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

80 Chapre II : a geson d énerge eau resane, non ulsée par la charge à ce nsan, es ransférée ers l uné de sockage. Ces ransfers s effecuen par l nermédare de conersseurs. On pose ρ le rendemen du conersseur enre le colleceur source e le réseror uné de sockage dans le cas d un chemn de pussance unque e ρ 2 le rendemen du conersseur enre le colleceur e le réseror qu perme de créer les deux chemns de pussance. es peres assocées son représenées par des fues. Ces peres prennen en compe la consommaon e les rendemens des conersseurs nécessares enre la source e la charge, ou enre la charge e l uné de sockage, ou encore enre l uné de sockage e la charge. e rendemen de l uné de sockage es défn par les peres du chargeur pour les baeres hum-ion [BAT 2000] e par une fue lnéare dans le cas d une supercapacé. Cee dernère approxmaon es effecuée à parr de mesures expérmenales sur des supercapacés du commerce [CON 999, BE 200]. es rendemens son noés respecemen ρ B =- α Β e ρ cap =-α cap dans le cas d une baere e d une supercapacé. es charges, consomman l eau en bou de chaîne, son représenées par des pompes car ce son elles qu mposen la quané e le déb de l eau préleée. On calcule les rendemens des sysèmes, dans le cas d un chemn de pussance unque e de chemns de pussance mulples e pour les deux ypes d uné de sockage baere e supercapacé. On consdère la même pussance en enrée P IN e la même pussance consommée P OUT. On consdère le rappor enre la pussance P OUT consommée par la premère sore e la pussance P OUTB =.P OUT consommée par la seconde sore connecée à l uné de sockage. Prenons le cas d une archecure à chemn de pussance unque aec une baere. S on se place dans le cas parculer où oue l eau renran dans le réseror es ulsée le neau rese fxe, on oben les équaons II-2 e II-3. P P P. ρ = α ρ II-2 IN OUT OUTB B. PIN. ρ ρ D où : P P P = ρ II-3 OUT OUT OUTB 2 η unque _ ba = = ρ. PIN PIN B Pour l archecure à deux chemns dsncs, on oben l équaon II-4. η ρ. ρ. ρ 2 B double _ ba = II-4 ρ. ρ B Dans le cas d un sysème aec une supercapacé, nous obenons les équaons II-5 e II-6. η unque _ cap 2 = ρ α II-5 cap η double _ cap ρ α 2 cap = II-6 α cap ρ a symére de l ancenne archecure rend le rendemen global de celle-c cf. équaons II-3 II-5 ndépendan de la aleur de. Par conre, pour le sysème à deux 80

81 Chapre II : a geson d énerge chemns de pussance, le rendemen global cf. équaons II-4 II-6 es foncon du rappor de pussance enre les dfférens chemns. e rendemen s amélore en augmenan la par de pussance passan par le chemn de pussance nouellemen créé chemn d drec enre source e charge. On peu généralser ces équaons dans le cas d une archecure à n sores. En effe, s l archecure es composée de n chemns de pussance proenan du colleceur d énerge, e d un chemn de pussance unque connecé en sore du réseror, le déb P OUT es décomposé enre les n sores e nous obenons les équaons II-7 II-0. P P P = ρ II-7 OUT OUTdrec OUT 2 2 η unque _ ba = = ρ. PIN PIN η mulples _ ba ρ. ρ2. ρ B = II-8 ρ. ρ B B η η unque _ cap 2 = ρ α II-9 cap ρ α 2 cap mulples _ cap = II-0 α cap ρ aec P OUTdrec = P OUT P OUT2 P OUTn e P OUTB =. P OUTdrec. Pour alder l archecure du sysème quelle que so l éoluon du neau d eau dans le réseror, nous allons amélorer le modèle en enran des scénar sur l enrée e sur les sores du sysème. On ulse pour cela la lo de conseraon. A ou nsan, le déb renran F IN es égal à la somme des débs sorans F OUT, F B e F OUTB plus une quané ajouée ou reranchée au réseror. On consdère un réseror de secon A e de haueur h, aec so une pere due au chargeur de la baere, so une fue dans le cas de la supercapacé. Dans le cas de la nouelle archecure, on en compe de la quané F OUT pompée drecemen à la source aan l eno au réseror. S on consdère V le olume du réseror occupée au emps, l deen V V au emps. Cee modfcaon du olume V es équalene à la dfférence enre le olume enran e soran du réseror sur la même pérode cf. équaon II-. IN d FB d FOUT d FOUT 2 V = F d II- On peu fare l approxmaon que F IN, F B, F OUTB e F OUT son consans sur l neralle. S on fa endre ers 0, on oben alors l équaon dfférenelle II-2. d A d h = F F F F II-2 IN B Ou Ou2 Pour résoudre analyquemen cee équaon, l nous fau déermner une nouelle équaon ou une conrane enre F OUT, F B, F OUTB e h. Dans nore cas, les aleurs de ces paramères peuen flucuer de manère ndépendane. Il es donc néressan de mere en place une approche sysémque permean de smuler le sysème pour dfférens scénar d enrée, de sore e de neau de réseror. On consdère que l on pompe des quanés arables F OUT e F OUTB aec F OUTB =. F OUT. a quané pompée au chemn drec sera par la sue opmsée par le sysème pour garanr une ulsaon maxmum de ce chemn quel que so le neau d énerge fourn par les sources. En consdéran les rendemens, ρ enre la source e le réseror ans que enre le réseror e la charge pour le chemn unque, ρ 2 enre la source, le réseror e les charges pour les chemns mulples, e le rendemen ρ B de la baere, on oben les équaons II-3 e II-4. 8

82 Chapre II : a geson d énerge d A d d A d h. B. FIN = ρ ρ FOUT cas du chemn unque II-3 ρ h 2. B. FIN B = ρ ρ ρ FOUT cas du double chemn II-4 ρ Dans le cas du sysème aec une supercapacé, nous enons compe de la fue α cap de la supercapacé qu dépend lnéaremen de la quané d eau sockée e donc du neau h du réseror [BAT 2000]. On oben alors les équaons II-5 e II-6 pour la supercapacé, respecemen pour un chemn de pussance unque e pour un double chemn de pussance. d A d d A d h A cap h. FIN = ρ FOUT ρ h A cap h 2. FIN α = ρ FOUT cas du double chemn ρ α cas du chemn unque II-5 II-6 On peu généralser ces équaons dans le cas d une archecure à n sores. De même que précédemmen le déb F OUT peu êre décomposé enre les n sores e nous obenons les équaons II-7 II-20. chemn unque : baere : d A h. B. FIN F d = ρ ρ ρ chemns mulples : OUTdrec d A h 2. B. FIN B FOUTdrec d = ρ ρ ρ ρ II-7 II-8 chemn unque : d A d h A α cap chemns mulples : d A d h A supercapacé : h. FIN = ρ FOUTdrec ρ II-9 II-20 α h = ρ. F F cap 2 IN OUTdrec ρ aec F OUTdrec = F OUT F OUT2 F OUTn e F OUTB =. F OUTdrec. c Gan de l archecure à deux chemns de pussance e sysème a éé smulé aec Malab/Smulnk. On peu ans déermner, pour des aleurs fxées de ρ, ρ B e ρ cap, une aleur ρ 2 mnmale pour que la nouelle archecure amélore le ransfer énergéque enre la source e les charges. Nous prenons des aleurs réalses, ρ =0.6 40% - 63% [MAT 2009], ρ B =0.76 [HE 2008], ρ cap =0.98 e aran de 0-3 à. η baere η supercapacé. 0-3 η chemns_mulples 0-3 η chemn_unque ρ 2 ρ 2 Fgure II-32 : endemens en foncon de ρ 2 pour dfférenes aleurs de. 82

83 Chapre II : a geson d énerge A parr des smulaons, on oben une aleur ρ 2 mnmale de 0.3 = 0-3 à parr de laquelle la nouelle archecure deen aanageuse fgure II-32. Pour mere en œure cee nouelle approche, l fau conceor un noueau conersseur aec au mnmum deux sores. Ce modèle nous perme de démonrer qu une elle approche es ensageable éan donné les conranes sur le rendemen mnmum à aendre pour ce noueau conersseur DCDC suroleur à deux sores. es courbes de la fgure II-33 donnen le neau du réseror aen par le sysème pour les deux ypes d archecures présenées chemn unque e chemns mulples. Nous aons fxé le rappor OUT/IN = F Toal_Ou /F IN, de manère à se placer dans le cas où l uné de sockage es en charge. Pour la même quané d énerge délrée aux charges du mcrosysème, on obsere une recharge plus rapde pour la nouelle archecure, quelle que so la aleur de réparon enre les deux ypes de chemns de pussance. Nous obserons que plus la aleur de es fable, melleur es le gan. Chemn unque Chemns mulples Chemn unque Chemns mulples Fgure II-33 : Neau exprmé en m pour les dfférenes archecures en foncon de OUT/IN. Cec s explque par le fa que le sysème consomme mons d énerge proenan de la baere ou de la supercapacé. e chemn passan par la baere es donc mons ulsé. Comme le chemn drec es plus performan, celu-c prélèe mons d énerge pour la même quané d énerge fourne aux charges du sysème, permean ans d augmener la quané d énerge ransmse à l uné de sockage. a décharge, quan à elle se fa plus lenemen. En effe, comme on ransme plus d énerge à l uné de sockage e qu on la sollce mons, celle-c se décharge plus lenemen. Grâce à la recharge plus rapde e la décharge plus lene de l uné de sockage, nous pouons rédure la alle de cee uné aec la nouelle archecure proposée. Dans des condons normales d ulsaon =0., ρ =0.6, ρ 2 =0.5, ρ B =0.76, α cap =0.02 e pour une archecure aec une supercapacé, on peu augmener le rendemen 83

84 Chapre II : a geson d énerge du sysème de 7% e élargr sa plage de fonconnemen grâce aux chemns drecs. Pour une archecure aec une baere, on peu augmener le rendemen de 2% ce qu représene un gan de 33% pour le rendemen de la nouelle archecure à chemns mulples par rappor à celu de l archecure à chemn unque fgure II-34. η sys_ba η chemns_mulples η chemns_mulples η sys_cap Zone où la supercapacé es nadapée η chemn_unque η chemn_unque OUT % IN OUT % % a b Fgure II-34 : endemens des dfférenes archecures en foncon de e de OUT/IN. En augmenan le rendemen du mcrosysème, on ransfère d aanage d énerge de la source aux charges. On garan ans au sysème plus de fonconnalés pour un encombremen mondre grâce à la dmnuon des besons énergéques préleés sur l uné de sockage. éude du sysème a perms de mere en édence la aleur mnmale du rendemen ρ 2 à aendre. Dans les hypohèses réalses où ρ =0.6 e que la moé de l énerge es sockée quelle que so la réparon enre les deux chemns de pussance, on oben des aleurs ρ 2 mnmales à aendre de 0.4 pour une archecure possédan une baere, e de 0.5 pour une archecure possédan une supercapacé. a fgure II-34 perme de sualser une zone où la supercapacé es nadapée. En effe, l énerge passe majoraremen a le chemn drec, donc peu d énerge es ransférée à la supercapacé. Comme celle-c es chargée, elle a un couran de fue mporan qu n es plus compensé. Celu-c décharge la supercapacé e dégrade le rendemen de l archecure à chemns mulples. On peu donc remarquer qu un sysème possédan une supercapacé n es néressan que s celle-c es chargée seulemen au momen où elle es ulsée. Archecure sysème % Talle uné de sockage, négraon Durée de e énergéque η sysème, Transfer énergéque Complexé Chemn unque, baere Chemns mulples, baere Chemn unque, supercapacé Chemns mulples, supercapacé Tableau II-4 : Comparason des archecures aec une baere e une supercapacé. éude de l archecure aec deux chemns de pussance nous a perms de monrer qu elle peu apporer un gan de 33% par rappor à celle aec un chemn unque, dans le cas d un sysème basé sur un sockage élecrochmque. Oure l améloraon du rendemen du sysème, cee nouelle archecure perme une melleure négraon des mcrosysèmes grâce à la réducon de l uné de sockage ableau II-4. De plus, l archecure à chemns de IN 84

