. archecure es basée sur un conersseur DC/DC à pompe de charge fgure II-2. e conersseur à pompe de charge présené a la caracérsque de pouor êre commandé de manère à fare arer le nombre d éages qu le consue. Un crcu de geson d énerge perme de conrôler le nombre d éages en foncon de l éoluon du couran en sore. a enson de sore es consdérée comme une aleur consane enre les nsans d échanllonnage. Cee approxmaon es correce dans la mesure où le sysème es conçu pour une charge en sore parculère, qu peu êre so une supercapacé, so une baere rechargeable. Cee archecure ne perme pas de réguler la enson de sore du sysème, celle-c es donc mposée par la charge. Ce sysème de geson d énerge nécesse un conrôleur rès fable pussance ne consomman que.4 µw, permean ans à l ensemble d aendre un rendemen de 58%. Fgure II-2 : Archecure d un hermogénéraeur aec un sysème de geson d énerge ncluan un MPPT [DOM 2009]. 70

71 Chapre II : a geson d énerge d es méhodes non lnéares Des méhodes non lnéares on éé déeloppées pour permere de maxmser l énerge produe par les généraeurs élecromagnéques ans que les généraeurs pézo-élecrques. Ces méhodes son dérées de la echnque d amorssemen srucurel sem-passe SSDI Synchronzed Swch Dampng on Inducor déeloppée au laboraore GEF [IC 999] e [GUY 2000]. Cee echnque es basée sur l ajou d un maérau pézo-élecrque sur un sysème mécanque bran. e maérau pézo-élecrque perme de créer un amorssemen mécanque sur la srucure en produsan parallèlemen une énerge élecrque addonnelle. Cee énerge es récupérée à l ade d une nducance duale de l mpédance de l élémen pézo-élecrque. a méhode nsère un noueau module qu modfe l nerface enre le généraeur e le conersseur AC/DC fgure II-22. Généraeur élecromagnéque ou pézo-élecrque Module non lnéare Conersseur AC/DC Conersseur DC/DC Charge Fgure II-22 : Méhode non lnéare pour maxmser l énerge braore. a méhode SSHI Synchronzed Swch Haresng on Inducor ulse le même prncpe mas dans le bu d augmener la quané d énerge récolée par un généraeur pézoélecrque [AUD 2003] e [EF 2006]. a méhode SSHI a déjà éé aldée pour des généraeurs cenmérques [BAD 2003] e mllmérques [GA 2009]. nducance éan dffclemen négrable, des raaux on perms de modfer cee echnque pour ulser une capacé au leu de l nducance. Elle se nomme SSHC Synchronzed Swch Haresng on Capacor [AMM 2006] e a pour prncpe de fare commuer une capacance en parallèle aec le mcrogénéraeur. a commuaon se fa aux momens du déplacemen maxmal du généraeur, repérée par la enson maxmale en sore du généraeur. Il fau eller à ce que le emps de commuaon so assez long pour permere le ransfer de oues les charges de la capacé du généraeur pézo-élecrque ers la capacé nrodue. applcaon du SSHC sur le généraeur pézo-élecrque perme de fournr une amplfcaon de la enson qu héorquemen peu aendre deux fos la enson nale. Pour mere en œure cee echnque, l fau un crcu de conrôle qu déece les ensons crêes du généraeur e qu génère une mpulson à largeur conrôlée. e es méhodes emprques Dans le cas des récupéraeurs phooolaïques, l es plus couran de rouer des sysèmes basés sur l ulsaon de la mesure du couran de cour-crcu ou de la enson crcu ouer. Des mesures expérmenales on monré qu l exse un coeffcen de proporonnalé enre le couran de cour-crcu [NOG 2000] e le couran de pussance maxmale pour les cellules monocrsallnes. Il en es de même pour la enson de crcu ouer [SCH 982]. Pour amélorer la correspondance enre le pon de fonconnemen e le pon de fonconnemen maxmum, des approches qu combnen les deux los expérmenales on égalemen éé mses en œure [EE 2003]. Ces méhodes on le défau majeur de nécesser l arrê de la récupéraon pour pouor calculer les noueaux paramères du sysème. Pour paller ce problème, des méhodes ulsan des cellules ploes on éé déeloppées. Par exemple, Dond a proposé en 2008 un conersseur à découpage de ype buck aec une méhode basée sur l ulsaon d une cellule ploe fgure II-23 [DON 2008]. 7