85 Chapre II : a geson d énerge pussance mulples perme de mere en place des méhodes nellgenes de geson d énerge, elles que la recherche du pon maxmum de pussance MPPT sur les sources, le DVFS 3 sur les charges ans que la mse en œure d un ordonnancemen aancé des âches du mcrosysème. Nous aons u que le gan obenu dépend du rendemen du sysème de geson d énerge qu crée ces noueaux chemns de pussance. Ce gan peu donc encore êre accru grâce à l améloraon du rendemen du chemn drec. Il es néressan de mere en œure une archecure de capeur auonome possédan des chemns drecs. Pour cela, l faudra déelopper des sources de récupéraon d énerge possédan des crcus de geson d énerge capables d almener ces chemns drecs de manère effcace. De plus, le conrôle de ces chemns do êre fa de manère smple. Il fau eller à ce que le conrôle a un mpac fable sur la consommaon du sysème au regard du gan apporé par l ulsaon de ces noueaux chemns. Il rese cependan à rouer le conrôleur adapé au neau du sysème pour confgurer les chemns. Des raaux son acuellemen en cours pour ulser un sysème numérque asynchrone. dée es d ulser la araon du neau d énerge en enrée pour déclencher le calcul déermnan le chemn le plus adapé [CH 200]. 4.3 Inégraon dans la plae-forme MANAGY a source phooolaïque PV n es qu une source du sysème parm d aures, ben qu elle sera la plus ulsée, car l énerge récupérable par cee énerge es sans égale lorsque des rayons du solel son présens cf. Chapre I. e module phooolaïque n es donc pas seul, l fau que nore sysème de récupéraon PV pusse s négrer faclemen à l archecure mul-sources. Pour cela, l fau d une par que nore module pusse fournr une enson sablsée pour almener drecemen des charges, e d aure par qu l pusse délrer une enson plus éleée pour recharger l uné de sockage d énerge du sysème. De plus, la source PV do êre capable de donner une nformaon sur son éa pour que le sysème de conrôle numérque pusse déermner les charges qu peuen lu êre drecemen connecées. Au neau de l négraon mécanque, la source PV peu êre placée sur oue la surface dsponble du sysème. En effe, même s une face sera mons ben orenée qu une aure, le sysème de récupéraon d énerge phooolaïque, équpé d une méhode négrée de MPPT, pourra, s l es démulplé, ploer chaque face ndépendammen pour en exrare le maxmum de pussance. Ans, le récupéraeur phooolaïque n es pas seulemen pensé pour fournr le maxmum d énerge, mas auss pour que l énerge fourne le so de la manère la plus profable au rese du sysème. Cec mplque de profonds changemens sur l archecure des conersseurs, qu éaen conçus jusqu alors de manère ndépendane, e deaen s adaper à une charge arable en s appuyan sur une source sable. 3 DVFS : Dynamc Volage and Frequency Scalng 85

86 Chapre II : a geson d énerge 5. Concluson Après aor exposé les dfférenes sources d énerge dsponbles dans l enronnemen Chapre I, nous aons denfé l énerge solare comme éan l énerge la plus néressane dans un premer emps. Nous aons chos d ulser des cellules phooolaïques déeloppées dans la echnologe CIGS qu es la plus promeeuse. e bu de l élecronque de geson d énerge es d exrare le maxmum d énerge e de maxmser l énerge ransférée par le conersseur pour augmener le emps de fonconnemen du sysème. Cec perme d almener les charges du mcrosysème à parr d une plus large gamme d rradance. Il es pour cela nécessare d ulser un sysème de geson d énerge capable de fournr une enson de sore sablsée en admean des araons en enrée e en sore. e sysème de geson d énerge do êre capable de fonconner de manère auonome e do pouor gérer des ensons fables en enrée. Cec nous demande de conceor un sysème de geson d énerge capable d éleer cee enson d enrée ers les aleurs nécessares pour les charges du sysème. exposé des dfférens sysèmes de geson d énerge nous ne à conceor un sysème à découpage suroleur de ype boos, celu-c éan le seul qu, en consdéran les paramères en enrée, nous permera d êre fonconnel ou en conseran un rendemen néressan pour le sysème. ulsaon d un conersseur SMPS de ype boos demande de défnr une lo de commande du rappor cyclque. Cee commande permera de déermner le rappor cyclque opmal en foncon des araons de la sore du module phooolaïque, nous permean ans d exrare le maxmum d énerge du module phooolaïque. e sysème aura beson au mnmum de deux sores dfférenes. Une sore almenera les charges du sysème à basse enson.2 V e.5 V, e l aure à plus haue enson maxmum 3.8 V pour socker l énerge supplémenare à l nsan. énerge sockée rese ndspensable pour les nsans où l énerge ambane es fable ou nexsane. archecure que nous proposerons dans le chapre suan dera récupérer effcacemen l énerge de la source en s adapan aux araons de l enronnemen e au ellssemen de la cellule. Nous chercherons égalemen à opmser le ransfer de l énerge, c es pourquo nous mplémenerons pluseurs chemns de pussance. Nous aons chos un conersseur à découpage de ype boos, car l perme d une par de créer des sores mulples en conseran le même nombre de composans dscres, e d aure par de manenr un bon rendemen pour une large plage de faceur de conerson. Nous allons éuder dans le chapre suan le sysème de récupéraon d énerge. Nous smulerons un modèle hau-neau du sysème aec le logcel Maab/Smulnk. Cec nous permera de fare arer les paramères du sysème e de eser sa fonconnalé pour dfférenes condons d ulsaon. 86

87 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. CHAPITE III : MODEISATION DU MODUE DE ECUPEATION PHOTOVOTAÏQUEDU 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 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 87

88 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. page nenonnellemen blanche 88

89 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. ESUME DU CHAPITE III Dans ce chapre, nous aons modélsé e smulé le sysème de geson d énerge aec la source d énerge. Pour pouor modélser le sysème, nous aons commencé par la modélsaon de la source énergéque : le module phooolaïque PV. Cee modélsaon nous a perms de connaîre les araons de pussance en enrée en foncon des condons enronnemenales, que ce so en foncon de la empéraure, de l énerge ncdene ou de l nfluence du couran ré à ses bornes. Nous aons par la sue éudé l archecure du conersseur éléaeur qu a polarser le module PV à son pon de pussance maxmale. Nous aons ou d abord comparé la nouelle archecure aec une archecure basque, composée d un assemblage en sére de cellules PV e d une dode. Cee comparason a perms de déermner la zone de fonconnemen où la nouelle approche appore un gan par rappor à l archecure classque. Elle s aère néressane dès que l rradance dépasse les 5 msun. Grâce à un modèle hau neau du conersseur à double sore, nous aons esmé le rendemen e modélsé l éoluon de son éa en cas de araon de pussance en enrée e en sore. Nous aons par la sue assocé le module PV au modèle pour connaîre l éoluon de sa enson e de son couran en foncon de l éa du conersseur. e conrôle du sysème de geson d énerge es effecué à l ade de la méhode du MPPT 32. Comme nous aons un budge énergéque resren e que le sysème es auonome, nous aons ms en place la méhode du MPPT la plus smple en ce qu concerne les mesures e les calculs. a méhode employée a l aanage de n ulser qu un échanllonnage de la enson du module PV. a seule araon du rappor cyclque conjuguée à la mesure de la araon de la enson de fonconnemen du module PV nous perme de déermner le rappor cyclque opmal pour obenr une pussance maxmale du module PV. Nous aons smulé le sysème comple pour sualser les dfférences enre le maxmum de pussance aen par nore sysème aec la méhode smplfé du MPPT e la pussance maxmale héorquemen aegnable. Nous obenons une pussance du module PV comprse enre 82% e 96% de son maxmum héorque. Enfn, nous aons ulsé ce modèle pour spécfer l ensemble des caracérsques des blocs de l archecure e permere la concepon du sysème en élecronque négrée. 32 MPPT : Maxmum Power Pon Trackng, recherche du pon de pussance maxmum 89

90 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. page nenonnellemen blanche 90

91 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Inroducon Dans ce chapre nous proposons de modélser le sysème de récupéraon d énerge. e modèle nous permera de déermner la lme de fonconnemen du sysème sous fables éclaremens ans qu une ulsaon en accord aec les lmes echnologques sous fors éclaremens. Ces lmes permeron de dmensonner les dfférens blocs du sysème. Pour cela, nous aons beson d un modèle qu prenne en compe les fues dues au fonconnemen sous fables pussances, an pour la source que pour le crcu de geson d énerge. En effe, le passage dans le domane du mcrowa rend les peres, dues aux commuaons des nerrupeurs ranssors de pussance, ans que celles dues aux emps de non recouremen des horloges, sgnfcaes sur le fonconnemen du sysème. De plus, l es mporan de prendre en compe l éoluon du rendemen du module phooolaïque PV en foncon de l éclaremen. Grâce à cee modélsaon de la source e du sysème élecronque, nous allons pouor opmser l élecronque de geson d énerge en prenan en compe les effes d un enronnemen où l énerge ncdene es arable. Nous modélserons ou d abord le module PV pour les dfférenes condons d ulsaon. Nous présenerons ensue le sysème de récupéraon d énerge proposé en le comparan à un sysème classque. Nous exposerons par la sue les boucles de conrôle du sysème de conerson e de ransfer d énerge permean de ransférer des pussances allan du mcrowa à la dzane de mllwas. Nous effecuerons des smulaons en boucle ouere pour déermner les crères de fonconnemen de la boucle négran la méhode du MPPT. Enfn, nous effecuerons des smulaons globales du sysème en boucle fermée pour analyser ses performances dans les dfférenes confguraons d ulsaon. A parr de cee analyse, nous chercherons les spécfcaons des blocs de l archecure pour permere la concepon du sysème négré. 2. es sysèmes de récupéraon d énerge phooolaïque e bu de l élecronque de geson d énerge es d exrare le maxmum d énerge e de la délrer le plus effcacemen possble pour augmener le emps de fonconnemen du sysème. Pour répondre à ce objecf, l es nécessare d analyser les performances de la récupéraon d énerge en enan compe des peres ndues par le sysème fgure III-. Nous pourrons ans comparer le sysème de geson d énerge que nous proposons aec un sysème passf ne comporan pas de méhode de recherche du pon de pussance maxmale. 9

92 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. I PV I ou V PV V ou pon de fonconnemen, rendemen Fgure III- : Sysème de récupéraon d énerge phooolaïque. Aan de déaller l archecure du sysème de geson d énerge, nous allons modélser le module PV pour pouor, par la sue, comparer les sysèmes de geson d énerge lorsqu ls son nerfacés aec ce même module PV. 2. e module phooolaïque en CIGS a modélsaon du module PV en CIGS a nous permere d éuder les assocaons sére e/ou parallèle de cellules. Nous pourrons ans spécfer la melleure confguraon sére/parallèle. Dans la mesure où les cellules délren un couran suffsan e que les procédés echnologques acuels permeen de réalser des cellules recouran la oalé de la surface allouée à la récupéraon phooolaïque de la plae-forme MANAGY cf. Chapre I, nous n aons pas éudé la mse en parallèle de cellules en an que elle. En effe, la mse en parrallèle de cellule ndura une réducon de la surface de récupéraon due aux solaons nécessares enre les cellules par rappor à une cellule unque. De plus, la mse en parrallèle augmenera à pussance consane le couran délré ce qu aura pour effe d augmener les peres joules dues aux réssances parases présenes sur le chemn de pussance. Cee opon ne sera donc éudée que dans le cas où la enson délrée par le module PV aen une aleur desruce pour le sysème e qu elle do donc êre lmée grâce à la mse en parallèle de cellules. a e modèle de la cellule Peres consommaon, rendemen e modèle fgure III-2 présené dans le premer chapre perme de modélser le fonconnemen élecrque d une cellule solare en foncon de la empéraure e de l éclaremen. Ce modèle nous fourn les caracérsques de la cellule en couran e en enson. PV Fgure III-2 : Modèle élecrque de la cellule phooolaïque. 92