72 Chapre II : a geson d énerge Fgure II-23 : Schéma de la méhode aec cellule ploe, archecure de ype buck [DON 2008]. es méhodes ulsan une cellule ploe on le défau d ulser une pare non néglgeable de la surface ace dans le cas d un mcrosysème. a réducon de la alle de la cellule ploe end à élogner ces caracérsques de celles ulsées pour exrare l énerge, d où une dééroraon de la pussance exrae du module. Cec n es pas compable aec nore approche qu a pour bu de sure la réducon crossane de la alle des mcrosysèmes. Une méhode d approxmaon consse à paramérer le sysème pour un pon de fonconnemen moyen dans la plage de araon que a subr le sysème. Cee approche rès smple, pusque aucune opmsaon n es fae par la sue par le sysème, es rès ulsée lorsque la plage de araon d rradance es fable. Dans nore cas, nous oulons prendre en compe des condons d ulsaon an néreures qu exéreures mplquan des araons de deux décades sur la pussance exrae de la source. Sous ces fores araons, un sysème opmsé à pror peu dans les cas exrêmes aor une pussance de sore rédue de 60% par rappor à la pussance maxmale que l on peu exrare. Une dernère méhode emprque consse à ulser la araon de la enson de la cellule en foncon des araons de rappor cyclque. Cee méhode es basée sur l obseraon emprque que la dérée de la enson du module phooolaïque en foncon du rappor cyclque présene un maxmum auour du pon de pussance maxmale [PAN 2007]. On peu alors ulser la enson de fonconnemen pour rechercher le pon de pussance maxmale fgure II-24. Fgure II-24 : Tenson, dérée de la enson e pussance en foncon du rappor cyclque [PAN 2007]. Cee méhode a l aanage de n ulser qu un capeur de enson, elle peu donc êre mse en place dans un mcrosysème auonome. a récupéraon es connue grâce à l ulsaon de la enson de la cellule en fonconnemen. a méhode ne nécesse pas de calcul complexe n de cellule ploe ce qu répond ben aux conranes d un mcrosysème. De plus, cee méhode perme d adaper le sysème de récupéraon d énerge 72

73 Chapre II : a geson d énerge non seulemen aux changemens d rradance mas auss aux effes de la modfcaon de la empéraure. Enfn, éan donné que le sysème ulse consammen les aleurs précédenes, celu-c ne sera pas nfluencé par l éa nal du module phooolaïque e s adapera au ellssemen des cellules phooolaïques. 3.2 Sockage effcace de l énerge énerge récupérée peu êre sockée so dans des baeres, so dans des supercapacés. es baeres son ulsées pour un sockage à long erme, grâce à leurs rès fables fues, ands que les supercapacés son ulsées pour des sockages à plus cour erme, lmés dans le emps à cause de leurs fues. Par conre, les supercapacés n on beson, n d un sysème de geson de charge/décharge, n d un sysème de mesure de l énerge sockée. En effe, la seule aleur de la enson suff à déermner la quané d énerge sockée. a Caracérsques des accumulaeurs Dans le cadre de l élaboraon de la plae-forme MANAGY, nous aons beson d une baere ayan une capacé ule proche de 2 ma.h e une enson maxmale ne dépassan pas 3.8 V Chapre I, 2.2 e proje MANAGY. On souhae une chue de enson maxmale de V, ce qu mplque une réssance nerne nféreure à 50 Ohm. De plus, nous oulons un fable olume ype mcrobaere, < cm 3, un nombre de cycles mporans > 000, une fable auo-décharge, un fonconnemen dans les empéraures 0-60 C e que la baere accepe les courans proenan des sources d énerge. Fnalemen, pour augmener le nombre de cycles de la baere, nous souhaons ulser seulemen 0% de sa capacé, ce qu mplque la recherche d une baere de 20 ma.h. Type IPS MEC 20,0,02 Nous aons comparé les echnologes suanes ableau II-2 : - les mcrobaeres e baeres à couche mnce Cymbe, Excellaron, Fron Edge Technology, Infne Power Soluons IPS, - les baeres bouon NMH Vara, GP, - les baeres bouon Ion Panasonc, Sanyo, Vara, Maxell, Telong, - les baeres hum-ion Eagle Pcher, Panasonc, Sanyo, Vara, - les baeres hum-polymère Sanyo, Vara, Easymodel. Capacé ma.h 0.4 à 2.5 Excellaron à 0 Vara 2/V 40H 40 Vara 2/V 80H 80 Panasonc V seres Panasonc M seres.5 à à 20 Vara M Maxell M seres Tenson 0%V 4. à à à à à à à 2.6 Couran de charge ma / Couran de décharge ma 0 max à 75 max Volume cm à 0.22 éssance nerne Ω Obseraons 5 à 30 Tou ype de charge C à 5C Plus de 60C à / 6.3 à 36 Charge à CV à 4.2 V 4 à à max à 4, max à 3 max sd 0.0 à à en con. E 8 en pulse à à à 80 / / Charge à CC max C/2, pulsée possble Charge à CC max C/2, pulsée possble Charge à CV à 3.4 V ou à CC, pulsée mpossble Charge à CV à 3. V ou à CC, pulsée mpossble Charge à CC à 0.2 ma aec arrê à 3.4 V ou CV à 3.4 V, auo décharge > 3% p.a. 8 à à 2.3 à 2 à à / Charge à CV de 3. V à 3.3 V Tableau II-2 : es prncpales baeres pour les sysèmes auonomes [MO 200]. 73