93 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. es équaons I- e I-2 du premer chapre du manuscr nous permeen de reler la enson V PV, le couran I PV, le phoocouran généré I ph e l effe de la joncon de la dode en foncon de la surface e du nombre de cellules en sére N S du module PV. Nous obenons l équaon III-. V I. PV PV S VPV I PV. S I PV = I ph I sa exp III- N S. VT P Aec : -I ph le couran phoonque défn par I ph = Surface G Sun, où Surface es la surface de la cellule, G le coeffcen de conerson de la cellule e Sun l rradance, -I sa le couran de sauraon nerse de la dode proporonnel à la surface, k. T. n -V T la enson hermque défn par V T = où n es le faceur d déalé de la q dode, T la empéraure en Keln, k la consane de Bolzmann e q la charge de l élecron, - S la réssance équalene en sére foncon de la conducé des élecrodes e P la réssance équalene en parallèle foncon de la qualé de l nerface enre la couche ace e les élecrodes. Nous allons ulser un module CIGS du ITEN. es paramères echnologques de leurs cellules CIGS son donnés dans le ableau III-. Paramères Valeurs Couran de sauraon de la joncon I sa = 0-9 A.cm -2 Tempéraure de fonconnemen T = 298 K éssance sére équalene s = 0.8 Ω.cm -2 éssance parallèle équalene p = Ω.cm -2 Faceur d déalé n =.5 Coeffcen de conerson cas des fables e fors éclaremens G low =.4 µw.sun -.cm -2 G hgh = 28 µw.sun -.cm -2 Tableau III- : Valeurs des paramères de la cellule CIGS du ITEN. Deux cas dsncs son prs en compe. e premer correspond à un enronnemen composé de fables éclaremens usage néreur. Dans ce cas, le coeffcen de conerson G au.4 µw.sun -.cm -2. e second correspond à un enronnemen ensolellé exéreur. e module CIGS a alors un melleur coeffcen de conerson grâce à une melleure adéquaon au specre du solel cf. Chapre I, qu au 28 µw.sun -.cm -2. En effe, sous fable éclaremen, on esme l énerge délrée à parr d une lumère arfcelle fluorescene qu a un specre dscre nombre de longueurs d ondes lmé e plus éro que celu du solel. b Influences de l éclaremen ncden es mesures des rradances données au premer chapre du manuscr permeen de déermner les araons de l énerge en enrée en foncon des condons de l enronnemen ableau III-2Tableau III-. On peu ans défnr la quané d énerge dsponble suan la localsaon de la cellule phooolaïque CIGS. Nous aons découpé les éclaremens en ros ypes d ulsaons : - en néreur aec un éclaremen comprs enre 80 lux 0.67 msun e 500 lux 93

94 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 2.5 msun, proenan exclusemen de sources arfcelles fluorescenes, - en néreur aec un éclaremen comprs enre 500 lux 2.5 msun e 200 lux 0 msun, où la source es un mélange enre une source arfcelle de ype fluorescene e un éclarage naurel ndrec fgure III-3, - en exéreur marqué par une énerge exclusemen délrée par le solel. Fgure III-3 : Décomposon de l éclaremen d un bureau [AN 2002]. Nous aons modélsé la cellule CIGS aec l équaon III- sous le logcel Malab, en prenan les paramères du ableau III-, pour déermner la pussance délrée. Nous aons dédu des pussances de sore le rendemen de la cellule pour les dfférenes condons d ulsaon ableau III-2. Cas Exclusemen arfcel éclarage amsé Eclarage de coulor néreur Eclarage de bureau arfcel e naurel éclarage de raal éclarage par ncandescence emps couer exéreur ensolellé I msun 00 E lux 0000 P µw.cm η % lx=m.m -2 =/20.W.m -2 =/20.mSun conerson smplfée [AN 2002] Tableau III-2 : Energe récupérée par la cellule CIGS en foncon de l éclaremen. a modélsaon fa apparaîre une araon du rendemen de conerson en foncon de la naure e de la pussance de l énerge ncdene allan de 3.3% à 2%. Nous obserons une dééroraon du rendemen aec la dmnuon de l éclaremen ncden. Cee chue du rendemen es essenellemen due à l augmenaon de l nfluence des peres nrnsèques à la cellule s-à-s du phoocouran généré nfluence de S. Ces peres dépenden de la qualé de fabrcaon de la cellule e leurs réducons engendren des coûs non néglgeables. Ces peres seron amenées à dmnuer aec les prochanes aancées echnologques de fabrcaon qu permeron de meux soler les cellules. e rendemen moyen affché par les fabrcans, comprs enre 6% de 2% cf. Chapre I, n es ra que pour un domane d rradance donné. Il es donc mporan d ulser le modèle du module PV pour aor une pussance de sore réalse. 94

95 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. c e modèle du module phooolaïque Pour amélorer la enson délrée par le sysème de récupéraon, nous pouons assocer les cellules en sére. Pour nous guder dans ce chox, nous aons prs en consdéraon les peres de surfaces dues aux solaons nécessares aux nerconnexons des cellules fgure III-4. V PV Isolaons Fgure III-4 : es solaons dans le module phooolaïque. Nous aons éudé l effe des solaons pour la surface maxmale de récupéraon de 5 cm 2 de la plae-forme MANAGY cf. Chapre I 2.2, le proje MANAGY. Ces solaons ndusen ans une réducon de la surface ace, e donc de la pussance récupérable, elles son présenées dans le ableau III-3. Nombre de Surface cm 2 Surface ace perdue cellules en sére oale Ace % cellule cellules cellules cellules cellules cellules cellules Tableau III-3 : Peres de surface dues aux nerconnexons. On peu remarquer que la surface ace perdue es sgnfcae > 0% pour des assocaons en sére éleées > 8. Nous deons égalemen érfer la compablé des paramères élecrques du module aec le crcu élecronque de geson d énerge. En effe, pour le bon fonconnemen du crcu de geson d énerge conçu dans la echnologque UMC 80 nm, nous ne pouons pas dépasser une enson supéreure à 3.8 V. Il nous fau donc, pour ous les ypes d enronnemen une enson en crcu ouer V co V co =V PVIo=0 nféreure à 3.8 V. De plus, nous aons chos de conceor un sysème de geson d énerge éléaeur. Il es donc nécessare d aor des ensons V MPP de fonconnemen du module PV proches mas srcemen nféreures à la enson à fournr en sore. es charges du mcrosysème éan à des ensons d almenaon comprses enre.2 V e.5 V, l nous fau en enrée une enson de fonconnemen du module PV nféreure à.5 V. e ableau III-4 récapule les ros grandes caracérsques exraes. V co es la enson de crcu ouer de la source. V MPP es la enson au pon de pussance maxmum qu perme à la cellule phooolaïque de délrer la pussance maxmum noée P max. 95

96 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Cas Inéreur Exéreur éclarage éclarage éclarage éclarage par emps de coulor de bureau de raal ncandescence couer ensolellé I msun, E lux cellule P maxµw 60,8 03,7 294,2 49,2 355,5 6079,2 V MPPV 0,322 0,339 0,372 0,389 0,422 0,47 V cov 0,40 0,428 0,464 0,483 0,58 0,572 2 cellules P maxµw 60,2 02,3 290, 484,2 336, 5993, V MPPV 0,643 0,678 0,745 0,778 0,844 0,94 V cov 0,89 0,856 0,929 0,965,037,43 3 cellules P maxµw 59,2 0,0 286,0 477,7 36,6 5907,0 V MPPV 0,965,06,7,67,266,42 V cov,229,284,393,448,555,75 4 cellules P maxµw 58,2 99,3 282,0 470,8 297,7 582,3 V MPPV,287,355,490,556,688,882 V cov,638,72,858,930 2,073 2,287 Tableau III-4 : Energe récupérée par des modules phooolaïques CIGS de 5 cm 2. Nous obserons ableau III-4 que, quel que so le neau d éclaremen, la source mean le plus grand nombre de cellules en sére a oujours la enson de crcu ouer ans que la enson au MPP la plus éleée. Par conre, la pussance délrée par la cellule dmnue dans cee confguraon. Cec es dû à la réducon de la surface ace proenan des solaons nécessares enre les nouelles cellules créées. Il es à noer d alleurs que sous 00 msun aec quare cellules, on aen une enson en fonconnemen supéreure à.5 V. Pour pouor ulser une large plage de araon d éclaremen en enrée, ou en conseran une pussance exrae e un rendemen du conersseur maxmums, nous sommes lmés à une mse en sére de ros cellules. Pour aor un fonconnemen auonome du sysème de récupéraon d énerge, l fau que celu-c pusse démarrer à parr de la seule enson de la source. a enson dera êre suffsane pour permere la polarsaon des ranssors. a echnologe UMC 80 nm ensagée nécesse des ensons lmes de commuaon des ranssors de l ordre de 600 mv. Nous aurons beson d un mnmum de deux cellules en sére pour remplr cee conrane. a fgure III-5 perme de sualser la pussance délrée par une cellule CIGS de 5 cm 2 en foncon des condons d éclaremen cas néreur e exéreur e de la enson de fonconnemen. MPP MPP Inéreur : Exéreur : Fgure III-5 : Pussance délrée par une cellule CIGS 5 cm² en foncon de l éclaremen dans des condons néreures.6-0 msun e des condons exéreures msun. 96

97 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Pour exrare, à ou nsan, le maxmum d énerge de la cellule phooolaïque, l fau pouor modfer le couran préleé e la enson de polarsaon pour que ces deux paramères corresponden à ceux du pon de pussance maxmale. Il es nécessare de fabrquer un sysème de geson d énerge capable de ploer la cellule à ce pon de fonconnemen e de ransférer effcacemen cee énerge au rese du sysème auonome. ensemble des conranes mposées au module PV nous oblge à fare un comproms. e module sera ans consué de ros cellules phooolaïques CIGS en sére. Ben que le nombre de deux so plus performan pour les fors éclaremens, le nombre de ros re ou son aanage sous les fables éclaremens. Un module composé d un nombre mporan de cellules phooolaïques > 8 addonnera des peres surfacques supéreures à 0 %. opmsaon du ransfer e de la polarsaon de la cellule ra donc de pare aec l ulsaon d un module consué d un fable nombre de cellules en sére. 2.2 es sysèmes de récupéraon de l énerge phooolaïque CIGS a e sysème basque e sysème le plus employé consse à ulser une dode qu perme la polarsaon de la cellule e un ransfer undreconnel des élecrons. e module sera ans polarsé à la enson de la capacé de sore C ampon rehaussée de la enson de seul de la dode fgure III- 6. a dode perme d éer que le module ne deenne une charge pour le sysème dans le cas où l éclaremen ncden sera nsuffsan. D PV Module PV V PV C ampon Conersseur de ype buck V s charge 2 cellules en séres V BAT Fgure III-6 : e sysème basque pour la récupéraon phooolaïque. Nore sysème nécesse une enson de sore V S proche de 3.4 V correspondan à la enson de sore de l accumulaeur d énerge cf. Chapre II, 3.3 Sockage effcace de l énerge. Pour pouor fournr cee enson en sore du sysème, l es nécessare de prendre en compe la chue de enson aux bornes de la dode D PV, mposan alors à la source phooolaïque de fournr une enson proche de 3.8 V. accumulaeur es modélsé par une capacé C ampon e une plage de enson de fonconnemen. Nous ne prenons pas en compe 97

98 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. les peres de l accumulaeur, celu-c éan consdéré comme parfa. De plus, nore sysème do almener des charges à une enson comprse enre.2 V e.5 V. Il es alors nécessare d employer un conersseur déoleur pour abasser la enson de la baere de 3.4 V à.5 V. Pour fournr la enson éleée nécessare à l accumulaeur, le sysème a beson d un module PV composé d un nombre mporan de cellules en sére. Pour manenr la enson sous rès fables éclaremens, l es nécessare d ulser un module PV composé de douze cellules CIGS en sére ableau III-4Tableau III-4, 2 x 0,32 = 3.84 V. Nous allons prendre en compe les peres assocées à un el sysème de récupéraon d énerge, en enan compe des peres engendrées par la enson de seul de la dode D PV ans que celles proenan de l nadéquaon de la enson de fonconnemen aec celle permean de polarser le module pour qu l délre le maxmum de pussance. Nous prendrons égalemen en compe les peres dues aux nerconnexons e solaons des cellules, lman la surface ace du module PV. Il fau noer qu aec ce sysème basque, l n es pas possble de fonconner au maxmum de pussance e de ransférer le maxmum d énerge smulanémen. En effe, dans la mesure où la régulaon du second sysème de geson d énerge se fa sans aucun len aec l énerge ransférée à la baere, ce ransfer n es pas opmsé. e seul moyen de connaîre s l énerge ransférée es nféreure ou supéreure à celle délrée par la source, es d ulser un sysème nellgen permean de connaîre l éoluon de l éa de charge de l uné de sockage. b e sysème de geson d énerge proposé Nous proposons un sysème capable de maxmser l énerge récupérée par le module PV ou en opmsan le ransfer d énerge ers les charges fgure III-7. Cee nouelle approche perme d augmener l énerge délrée par la source phooolaïque grâce à une polarsaon dynamque de celle-c. Cee polarsaon en compe des araons des condons de l enronnemen ans que des besons énergéques des charges du mcrosysème auonome. Pour que le gan so néressan, l fau érfer que la complexfcaon du sysème appore une améloraon de la pussance récupérée ou en enan compe de la consommaon des noueaux blocs géran la polarsaon, la récupéraon e la conerson de l énerge phooolaïque. Nore sysème élèe la enson d enrée pour délrer deux sores dsnces : - une sore V S à.5 V qu almene les blocs du sysème cee enson peu êre abassée à.2 V dans le cas de fables éclaremens, - une sore V BAT à plus fore enson, aux alenours de 3.4 V qu es mposée par les besons de l uné de sockage d énerge, e en parculer son bloc de charge. e rendemen du sysème de conerson es prs en compe. archecure éléarce proposée fgure III-7 cherche à apporer deux améloraons s-à-s de l approche passe. D une par, elle peu permere de rédure le nombre de cellules en séres nécessares car elle accepe une enson plus fable en enrée e d aure par, elle peu amélorer la récupéraon d énerge grâce à la polarsaon du module PV à son pon de pussance maxmale. 98

99 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. V s Module PV V PV Conersseur proposé : - de ype boos - à deux sores V BAT C ampon 3 cellules en séres Fgure III-7 : e sysème acf de récupéraon phooolaïque. 2.3 Comparason du sysème proposé aec un sysème basque a comparason des deux sysèmes es effecuée à l ade d une modélsaon hau neau sous Malab. a comparason es basée sur l ulsaon du modèle déeloppé dans le cas d un usage néreur e d un usage exéreur. Nous aons prs comme hypohèse que l uné de sockage nécesse une enson comprse enre 3.2 V e 3.4 V cf. Chapre II, 3.2 Sockage effcace de l énerge. e nombre de cellules en sére nécessares pour le sysème basque es calculé pour une enson de seul de la dode D PV fgure III-6 de 300 mv. On lu assoce un conersseur de ype buck du commerce ayan un rendemen de 90% [IN 200]. On consdère que le sysème que nous proposons aec la méhode de MPPT nécesse la mse en sére de ros cellules cf. Chapre III, 2. e module phooolaïque en CIGS e qu l possède une consommaon saque de 2 µa consommaon pour la généraon de l horloge de commande, pour la généraon de la enson de référence e pour le crcu permean la régulaon des sores [TEO 2007]. De plus nous consdérons que le conersseur possède un rendemen de 80%. es smulaons son effecuées pour les deux cas d ulsaon : l usage néreur aec une rradance comprse enre msun e 0 msun, e l usage exéreur aec une rradance comprse enre 0 msun e 500 msun Sun = 00 mw.cm -2. De plus, nous effecuons ces smulaons pour quare aleurs de surface du module phooolaïque alan cm 2, 3.2 cm 2, 5 cm 2 e 0 cm 2. a fgure III-8 perme de sualser les rendemens des deux sysèmes par rappor à la pussance maxmale que peu délrer le module PV dans le cas de l assocaon la plus adéquae de cellules CIGS mse en sére e en parallèle. Dans nore cas, aucune mse en parallèle n es effecuée dans la mesure où le module PV es fabrqué en ulsan oue la surface brue qu es découpée suan le nombre exac de cellules oulues en sére. Nous prenons en compe les peres de surface nécessares pour soler e nerconnecer les cellules enre-elles. 99

100 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. endemens en condons néreures Pour 5 cm 2, l fau une rradance mnmale de 5 msun Irradance Sun endemens en condons exéreures a Gan de 80% Sysèmes acfs, surface du module PV : Sysèmes basques, surface du module PV : cm cm 2 5 cm 2 0 cm 2 Irradance Sun cm cm 2 5 cm 2 0 cm 2 b Fgure III-8 : ésulas des smulaons pour les sysèmes basques ras ponllés e les sysèmes acfs ras plens de récupéraon d énerge phooolaïque, dans les condons néreures a e exéreures b, en foncon de la surface du module PV e de l rradance. es smulaons reporées sur le premer graphque a représenen le comporemen des deux sysèmes pour des neaux d rradance en néreur, le second graphque b quan à 00

101 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. lu perme de sualser le comporemen pour des neaux d rradance aegnables en mleu exéreur. e sysème basque es représené par les ras bleus en ponllés ands que le sysème acf es représené par des ras rouges plens. Une lecure de hau en bas perme de sualser les résulas pour des alles décrossanes du module PV l épasseur des ras décroî aec celle du module PV 0 cm 2, 5 cm 2, 3.2 cm 2 e cm 2. es résulas des smulaons reporés sur la fgure III-8a monren que le sysème acf proposé ras plens ne deen néressan que pour une rradance supéreure à 5 msun dans le cas du module de 5 cm 2. Sous ce seul, le sysème basque ras ponllés es plus performan. Pour les applcaons exéreures, Fgure III-8b, le sysème proposé es plus performan que le sysème basque aec un gan aosnan les 80% pour les rradances les plus fores dans le cas du module de cm 2. Nous obserons égalemen que plus la surface du module es pee, plus le gan apporé par le noueau sysème es mporan. Cec a dans le sens de la mnaursaon du sysème. a comparason des deux sysèmes nous a perms de monrer l aanage de la soluon ace pour les fores rradances condons exéreures. A celu-c s ajoue une améloraon ou du mons une égalé des performances pour le sysème soums à de fables éclaremens condons néreures. 3. Modélsaon du conersseur DC/DC Nous cherchons à fare fonconner nore conersseur aec le mnmum de peres. Nous aons pour cela dmnué la fréquence de commuaon. Nous oulons égalemen manenr une aleur d nducance fable e souhaons qu elle pusse deenr négrable dans les prochanes ersons, où nous rédurons l échelle du sysème. Nous aons énoncé dans le deuxème chapre que le conersseur suroleur fonconnera en mode de conducon dsconnue pour lmer les peres. Nous allons pour cela nsérer une dode enre le module PV e l nducance. Nous allons négrer une dode à seul nul pour ne pas dégrader la enson délrée par le module PV. Comme nous aons une aleur d nducance fable, le couran au sen de celle-c a onduler. Or, pour pouor ploer au meux le module PV, nous aurons beson de préleer un couran moyen à une enson consane, pour cela nous deons négrer une capacé de flrage C n en enrée du conersseur. 3. e conersseur à double sore Nous aons u dans le deuxème chapre que l améloraon de la durée de e du mcrosysème passe par l améloraon des chemns de pussance. Nous créons un chemn de pussance drec enre la source e la charge pour augmener le ransfer de pussance e lmer les peres lées aux chemns classques passan par l uné de sockage fgure III-9. 0

102 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. D n N P P 2 2 Fgure III-9 : Archecure du conersseur proposé aec les deux sores. e module PV a déber un couran moyen c n grâce à la capacé C n. En effe, cellec a flrer les appels de couran de l nducance. amplude du couran sera défne par la aleur de l nducance e la fréquence de commuaon du ranssor N fgure III-9. a Peres e rendemens en conducon dsconnue Un des élémens essenels pour alder la nouelle archecure es de connaîre les peres du sysème. On pourra ans éaluer le rendemen du conersseur suroleur en mode de conducon dsconnue. Dfférenes peres s addonnen au sen du conersseur III-2 : - les peres dues à la commuaon à la fréquence f swch des nerrupeurs N, P e P 2 de la fgure III-9 des chemns de pussance on noe ces peres P com, III-3, - la consommaon dynamque du crcu s-à-s de sa capacé équalene e la consommaon saque due aux dfférens blocs nécessares à la commande du conersseur noées P conso, que l on addonne à P com pour obenr les peres lées à la commuaon noées P swch III-3, - les peres dues aux composans parases comme les réssances équalenes ON des nerrupeurs N, P e P 2 de la fgure III-9, de l nducance, e des fls wre, noées P res III-4, - les peres dues à la conducon de la dode de bas dode parase suée enre la source e le subsra des nerrupeurs P e P 2 de la fgure III-9 des chemns de pussance, noées P dode III-5. aec : P = P P P III-2 Toal swch swch com res conso dode P = P P aec P P res dode 2 on wre com swch 2 s = f C e P conso swch 2 e = f C III-3 = III-4 P = 2. I. V.. f III-5 dode err swch f swch : fréquence de commuaon du conersseur, C : capacé de grlle équalene à charger e décharger à chaque commuaon du ranssor de pussance, e : enson d almenaon basse enson, s : enson de sore, V dode : enson de seul de la dode drece de bas 0.7 V, 02