74 Chapre II : a geson d énerge Nous aons écaré les baeres à couche mnce acuelles à cause de leur enson éleée, de même pour les baeres hum-ion e hum-polymère. es baeres NMH ne corresponden pas à nos besons à cause de leur alle mporane. Nous aons séleconné les baeres bouon Ion pour leur fable encombremen ans que leur adéquaon quan à la enson. Il fau noer, par conre, leur lmaon en couran, qu l faudra compenser à l ade des capacés ampon qu fon d ores e déjà pare de la plae-forme MANAGY fgure I-2. Dans le fuur, de nouelles généraons de baere à couche mnce ayan le même domane de enson que les baeres bouon Ion on êre déeloppées. Des éudes son en cours au sen du ITEN sur ce suje. b Mode de charge e de décharge des baeres es baeres bouon Ion choses se chargen à enson consane de 3.2 V à l excepon de la VaraM220 qu se charge à couran connu. Dans la majoré des cas ces baeres son chargées par l nermédare d une réssance enre la source de enson e l accumulaeur par l nermédare d une dode. Il es nécessare de mesurer la quané d énerge sockée pour pouor arrêer la charge. On peu consdérer que les baeres Maxell son en fn de charge lorsque la enson de 3.3 V es aene, e de celle de 3.4 V pour les baeres Vara. Il es à noer que ces ensons de fn de charge éoluen en foncon de la empéraure. Dans nore cas, l énerge proen de sources de récupéraon qu ne garanssen pas une connué du couran de charge. Nous chosssons de charger la baere aec des mpulsons pendan lesquelles le couran es consan, déclenchées à chaque fos que la capacé ampon enre la les sources de récupéraon e le chargeur es suffsammen chargée. a décharge des baeres peu égalemen êre conrôlée a leur neau de enson. Comme nous oulons ulser la baere unquemen sur 0% de sa capacé, l nous faudra arrêer la décharge à parr de la enson de 2.75 V. Pour déelopper le sysème le plus effcace pour charger e décharger la baere, nous aons beson de la modélser. Nous aons chos d ulser un modèle qu perme de prendre en compe les caracérsques emporelles des baeres fgure II-25. Fgure II-25 : Décomposon du modèle de baere [CHE 2006]. 74

75 Chapre II : a geson d énerge e modèle es décomposé en deux pares. a premère modélse l énerge sockée e fourn une enson crcu ouer correspondane V oc. a deuxème pare prend en compe la enson V oc, les appels de couran e les consanes élecrochmques de la baere pour fournr la enson e le couran que la baere adme dans ces condons fgure II-25. Nous aons effecué des mesures sur la baere Vara M220 pour obenr le modèle élecrque fgure II-26. es mesures en laboraore nous on perms d exrare les deux paramères mporans qu son : les deux couples C e la able des aleurs V oc en foncon de l éa de charge de la baere. Fgure II-26 : e modèle élecrque de la baere Vara M220 [MO 200]. Pour alder le modèle, nous aons effecué des cycles de charge e de décharge, à un couran de 200 µa, d une durée de soxane mnues e espacés de pauses d une mnue fgure II-27. Modèle Mesures Mesures Modèle Fgure II-27 : ésulas du modèle de la Vara M 220 en charge e en décharge [MO 200]. a modélsaon de la baere Vara M 220 a une erreur de 2.5% sur la enson en cours de charge ou de décharge. a aleur au repos de la baere n es pas aene à cause des consanes de emps chmques au sen de la baere qu peuen nécesser quelques heures aan que la baere n aegne son éa d équlbre. Nous ulserons ce modèle dans nos smulaons de la plae-forme de récupéraon d énerge. Ce modèle nous perme de modélser l éa de charge, la réponse ransore, la capacé, la enson en foncon des condons d ulsaon, la réssance nerne e la pere de capacé lors de fors courans de décharge. 75