103 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. err : couran de sore, : emps de non recouremen des horloges de commande. Pour éer ou cour-crcu dans le sysème de geson d énerge, l es nécessare d aor des emps mors enre les commuaons des dfférens nerrupeurs. Mas ces emps mors créen eux mêmes des peres dues à la fue de couran au raers de la dode drece de bas. Cec a leu dès que la dfférence de enson aux bornes des nerrupeurs P e P 2 dans l éa bloqué dépasse le seul de la dode qu es de 0.7 V. Nous aons fxé ces emps mors err à 0 ns. C es la marge que nous nous sommes réserée pour permere la commuaon des nerrupeurs. Nous aons représené sur la fgure III-0, les peres en foncon du couran de sore, pour des ranssors de pussance de deux alles W dfférenes. Grand W on=ω, C=8.8pF Fable W on=0ω, C=0.8pF P Toal A Fgure III-0 : Peres en conducon dsconnue en foncon du couran de sore. Dans le cas de nore sysème, qu fonconne en mode de conducon dsconnue, on obsere une aleur mnmale des peres pour les fables courans de sore fgure III-0. Cee aleur es consane sur une large plage de courans de sore, allan de µa à 0. ma. Ces peres proennen essenellemen des commuaons des nerrupeurs. Nous aons chos une fréquence de commuaon de 200 khz, en fasan un comproms enre la fréquence maxmale lmée par la consommaon dynamque e la fréquence mnmale nécessare sous fable éclaremen. Nous aons de plus lmé le rappor cyclque à une aleur mnmale du cenème de la pérode. On remarque que, comme la pussance P swch es consane, celle-c deen domnane pour les fables pussances de sore, domane où les peres résses son fables dues aux fables courans raersan les réssances. a modfcaon de la alle W des ranssors de pussance perme de fare arer le rappor enre les peres capaces e résses fgure III-0. On oben ans deux pons dsncs où les peres du sysème son équlbrées enourés en ponllés rouges, ce qu a permere d amélorer le rendemen du sysème. 03

104 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. e rendemen du sysème peu es exprmé par l équaon III-6. η = aec P P ule = s III-6 Toal P ule S nous raçons le rendemen calculé à parr de l équaon III-6 pour les deux cas décrs précédemmen, nous obenons la fgure III-. Grand W on=ω, C=8.8pF Fable W on=0ω, C=0.8pF Améloraon du rendemen A Fgure III- : endemen de l'éléaeur en conducon dsconnue. On remarque sur la fgure II- que l on aen des rendemens supéreurs à 90%, aec une marge de couran de sore rès sasfasane allan de 25 µa à 00 ma. Cec es rendu possble grâce à l adapaon des alles des ranssors qu perme de dmnuer les peres résses à fors éclaremens e les peres capaces à fables éclaremens. On peu ans augmener la plage de fonconnemen de deux décades aux exrémés. Nous pouons manenan éuder l effe de la araon de la enson d enrée e du couran de sore sur le sysème. b Modélsaon du rappor de conerson du conersseur de ype boos e conersseur suroleur de ype boos perme de fournr à parr d une enson connue en enrée, une enson connue plus éleée en sore. a commande dscrèe des nerrupeurs de pussance perme d éleer la aleur connue de la enson d enrée. a enson d enrée es flrée par une capacé de découplage C dec. e conersseur charge une capacé de sore C S aec une ondulaon auour de la aleur connue souhaée, le fonconnemen de l archecure e les calculs son déallés à l ANNEXE : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos. On peu racer l allure déale de la enson e du couran de l nducance en foncon de l éoluon de la commande U des nerrupeurs de pussance fgure III-2. 04

105 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Fgure III-2 : Allures de e en foncon de U en conducon dsconnue. a conducon dsconnue ajoue une phase où le couran au sen de l nducance es nul. Cec a un effe sur l expresson du rappor de conerson. En effe, nous n aons plus α 2 = -α comme dans le cas de la conducon connue. nsan où le sysème passe dans la rosème phase T-α 3 T éolue en foncon des paramères d enrée e de sore du sysème. Après résoluon du sysème, on oben la relaon III-7 enre les ensons d enrée e e de sore s du conersseur. = 2 4α K 2 s e aec K 2 = III-7 T ch arg e. K cr Cee relaon n es alable que s K < α, sachan que K = α α ², c es-àdre s l on se roue en mode de conducon dsconnue. Dans nore cas, aec = 22 µh, charge =00 kω e T=5 µs, on a K= On es donc ben en conducon dsconnue pusque K < Kcr= Nous pouons racer l allure de la enson de sore s en foncon du rappor cyclque α fgure III-3, pour les condons néreures e exéreures. cr s =fα, condon néreure s =fα, condon exéreure sv sv a α α Fgure III-3 : Tenson de sore s en foncon du rappor cyclque α, en condon néreure a, aec P = 545 µw e exéreure b, aec P = 3.63 mw. b 05

106 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. On o que, héorquemen, le rappor de conerson éolue foremen en foncon des caracérsques de l enrée e qu l peu aendre des aleurs éleées. En praque, le rappor de conerson sera lmé à cause des non-déalés des composans peres résses e mperfecons des horloges de commande. c Modélsaon du sysème aec les deux sores Comme nous l aons u dans le deuxème chapre du manuscr, un conersseur à sores mulples d Sngle Inducor Mulple Oupu SIMO fonconnan en mode Ordered Power Dsrbue Conrol OPDC a éé proposé par e e al. en 2007 [E 2007]. Nous allons déelopper un conersseur suroleur de ype boos basé sur le même prncpe fgure III-4. Il aura le fonconnemen suan : dans la premère pare du cycle, l nducance sera chargée, pus elle sera déchargée dans la seconde pare, successemen ers chaque sore. e sysème passera de la premère sore à la seconde sore dès que la consgne de la premère sore sera aene. S l énerge sockée dans l nducance es nsuffsane pour recharger chaque sore, le sysème dera augmener le rappor cyclque du conersseur pour charger d aanage d énerge dans l nducance à chaque cycle. D N P P 2 Dsrbuon de l énerge ers les sores Sockage de l énerge dans l nducance Fgure III-4 : Archecure de ype boos à deux sores. Pour lmer le nombre de commuaons enre les deux chemns de pussance, nous ulserons un comparaeur à hyséréss. a aleur de l hyséréss défnra l ondulaon de la enson régulée obenue en sore du premer chemn de pussance. On consdère de plus, que les capacés ne présenen pas de peres e que l nducance e les nerrupeurs de pussance ne présenen que des peres résses. Pour pouor smuler le sysème de geson d énerge à double sore, nous allons placer en enrée du conersseur une source de enson fxe composée d une force élecromorce e e d une réssance nerne r. a premère sore a aor une charge résse charge e la deuxème une charge résse BAT. 06

107 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 07 Dans le cas d une conducon dsconnue, on peu dsnguer ros phases qu se répèen. archecure peu donc êre décomposée en ros éas dsncs, comme on peu le or fgure III-4 : - un premer éa noé pendan lequel l nducance es chargée, - un éa 2 aec deux confguraons possbles suan la sore acée, - un rosème éa où le couran de l nducance es nul jusqu au prochan cycle. es confguraons 2a e 2b de la fgure III-4 corresponden respecemen aux cas où la premère sore es acée e où la deuxème sore es acée. d Eude de l éa Duran la premère phase, N es fermé, la dode D es passane, e les nerrupeurs P e P 2 son ouers. Nous pouons écrre les sysèmes d équaons III-8 e III-9. = = = 2 2 C C D on D e III-8 = = = BAT BAT BAT e ch s s D on D e d d C d d C d d 2 arg III-9 On sole, s e BAT pour la modélsaon e on préférera ulser des négrales pluô que des dérés qu créen des erreurs de lnéarsaon dans Malab/Smulnk. On oben ans le sysème d équaons III-0. [ ] = = = d C d C d BAT BAT BAT e ch s s on D D e 2 arg III-0 Duran cee premère phase, la enson e es applquée à la bobne qu accumule de l énerge. On obsere alors une augmenaon du couran de la bobne. es capacés de sore ne son soumses qu aux courans préleés par leurs charges respeces, aucun couran ne proen de l nducance. e Eude l éa 2 Duran la phase 2, N es ouer e la dode D es passane. Dans le premer cas fgure III-4 2a : la sore es ace P fermé e P 2 ouer, on a les sysèmes d équaons III- e III-2. = = = 2 2 c C s D ON D e III- = = = BAT BAT BAT e ch s s s D ON D e d d C d d C d d 2 arg III-2

108 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 08 On oben le sysème d équaon III-3. [ ] = = = d C d C d BAT BAT BAT e ch s s s D ON D e 2 arg III-3 Dans le deuxème cas : la sore 2 es ace P ouer e P 2 fermé, on a les sysèmes d équaons III-4 e III-5. = = = 2 2 c C s D ON D e III-4 = = = e ch s s BAT BAT BAT BAT D ON D e d d C d d C d d arg 2 III-5 On oben le sysème d équaons III-6. [ ] = = = d C d C d BAT BAT BAT e ch s s BAT D ON D e 2 arg III-6 Duran cee deuxème phase, le couran accumulé précédemmen es ransms à la capacé C e à charge, ou à C 2 e BAT, suan les cas. a capacé C respecemen C 2 se charge e mpose une enson aux bornes de charge respecemen BAT. a capacé C 2 respecemen C non connecée à l nducance es déchargée au raers de la charge assocée BAT respecemen charge en aendan d êre séleconnée à la prochane arrée d un couran. f Eude de l éa 3 Duran cee phase, N es ouer, la dode D es bloquée e les nerrupeurs P e P 2 son ouers. e couran es nul e la enson de sore es unquemen enreenue par l énerge fourne par les capacés C e C 2. On peu écrre les sysèmes d équaons III-7 e III-8. = = = C C III-7 = = = BAT BAT BAT e ch s s d d C d d C 0 2 arg III-8

109 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 09 On oben le sysème d équaons III-9. = = = d C d C BAT BAT BAT e ch s s 0 2 arg III-9 S la phase de non-conducon de la bobne es rop longue, la enson de sore rsque de dmnuer e de ne plus êre régulée. Cec mpose une fréquence mnmale de hachage ou une pussance maxmale pour la charge sous fables éclaremens. On fa nerenr les commandes U e W pour former un seul sysème de quare équaons III-20, donnan, s, BAT e e. U es le sgnal numérque qu commande les nerrupeurs NMOS e PMOS, W es le sgnal numérque qu drge la commande U so sur l nerrupeur P so sur l nerrupeur P 2, permean de séleconner l un ou l aure chemn de pussance. [ ] [ ] = = = = arg C d W U C d W U C d W U W U n dec e BAT BAT BAT e ch s s BAT s D ON D e III- 20 S W es égal à 0 nous aons le sysème d équaon III-2 où l on charge la baere e s W es égal à nous aons le sysème d équaons III-22 où l on almene le chemn drec. W = 0 : III-2 W = : III-222 [ ] = = = d U C d C d U BAT BAT BAT e ch s s BAT ON D e.. 2 arg [ ] = = = d C d U C d U BAT BAT BAT e ch s s s ON D e.. 2 arg

110 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. g Smulaon du conersseur suroleur en conducon dsconnue On ulse les équaons rouées précédemmen pour modélser le conersseur suroleur sous Malab/Smulnk fgure III-5. On ulse les commandes U e W, mas auss la aleur du couran, afn de déermner dans quel cas on se roue. Fgure III-5 : Modélsaon du conersseur suroleur en conducon dsconnue. Chaque bloc en ponllés modélse une des ros premères équaons du sysème précéden III-20. e bloc «Dode» modélse l acon de la dode suan la aleur de la commande e du couran. Par exemple, s la commande es à 0 e que le couran es nféreur ou égal à 0, la dode se bloque e V d =0. Par conre, pour la même commande, s >0 alors la dode es passane e la enson V d neren. Enfn, s la commande U es à, la dode es bloquée e V d =0. e bloc «negr_rese_nnull» conen un négraeur que l on reme à zéro à chaque fos que le couran es nféreur ou égal à 0. On ulse le sysème représené sur la fgure III-6 pour smuler le conersseur suroleur de enson en conducon dsconnue. 0

111 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Commandes Flre de pussance Fgure III-6 : Modèle Smulnk du conersseur suroleur en conducon dsconnue. a source de enson ulsée es une source déale de V. On applque un sgnal carré sur la commande aec un rappor cyclque de 0.2, qu on fera arer par la sue. Nous ulsons la fréquence de commuaon de 200 khz e des capacés de flrage de 25 µf. Ces composans nous permeen, d une par d almener de manère connue les charges e d aure par de flrer les araons du couran préleé sur le module PV. Nous consdérons que le sysème o une charge moyenne de 5 µa, e qu à chaque ransfer d énerge le couran passe par deux nerrupeurs de pussance ayan une réssance équalene de Ω. On sualse la commande U, le couran dans la charge e le couran dans la bobne, ans que la enson de sore s sur la fgure III-7. ZOOM : Fgure III-7 : es sgnaux en conducon dsconnue.

112 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. a sualsaon des dfférens sgnaux nous perme d obserer les commuaons de l nducance ans que leurs effes sur les ensons de sore du sysème fgure III-7. Ces smulaons nous permeen de alder le fonconnemen du conersseur suroleur de ype boos en mode de conducon dsconnue, de érfer l éléaon en enson des deux sores du sysème e de sualser les aleurs des courans maxmums dans le sysème pour pouor par la sue déermner les aleurs des composans remplssan ces condons d ulsaon. a smulaon du conersseur pour dfférens cas de pussance en enrée nous perme d obenr le couran maxmum qu peu raerser la bobne. Ce couran es de 600 ma dans le cas de fors éclaremens. 3.2 e conersseur à double sore aec la cellule phooolaïque a source de enson es manenan remplacée par le module PV. On oben le schéma de la fgure III-8 pour les ros éapes de la conducon dsconnue. D N P P 2 Aec la cellule PV équalen au crcu suan : Fgure III-8 : Archecure du conersseur de ype boos à deux sores aec le module PV. Nous réérons la même mse en équaon que précédemmen en éudan chacune des éapes de conducon pour modélser le fonconnemen du conersseur ANNEXE 2. Comme précédemmen on fa nerenr les commandes U e W pour former un seul sysème de quare équaons, donnan, s, BAT, e e. On rappelle que U es le sgnal numérque qu commande les nerrupeurs N, P e P 2, e que W es le sgnal numérque qu 2

113 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 3 drge la commande U so sur l nerrupeur P so sur l nerrupeur P 2, permean de séleconner l un ou l aure chemn de pussance. On oben le couple d équaons III-23. [ ] = = = =...exp arg V I S S G Sun C d W U C d W U C d W U W U P S PV e S PV e o dec e BAT BAT BAT e ch s s BAT s D ON e III-23 Dans ce sysème seul l équaon de e es modfée. a enson délrée par le module PV es foncon de la aleur du couran PV préleé par le sysème. Nous rajouons un module permean de modélser l éoluon de cee enson e qu es foncon de l rradance, des paramères de la echnologe de la cellule e du couran préleé fgure III-9. Fgure III-9 : Modèle du module phooolaïque aec la capacé de flrage C n e un nombre N de cellules en séres. es peres e le rendemen on des expressons qu resen nchangées e dépenden de l éclaremen auquel es soums le module PV.

114 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Comme précédemmen, on applque un sgnal carré sur la commande U aec un rappor cyclque de 0.2, que l on fera arer par la sue. On sualse la commande, le couran dans la charge e dans la bobne, la enson de sore s, ans que la enson du module PV fgure III-20. ZOOM : Fgure III-20 : Sgnaux en conducon dsconnue aec le module PV. Ces smulaons nous permeen de alder le fonconnemen du boos aec le module PV e de érfer l éléaon en enson des deux sores du sysème s e BAT qu son ben chargées par nermence. obseraon de la enson du module PV nous monre que la capacé C n flre ben les appels de couran du conersseur ou en lassan la enson éoluer en foncon de l éa du conersseur modfcaon du couran moyen préleé en foncon de l éoluon du rappor cyclque. ajou du modèle du module PV nous perme d aor une modélsaon plus fne des courans qu seron gérés par le sysème, permean ans de alder les composans que nous aons séleconnés. Nous pouons manenan nsérer la méhode de recherche du pon de pussance maxmale pour conrôler le sysème de geson d énerge pour dfférenes condons d ulsaons e d enronnemens. 4

115 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 4. Eude e segmenaon de la méhode du MPPT Pour exrare à ou nsan le maxmum de pussance de la source phooolaïque, nous meons en œure une méhode de recherche qu conrôle le fonconnemen du conersseur suroleur. a méhode de recherche du pon de pussance maxmum MPPT nous perme de sure les araons non-lnéares des caracérsques du module PV en foncon des araons d éclaremen e de empéraure. a méhode du MPPT perme d adaper l horloge de hachage du sysème de geson d énerge de manère à fare fonconner le module PV à un couple enson-couran opmal e d aendre ans son pon de pussance maxmale MPP. Nous allons or en déals le fonconnemen de la méhode e monrer commen elle ag sur le conersseur de manère à pouor l mplémener effcacemen. 4. a méhode du MPPT smple capeur de enson a e prncpe de la méhode Comme présené dans le deuxème chapre nous allons mere en œure la méhode du MPPT présenée par Pandey en 2007 [PAN 2007]. Cee méhode es basée sur l obseraon emprque que la dérée de la enson de fonconnemen du module PV en foncon du rappor cyclque présene un maxmum auour du MPP. Pour rechercher le MPP, on défn une méhode de recherche basée sur la recherche du maxmum de la foncon P es.j fgure III-2, qu es une esmaon à un coeffcen k de la pussance délrée par le module PV. Elle es obenue à parr de l éoluon de la araon de la enson du module PV en foncon de la modfcaon du rappor cyclque du sysème de geson d énerge. P es.j Fgure III-2 : Tenson, dérée de la enson e pussance du module PV en foncon du rappor cyclque [PAN 2007]. De manère emprque, l obseraon monre, qu auour du MPP, nous aons la relaon III-24. V = κ. P es. IIIj D 243 aec : κ une consane de proporonnalé emprque qu dépend du ype de cellules S l on raalle à un pas de araon du rappor cyclque D fxé, nous obenons l équaon III-25. = κ. III-25 V P es. j 5

116 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. D où l équaon III-26. aec V = V j = V j V j P es. j V = III-26 κ Nous obenons ans la foncon P es.j relan les araons de la enson de la cellule à la pussance qu elle délre. A chaque pas de la méhode, on modfe le rappor cyclque D d une quané ± D. hsorque d un cycle suff pour déermner le sens de araon du rappor cyclque D ou - D. S la aleur précédene de P es.j es supéreure à la nouelle aleur de P es.j, cela sgnfe que la pussance dsponble dmnue e que le sysème s élogne du MPP. Il fau par conséquen changer le sens de araon du rappor cyclque. Dans le cas nerse, on connue à modfer le rappor cyclque dans le même sens. b Segmenaon de la méhode du MPPT Nous allons mere en œure la méhode du MPPT en ulsan l algorhme décr sur la fgure III-22. Inalsaon Echanllonnage de V PV Calcul de P es. Mémorsaon de V PV P V k = V PV es. j = V j V j V j = V PV ou P P es. j es. j non Drecon = ndrecon Drecon = Drecon D=DDrecon* D Fgure III-22 : Algorhme de recherche du pon de pussance maxmal proposé, le maxmum de P es recherché au raers de la maxmsaon de la foncon P es.. a méhode du MPPT peu êre dsée en ros sous-blocs élémenares fgure III-23. Deux sous-blocs son propres à la méhode du MPPT. e premer sous-bloc échanllonne la enson V PV du module PV pour fournr le sgne de la araon de la pussance esmée P PV du module PV e le deuxème sous-bloc coner ce sgne pour obenr le noueau rappor cyclque de l horloge de commuaon. e derner sous-bloc, ndépendan de la méhode du MPPT, es le généraeur de l horloge de ype PWM PWM : Pulse Wdh Modulaon, modulaon de la largeur d mpulson 6

117 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Echanllonnage de V PV => V PV => P PV => Noueau rappor cyclque => PWM Fgure III-23 : Blocs Smulnk de la méhode du MPPT. 4.2 Smulaon des sous-blocs de la méhode du MPPT Nous présenons les résulas de la smulaon du seul bloc de la méhode du MPPT en boucle ouere pour érfer le comporemen de chacun de ses sous-blocs. Pour alder le bloc mplémené sous Malab/Smulnk, nous aons reprodu les araons que subra la enson du module PV en cas de changemen du rappor cyclque. es araons de enson permeen de smuler en boucle ouere un élognemen du MPP, ans qu un rapprochemen. a fréquence es de 3 Hz e nous nous sommes placés dans le cas d une éoluon crossane de la enson. En effe, on peu se rapprocher du MPP ben que la enson décrosse ou que celle-c crosse Phase Phase 2 V PV MPP Eoluon de V PV mposée V PV =>Eoluon de P es. 0 - Conrôle du rappor cyclque D par la méhode du MPPT Sgne de D Conseraon du sens de Inerson du sens araon de D s 0 Fgure III-24 : Eoluon de la enson du module PV, de la dérée dscrèe de cee enson ans que du rappor cyclque déermné par le MPPT. 7

118 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. a smulaon es décomposée en deux phases représenées sur la fgure III-24. ors de la premère phase Phase, on smule une augmenaon de la dérée de la enson du module PV. ors de la deuxème phase Phase 2, on smule une dmnuon de la dérée de la enson du module PV. e pas de araon du rappor cyclque es fxe e au On smule ans le cas où le sysème se rapproche du MPP Phase e le cas où l s en élogne Phase 2. On obsere que, lors de la Phase, le bloc de la méhode du MPPT manen le sens de araon du rappor cyclque pour se rapprocher du MPP. ors de la Phase 2, le bloc de la méhode du MPPT modfe consammen la drecon du rappor cyclque car l obsere qu l s élogne du MPP. On obsere que le sysème es prê à ou nsan à modfer son sens de araon du rappor cyclque. Cec proue que le sysème es capable à ou momen de rechercher un noueau pon de pussance maxmale dû a un changemen d éa du sysème éoluon de la charge ou de l énerge ncdene du module PV. Nous pouons manenan smuler le sysème en boucle fermée en acan la méhode du MPPT. 5. Smulaons globales e conersseur que nous proposons es consué de deux boucles de régulaon fgure III-25. a premère perme de fare fonconner la source PV à son pon de pussance maxmale MPPT, e la seconde perme de séleconner le chemn de pussance pour opmser le ransfer d énerge au sen du mcrosysème PPM. Fgure III-25 : Archecure smplfée du conersseur proposé aec ses deux boucles de régulaon, Maxmum Power Pon Trackng MPPT e Power Pahs Managemen PPM. e bloc DTC Dead Tme Conrol ogc génère les sgnaux de commande des nerrupeurs N, P e P 2. Il nsère des emps mors au sgnal de commande PWM pour éer ou cour-crcu au sen du flre de pussance cf. 3. a Peres e rendemens en conducon dsconnue. 8

119 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Nous allons smuler l ensemble du modèle en boucle fermée pour monrer commen le sysème exra le maxmum d énerge. Enfn, la modélsaon hau-neau sous Malab/Smulnk du sysème comple fgure III-26 nous perme de défnr les conranes que nous derons respecer lors de la concepon des blocs analogques. MPPT PPM Module PV Flre de pussance Fgure III-26 : Archecure du conersseur proposé, aec ses deux boucles de régulaon, Maxmum Power Pon Trackng MPPT e Power Pahs Managemen PPM. On reroue sur la fgure III-26 les deux boucles de régulaon du sysème : la boucle de MPPT e celle du PPM qu gère la dsrbuon de pussance enre les sores du sysème. 5. Exracon du maxmum d énerge a Valdaon du conrôle du conersseur par la méhode du MPPT Nous aons smulé le conersseur à double sore aec ses boucles de régulaon dans le cas d un éclaremen consan à 0 msun. e sysème de geson d énerge es smulé en boucle fermée aec une seule de ses sores ace. Cee smulaon nous perme d obserer l ensemble de la chaîne de conrôle e de or commen le sysème se rapproche du rappor cyclque opmum, permean d êre au MPP. Nous allons nous ader des résulas de la smulaon représenés sur la fgure III-27, fgure III-28, ans que sur la fgure III-29 pour décrre e érfer le fonconnemen de la méhode de MPPT. a fgure III-27 représene l éoluon de la enson du module PV en foncon des changemens de rappor cyclque, à la fréquence du MPPT 20 Hz e la fgure III-28 représene l éoluon du couran de la bobne conrôlé par la commande PWM, à la fréquence de 200 khz. a fgure III-29 représene les sgnaux nernes de la méhode du MPPT. V s Fgure III-27 : Varaon de la enson du module PV en foncon du emps. es ras en ponllés ndquen les nsans où le rappor cyclque es modfé par la méhode de MPPT. 9