76 Chapre II : a geson d énerge c Mesure de l énerge sockée énerge sockée es mesurée à l ade d un sysème donnan l éa de charge de la baere. Nous souhaons effecuer le maxmum de cycles de charge/décharge, ce qu nous conran à mere en œure un sysème de charge performan. esmaon de l énerge do se fare aec un fable rappor cyclque < % de manère à ce que l énerge préleée lors de la mesure n mpace pas le fonconnemen du sysème. Ce rappor cyclque de mesure sera augmené lors de la fn de la charge pour éer oue surcharge. Un sysème fable pussance de surellance de l éa de charge a éé déeloppé au ETI pour une mcrobaere fgure II-28. a mcrobaere es consdérée comme déchargée s la enson es nféreure à.6 V ± 0. V, e chargée s la enson es égale à 2.8 V. Un échanllonnage d une seconde de la enson de la baere es effecué une fos par heure. Ce sysème es basé sur des références de couran sans réssance présené par Oguey en 997 [OGU 997] e un crcu de rgger de Schm déeloppé par Al-Sraraw en 2002 [AS 2002]. Fgure II-28 : Mesure de l éa de charge [HE 2008]. Ce crcu affche une consommaon moyenne de 5 nw. D aures sysèmes de surellance de l éa de charge on éé déeloppés en ulsan les connassances des araons de l éa de charge en foncon de la enson fourne par la baere. Une mplémenaon en logque floue a éé présenée par Sanhanagopalan en 2006 [SAN 2006] à base de flres de Kalman. Elle a éé déeloppée à l ade d un modèle élecrochmque de la baere hum-ion e perme d obenr rapdemen l éa de charge mas pour un coû énergéque plus éleé. Dans la mesure où nous souhaons que la plae-forme de récupéraon d énerge fonconne même s les sources ne récupèren pas d énerge, nous sommes oblgés d ulser une baere. En effe, l archecure aec une supercapacé ne peu êre ulsée que pour un sysème fonconnan lorsqu au mons une de ses sources récupère de l énerge. a baere nous mpose de conceor un sysème pour conrôler sa charge e sa décharge. De plus, pour que le sysème pusse connaîre la quané d énerge sockée, nous aons beson d un sysème de mesure de l énerge sockée. Nous pourrons nous ader du modèle de la baere pour smuler son comporemen dans l archecure e enr compe de ses effes. 76

77 Chapre II : a geson d énerge 4. Fonconnemen e ransfer opmsés pour une négraon effcace dans la plae-forme mul-sources / mul-charges 4. Ea de fonconnemen du sysème On peu adaper le fonconnemen du sysème en modfan la fréquence des âches ou en le confguran dans un mode appropré. En effe, la majeure pare des crcus exsans proposen pluseurs modes de fonconnemen afn de rédure la consommaon lorsque ceuxc ne son pas ou peu ulsés. Deux élémens mporans doen êre prs en compe pour effecuer ces changemens d éa du sysème : la quané d énerge dans le sysème e l éa de la mémore. Comme l énerge es lmée dans le sysème, on ne peu pas se permere d effecuer des mesures que l on ne peu pas enregsrer ou ransmere. Pour cela, l fau déelopper un algorhme adapé à chaque mcrosource, par exemple en ulsan un cycle durne pour la récupéraon phooolaïque. Pour augmener l effcacé de l algorhme, on peu fare une nerpolaon enre les dernères aleurs d énerge mesurées e des données ssues de sasons e des nfluences mééorologques. Cee combnason enre des données prééables e des esmaons poncuelles de l énerge récupérée peu amélorer les performances des sysèmes de récupéraon d énerge [KAN 2006, AG 2006]. Dans nore archecure, oues les nformaons son cenralsées par l uné de conrôle. A parr de ces nformaons, l uné peu adaper les âches exécuées, grâce à la connassance de leurs profls de consommaon en foncon de l énerge dsponble. e passage d une âche à l aure sera alors défn par des seuls énergéques. Tâche. <S S. E. >S S E. Tâche 2. Tâche 3. <S 3 S. E. >S 3 S E. S 3 S T. T3. S 2 S 2 S T2. S 3 <S 2 S. E. >S 2 S E. Fgure II-29 : Machne d éa pour la geson d énerge. Un sysème de geson d énerge peu êre représené par une machne d éa fgure II- 29, où chaque âche es composée d éas Sommel S., éel., Exécuon E. caracérsés par une consommaon e une performance. e passage d une âche à l aure n es auorsé que s le seul énergéque es aen S, S 2 ou S 3. Cec s effecue grâce à la connassance de l énerge présene dans les sources e les unés de sockage, ou pour 77