120 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. A Fgure III-28 : Varaon du couran de l nducance en foncon du emps. es ras en ponllés ndquen les nsans où le rappor cyclque es modfé par la méhode de MPPT. On obsere sur la fgure III-27 que la enson V PV flucue en foncon du rappor cyclque D du conersseur. En effe, chaque araon du rappor cyclque modfe le couran I préleé par l nducance fgure III-28. a pussance fourne par le module PV dépend de la aleur du couran moyen préleé par le conersseur. a araon du couran moyen enraîne la araon de la enson du module PV qu se sablse ers son noueau pon de fonconnemen. On obsere une araon moyenne de 28 mv à chaque changemen de rappor cyclque. a fgure III-29 perme de sure les éapes de fonconnemen de la méhode du MPPT. Nous allons nous appuyer sur ces résulas pour alder le modèle du bloc de la méhode du MPPT. s Fgure III-29 : Varaon des sgnaux de commande du sysème aec la méhode de MPPT. On obsere sur la fgure III-29 l éoluon du rappor cyclque DuyCycleMPP en foncon de l éoluon de la araon de la enson du module PV donnée par le sgnal VaraondeDV. Pour ben comprendre le fonconnemen du sysème, nous pouons nous focalser sur les sgnaux Dnewsgn défnssan le noueau sgne de araon du rappor s 20

121 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. cyclque, e DelaVp2a fournssan l éoluon absolue de la enson V PV quel que so son sens de araon que la enson V PV crosse ou décrosse. S DelaVp2a décroî le bloc de MPPT mpose une nerson du sens de araon du rappor cyclque - s précédemmen e ce ersa. On obsere ans une araon du sgnal Dnewsgn à chaque fos que DelaVp2a décroî par rappor à sa aleur précédene, e une conseraon du sgne de Dnewsgn à chaque fos que DelaVp2a croî. On peu fnalemen obserer que la araon du rappor cyclque donnée par le sgnal DuyCycleMPP correspondan ben au sgne du sgnal Dnewsgn. es sous-blocs de la méhode du MPPT son donc aldés. b Eoluon de la enson du module PV pour dfférens cas d rradance es smulaons du sysème comple nous permeen d obserer l éoluon de la enson du module PV en foncon des éas du sysème pour dfférens cas d rradance 5 msun e 500 msun. Pour effecuer ces smulaons nous aons applqué une charge de 0 µw sur la sore à fable enson. Pour le bon fonconnemen de la méhode du MPPT, nous deons nous assurer que la enson ulsée aan le changemen de rappor cyclque so proche de la enson en régme saonnare du sysème. Ces emps de sablsaon nous mposen une fréquence maxmale pour la méhode du MPPT, qu a pouor êre défne à l ade de l éude des deux cas d rradance 5 msun fgure III-30 e 500 msun fgure III-3. V s Fgure III-30 : Varaon de la enson du module PV aec la méhode de MPPT pour 5 msun. V s Fgure III-3 : Varaon de la enson du module PV aec la méhode de MPPT pour 500 msun. es résulas de smulaon représenés sur les fgure III-30 e fgure III-3 nous permeen de spécfer la fréquence maxmale de la méhode du MPPT. a lmaon en fréquence es mposée par le fonconnemen du sysème sous l rradance la plus fable. Celle-c do êre nféreure à 20 Hz pour qu à chaque esmaon de la araon de la pussance du module PV, les ensons mesurées corresponden ben à des ensons sablsées du sysème. 2

122 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Pour le bon fonconnemen de la méhode l fau que le bloc d échanllonnage de la enson du module PV so capable d obserer une araon mnmale de cee enson. Ce mnmum es aen lorsque le module PV es fablemen éclaré. Nous allons obserer la araon de cee enson dans le cas le plus conragnan, so le cas où le module PV es soums à une rradance de seulemen 5 msun fgure III-32. Fgure III-32 : Eoluon de la enson du module PV aec la méhode de MPPT pour 5 msun. Pour une rradance de seulemen 5 msun, le sysème do êre capable de mesurer une araon de enson de mv pour le bon fonconnemen de la méhode de MPPT. Cec mpose une conrane sur les fues admssbles au sen du bloc de MPPT permean la mémorsaon de la enson du module enre deux araons du rappor cyclque. c Effcacé de la méhode du MPPT Nous aons smulé le sysème pour dfférens cas d rradance pour obserer l effcacé de la méhode du MPPT. Nous aons chos de ne présener les résulas de smulaon de la pussance récupérée que pour deux cas sgnfcaf d rradance 5 msun e 500 msun. Pour effecuer ces smulaons nous aons applqué une charge nécessan une pussance de 0 µw sur la sore à fable enson. Manenan que nous nous sommes assurés de la bonne ulsaon du bloc négran la méhode de MPPT, nous pouons obserer la pussance maxmale qu es exrae par le conersseur pour les deux rradances. Il s ag de déermner l effcacé de la méhode du MPPT sur le conrôle de la pussance délrée par le module PV fgure III-33, fgure II

123 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. Pour 5 msun : W p nducance s Fgure III-33 : Varaon de la pussance aec le MPPT pour 5 msun. a pussance moyenne exrae par le conersseur dans le cas d une rradance de 5 msun es de 86 µw, alors que la pussance maxmale héorque pour cee rradance es de 228µW 2. e module phooolaïque en CIGS. Cec correspond à une effcacé de 82%. Pour 500 msun : W p nducance s Fgure III-34 : Varaon de la pussance aec le MPPT pour 500 msun. a pussance exrae par le conersseur dans le cas d une rradance de 500 msun osclle auour de 30.5 mw, alors que la pussance maxmale héorque pour cee rradance es de 33.9 mw 2. e module phooolaïque en CIGS, so une effcacé de 90%. Nous aons obseré que la méhode du MPPT mse en œure perme de récupérer le maxmum d énerge quelle que so l rradance. On peu donc ulser cee méhode du MPPT sur l ensemble de la gamme de araon d rradance sube par le mcrosysème auonome. a méhode du MPPT perme ans d exrare le maxmum de pussance du module PV aec une effcacé comprse en 82% e 90%. De plus, nous pouons obserer que le sysème nécesse d aor une horloge de ype PWM pouan arer sur une plage de rappor cyclque comprse enre 0.05 e 0.. e pas de araon mnmal nécessare es de pour les fables rradances. Pour conserer sa rapdé e son effcacé sous fores rradances, nous aons pu obserer 23

124 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. grâce aux smulaons du modèle comple, qu l es néressan d augmener le pas de araon à S nous prenons le cas du module PV consué de ros cellules CIGS, les smulaons nous on perm de monrer qu l es néressan de changer le pas de araon du rappor cyclque une fos que celu-c a aen la aleur seul de Ce changemen de pas peu créer une erreur sur l esmaon de P PV, mas cee erreur es lmée à la seule esmaon qu a leu enre deux pas dfférens e elle sera corrgée par la méhode du MPPT dès l esmaon suane. d Eoluon du sysème dans le cas d un changemen d rradance Nous cherchons à saor dans cee éude s la méhode perme effcacemen de passer d un opmum à un aure. Pour cela, nous aons smulé le sysème dans le cas d un changemen d rradance allan de 5 msun à 0 msun pus reenan à 5 msun fgure III-35. p nducance 459 µw 87 µw 82% 96% Fgure III-35 : Eoluon de la pussance pour une araon d rradance de 5 msun à 0 msun. e sysème passe d une pussance récupérée de 87 µw sous 5 msun à 459 µw sous 0 msun. es deux pons de pussance son obenus aec des précsons respeces s-à-s du pon de pussance maxmale de 82% e 96%. Nous pouons obserer que la méhode su l éoluon de l rradance e s adape pour obenr pour chaque rradance la pussance maxmale du module PV. 24

125 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. e Eoluon du sysème dans le cas d un changemen de sore ace Nous aons smulé le sysème en boucle fermée e nous aons mposé un changemen enre les deux sores de dsrbuon de l énerge. On passe ans d un sysème où l énerge es ransférée à la baere, à un sysème où l énerge es ransférée à la sore s. Nous aons délbérémen désacé la régulaon de la sore s pour obserer le comporemen de la méhode du MPPT dans le cas où la enson de sore éolue au cours du emps. Phase d nalsaon Phase où l énerge es dsrbuée à la baere pnducance appor cyclque opmal Phase où l énerge es dsrbuée à la sore V s Fgure III-36 : Eoluon de la pussance dans le cas d un changemen de sore. Nous obserons sur la fgure III-36 que la méhode du MPPT, après une premère phase d nalsaon, s adape à l éoluon mposée par la sore. Ans elle aen pour la aleur de la enson ba le rappor cyclque opmal pour que le sysème de geson d énerge exrae le maxmum de pussance du module PV. On obsere qu elle aen e consere ce rappor cyclque opmal jusqu'à ce que l on refasse éoluer la sore ace. Par la sue, la méhode du MPPT connue de s adaper à l éoluon de la enson de sore s e cherche à obenr, pour chaque neau de enson de s, le maxmum de pussance du module PV. 25

126 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. 5.2 Synhèse des spécfcaons e logcel Malab/Smulnk nous a perms d effecuer une modélsaon hau neau du sysème de récupéraon d énerge fgure III-37 aec des emps de smulaons accepables jusqu'à ros jours pour les plus longues. Cec nous a perms de fare arer rapdemen les paramères du sysème pour dfférenes condons d ulsaon. Sore Sore 2 Fgure III-37 : e mcrosysème phooolaïque proposé e ses dfférens blocs. Ces premères smulaons sous Malab/Smulnk nous on perms de défnr les caracérsques des blocs à conceor sous CADENCE. Nous aons regroupé les spécfcaons des dfférens blocs dans le ableau III-5. Nom du bloc Almenaon Caracérsques égulaon PPM : Comparaeur/Sélecon : V /- 0 mv éférences de enson : V.2 V e. 5 V /- 0 mv MPPT : < 20 Hz Déecon araon de pussance.2 -.5V /- mv Créaon du noueau rappor cyclque V / e / Généraon du sgnal PWM : Horloge : V 200kHz /-0% PWM : V appor cyclque de à 0.6, pas mn Transsors de pussance : ranssors de pussance segmenés e buffers neau baere ON de à 0 Ω C de 0.8 à 8.8 pf ogque de non recouremen DTC V 0 ns /-0% Transfer undreconnel : Dode sans seul : V Seul nul Proecon conre la surenson : Shun : neau baere Déclenchemen enre 3.6 V V. Tableau III-5 : Spécfcaons des dfférens blocs du sysème de récupéraon. 26