78 Chapre II : a geson d énerge des sysèmes plus nellgens, en négran l esmaon de l énerge fuure. Nous obenons ans un sysème opmsé d «energy dren». Sur le schéma de la fgure II- 29Fgure II-, nous aons encore subdsé chaque âche en éas, de manère à ce que l exécuon ne so auorsée que s le seul énergéque d exécuon S E es aen. 4.2 Modfcaon du chemn de pussance a Prncpe des chemns de pussance mulples Un sysème auonome possède des foncons ben dfférencées : des sources de récupéraon d énerge, une uné de calculs, un bloc de communcaon radofréquence, une mémore e des blocs d nerface capeur. a enson d almenaon do correspondre aux dfférens blocs. Or, chacun des blocs possède une enson d almenaon propre, nécessan ans des chemns de pussance dfférencés fgure II-30. Fgure II-30 : es chemns de pussances dsponbles dans un mcrosysème auonome. S une charge es proche des aleurs de enson e de couran d une source de récupéraon d énerge, on pourra les connecer drecemen ensemble. Cec permera d augmener la durée de e du sysème, car s l énerge sua son chemn de pussance classque, les dfférens conersseurs placés sur son chemn e les peres assocées n auraen pas perms d almener la charge en bou de chaîne du sysème. On a ans augmener l effcacé globale du sysème. On peu chosr so d almener drecemen une charge du sysème à parr de l énerge générée par un récupéraeur d énerge fgure II-30, chemns en ponllés, so d almener la charge à parr de l énerge qu ranse par le chemn ncluan l uné de sockage fgure II-30, chemns en ras plens. a sélecon du chemn opmal a déjà éé éudée par [AME 2007]. Il séleconne parm une arborescence de conersseurs celu qu es le meux adapé au beson de la charge. Dans cee approche, l almenaon es fxée e seule la charge are. Il a monré que la sélecon du melleur chemn perme d augmener l effcacé du sysème de dsrbuon d énerge. Pour nore sysème, où la source are auss, nous aurons beson d une uné de conrôle numérque qu pusse séleconner de manère dynamque le chemn le plus appropré parm les dfférens régulaeurs e conersseurs présens. 78

79 Chapre II : a geson d énerge b Modélsaon d une archecure à deux chemns de pussance Nous allons éuder une archecure composée de deux chemns de pussance pour déermner le gan apporé par l ulsaon de chemns mulples. Nous allons nous focalser sur la pare qu dffère enre les chemns présenés sur la fgure II-30, c'es-à-dre du premer conersseur à la sore des sources au deuxème conersseur en sore de l uné de sockage. Nous nous plaçons dans le cadre des hypohèses de nore plae-forme de récupéraon d énerge. Pour rappel, nore sysème es consué de pluseurs mcrosources d énerge de naure dfférene don la enson éolue enre 0.2 V e.2 V, d une uné de sockage, e de charges analogques e numérques qu peuen êre almenés sous.2 V ou.5 V. uné de sockage peu êre une baere V ou une supercapacé 2.4 V nomnal suan l applcaon consdérée. Comme nous l aons déjà d la supercapacé n es néressane que pour des applcaons où le sysème es acé seulemen lorsque de l énerge es récupérée. a baere perme quan à elle, de socker l énerge à plus long erme, répondan ans aux applcaons où l acé es ndépendane de la présence d énerge. Afn de meux comprendre l nfluence du chemn de dsrbuon d énerge sur le sysème, nous effecuons une analoge aec un sysème hydraulque fgure II-3. analoge enre les grandeurs élecrques e hydraulques es donnée dans le ableau II-3. Grandeurs élecrques Unés Grandeurs hydraulques Unés Couran A Déb m 3.h - Tenson V Haueur du réseror m Tableau II-3 : Analoge enre grandeurs élecrques e hydraulques. On consdère la source d énerge comme une plue connue, celle-c éan récupérée dans un colleceur la source d énerge qu fourn un ceran déb. Nous aons alors deux cas de fgure : une archecure à chemn de pussance unque e la nouelle archecure proposée aec des chemns de pussance mulples. Dans le premer cas fgure II-3a, l eau collecée es drgée ers un réseror uné de sockage. Dans le deuxème cas fgure II- 3b, l eau es pompée pour fournr le déb nécessare au fonconnemen de la charge du sysème. Colleceur éseror a chemn unque b double chemn Fgure II-3 : Analoge hydraulque du sysème. 79