127 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. a précson de la référence BandGap e du comparaeur à hyséréss a drecemen nfluer sur la précson de la régulaon de la sore. a précson des blocs de la méhode du MPPT do êre de mv pour garanr une bonne analyse des araons de la enson du module PV. e bloc généran le noueau rappor cyclque do permere de passer d un pas de araon de à un pas de 0.05 dès que le rappor cyclque es supéreur à a fréquence de la méhode du MPPT do êre nféreure à 20 Hz. e bloc DTC do générer des emps mor de 0 ns aec une précson de plus ou mons 0%. Enfn, le bloc de proecon conre la surenson do empêcher oue enson supéreure à 3.8 V. Pour cela une marge de sécuré es prse aec un déclenchemen possble enre 3.6 V e 3.8 V. De plus, nore sysème es soums à une conrane de consommaon. Cee conrane es maxmale pour l rradance la plus fable que nore sysème do acceper, so 5 msun. Pour cee rradance, la méhode de MPPT perme de polarser le module PV au MPP aec une effcacé de 82%. e module PV délre ans 87 µw. Dans la mesure où nous souhaons aor un rendemen de 90% nore sysème peu consommer jusqu'à 7 µw. Nous errons dans le chapre IV que les smulaons du crcu demanden beaucoup de ressources e ne permeen pas de smuler le crcu dans oues les condons. éape de aldaon se ferra donc sur une éude du sysème par morceaux, qu seron défns à l ade de la présene modélsaon hau neau. 6. Concluson Après aor modélsé la source phooolaïque, nous aons comparé deux sysèmes permean de récupérer l énerge délrée par celle-c. Nous en aons dédu que le noueau sysème acf es néressan dans les cas où l rradance e la empéraure aren sur de larges gammes. nérê es plus marqué pour les pussances moyennes e fores. En effe, pour les rès fables pussances, le sysème basque aec sa fable pussance consommée rese le plus néressan pour des rradances nféreures à 5 msun cas d un module PV de 5 cm 2. Nous aons modélsé le sysème de geson d énerge à deux chemns de pussance aec le module PV. A l ade de ce modèle nous aons déermné les paramères de l archecure. Nous sommes arrés à la concluson qu l es néressan d ulser une fréquence de hachage de 200 khz e une nducance d une aleur de 22 µh. De plus, pour que le sysème so fonconnel sur une large gamme de pussance d enrée, nous aons décdé d ulser des ranssors de pussance de largeurs dfférenes suan la quané de pussance à ransférer. es dmensons des ranssors de pussance son le résula d un comproms enre les peres saques e les peres dynamques, déermnées respecemen par les réssances séres équalenes e les capacés équalenes. Après aor éudé l archecure du sysème de geson d énerge, nous nous sommes 27

128 Chapre III : Modélsaon du module de récupéraon phooolaïque du mcrosysème auonome. focalsés sur le conrôle de celu-c. Nous aons ms en œure une méhode de MPPT qu a l aanage de ne nécesser qu une mesure de la enson de raal du module PV pour pouor réro-aconner le sysème afn qu l se rapproche du pon de pussance maxmale. Nous aons smulé la méhode pour éaluer son erreur s-à-s du érable pon de pussance maxmale du module PV pour une rradance donnée. Nous aons par la sue déermné les spécfcaons de chaque bloc permean la mesure de l éoluon de la enson du module PV, l esmaon de la araon de la pussance du module PV e la généraon de la nouelle horloge permean le conrôle du sysème de geson d énerge au plus près du pon de fonconnemen opmal pour le module PV. es smulaons globales on perms d affner les paramères du sysème, donnan une fréquence maxmale du MPPT de 20 Hz, une araon aec un pas de cnq mllème du rappor cyclque pour les fables rradances e de ng cnq mllème pour les fores rradances, e une mesure dfférenelle de l ordre de mv. Nous aons smulé le sysème pour dfférens cas d ulsaon e nous aons obenus une pussance exrae comprse enre 82% e 96% de la pussance maxmale lorsque l rradance are de 5 msun à 0 msun. Nous allons dans le chapre suan conceor les dfférens blocs de l archecure dans la plae-forme echnologque UMC 80 nm. Pour cela, nous allons mere en œure oues les méhodes permean de rédure la consommaon des blocs du sysème de récupéraon d énerge. 28

129 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 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 29

130 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge page nenonnellemen blanche 30

131 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge ESUME DU CHAPITE IV Après aor présené e jusfé l ulsaon de la echnologque UMC 80 nm s-à-s des besons des mcrosysèmes auonomes, nous aons donné la méhode de concepon. Nous aons découpé le sysème en ros blocs prncpaux. e premer es le flre de pussance composé des ranssors de pussance, des composans adabaques, du shun permean de déecer e de déer le surplus d énerge en enrée e d un sous-bloc conrôlan la généraon d horloges non recouranes DTC. e sysème ulse égalemen un bloc de conrôle permean la geson d énerge en négran une méhode de recherche du pon de pussance maxmale MPPT. Enfn, le derner bloc perme la régulaon de la enson de sore de drece. Il es composé d un BandGap e d un comparaeur à hyséréss. Nous aons ou d abord déeloppé le cœur du sysème, à saor le flre de pussance. Il es ploé à l ade de ranssors de pussance segmenés e de drers adapés. De plus, le flre de pussance nécesse une dode sans seul permean de ransférer effcacemen l énerge proenan du module phooolaïque au mcrosysème auonome sans chue de enson. On peu ans aor un sysème fonconnan sur une large plage de araons d éclaremen. a dode sans seul a une consommaon moyenne de 60 nw pour une enson de seul mesurée nféreure à 6 mv. A cela, nous aons ajoué un bloc de shun permean d éer la surenson du sysème. Celu-c a deux mssons : la premère es de lmer la enson en sore à 3.8 V ou en permean au sysème de connuer à raaller au pon de pussance maxmale, e la deuxème es d nformer le mcrosysème lorsque de l énerge es en surplus, pour permere à celu-c d acer des charges plus mporanes ou de lancer des acons plus énergores, elle qu une communcaon radofréquence. Une fos le flre de pussance aldé, nous aons déeloppé les blocs nécessares à son conrôle. Ces blocs permeen d opmser le ransfer énergéque aec la méhode du MPPT, mas égalemen de délrer une enson sablsée au mcrosysème. Nous aons ou d abord déeloppé les blocs permean de mere en œure la méhode de recherche du pon de pussance maxmale à parr de l éoluon de la seule enson du module PV en foncon de l éoluon du rappor cyclque du sysème. a méhode du MPPT nécesse dfférens blocs ben défns. e premer déermne la araon de la enson du module PV en foncon des modfcaons du rappor cyclque du sysème de geson d énerge pour esmer la araon de la pussance délrée par le module PV. e deuxème bloc nerprèe ces araons pour déermner la modfcaon à opérer sur le rappor cyclque pour se rapprocher du pon de pussance maxmale. Enfn, un derner bloc ulse la nouelle aleur numérque du rappor cyclque pour générer l horloge de ype PWM correspondane, permean ans d exrare e de ransférer le maxmum d énerge. Dans ce quarème chapre, nous aons conçu l archecure élecrque du sysème assocan la méhode du MPPT «smple capeur de enson» e la dsrbuon de pussance enre les deux chemns de pussance en exploan les bénéfces des deux boucles de régulaon sur le flre de pussance. e chapre se ermne par les performances obenues pour chaque bloc. Ces résulas réponden aux spécfcaons éables dans le chapre précéden e permeen ans au sysème de fonconner sur l ensemble de la plage de araon de l éclaremen aec un rendemen proche de 90%. 3

132 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge page nenonnellemen blanche 32

133 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge. Inroducon Au cours du chapre précéden, nous aons modélsé le sysème de récupéraon d énerge, e nous aons ans pu spécfer ses caracérsques. Nous pouons donc à présen passer à la phase de concepon du sysème. a concepon du crcu sera dsée suan les ros blocs prncpaux de l archecure fgure IV- : - le bloc du flre de pussance, - le bloc permean la maxmsaon de l énerge en enrée MPPT, - le bloc permean la régulaon des sores du conersseur PPM. Sore Sore 2 Fgure IV- : e mcrosysème phooolaïque proposé e ses dfférens blocs. Cee hérarchsaon de la concepon nous permera de nous assurer du fonconnemen de chacun des blocs aan d assembler le sysème comple. Nous pouons ans effecuer des smulaons rapdes pour opmser chaque bloc aan de passer aux smulaons du sysème comple qu nécessen des emps de calculs mporans. Nous analyserons le sysème en maère de consommaon saque e de consommaon dynamque, afn d éaluer son rendemen dans les dfférenes confguraons d ulsaon. A parr de cee analyse, nous érferons la concordance des performances de chaque bloc de l archecure aec les spécfcaons nales. Pour chacun des blocs, une haue effcacé énergéque es recherchée pour lmer la consommaon. es blocs son ulsés à la fréquence la plus fable e son de plus déconnecés lorsqu ls son nulsés pour éer oue fue de couran. Nous errons par la sue qu un nombre mporan de méhodes es ms en œure pour rédure la pussance dsspée dans les dfférens blocs. De plus, le sysème do êre capable de 33

134 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge gérer les araons de charges ndues par les exncons des blocs. opmsaon du sysème pourra êre réalsée grâce à des exncons/acaons de blocs spécfques. Enfn, dans le cadre des applcaons rès fables pussances, l es nécessare de gérer les courans saques, en effe, ceux c déermnen la majeure pare de l énerge consommée par le sysème. Pour élaborer l élecronque de geson d énerge la plus performane, l fau êre en mesure de créer l nerface la plus effcace enre la source e les charges. Grâce à une modélsaon physque de la source e du sysème élecronque, nous allons opmser l élecronque de geson d énerge en enan compe du comporemen physque de la source, dans un enronnemen où l énerge ncdene es arable. a smulaon du sysème s effecue à l ade d une co-smulaon aec le smulaeur Adance_MS permean la smulaon conjone du module PV décr en VHD-AMS e des blocs élecronques smulés aec Eldo. Mas aan de conceor le sysème nous deons chosr le procédé echnologque de fabrcaon du crcu. Celu-c a un mpac mporan sur la pussance consommée. En effe, les fues sous la enson de seul des ranssors deennen de plus en plus sgnfcaes dans la consommaon des crcus pour les echnologes foremen submcronque [BUT 2006]. e chox de la echnologe s effecue donc en enan compe de la consommaon saque e dynamque, des caracérsques des ensons e des courans des sources e des charges, ans que des fues de couran des ranssors. 2. es conranes echnologques e la méhode de concepon 2. Chox de la echnologe UMC 80 nm e mcrosysème auonome requer de fables fues e l do aor une consommaon en mode acf fable. Cec es rendu possble grâce aux echnologes proposan des ranssors à fables fues e des ranssors à fable enson de seul fonconnan aec une fable enson d almenaon. De plus, les coûs de producon doen êre fables e on do pouor effecuer quelques prooypes. e ableau IV- compare ros nœuds echnologques 30, 80 e 250 nm les plus en adéquaon aec les besons des mcrosysèmes auonomes, dsponbles pour des los MPW 34 chez Europracce. Nœud echnologque Caracérsques 30 nm 80 nm 250 nm Suppore 3.8 V Transsors à fable seul Transsors à fables fues Transsors acfs fable pussance Prooypage facle Fable coû Tableau IV- : Caracérsques des nœuds echnologques 30 nm, 80 nm e 250 nm. Comparason effecuée à parr des données fabrcans [EU 200] 34 MPW : Mul Projec Wafer : parage des coûs de fabrcaon enre pluseurs clens grâce à l négraon de pluseurs crcus de dfférens clens sur la même plaque de slcum. 34

135 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge a echnologe 30 nm GP General Purpose a des blocs d enrée/sore de 2.5 V. Malheureusemen, cee enson ne perme pas de supporer la charge d une uné de sockage à une enson de 3.8 V. De plus, les fues dans cee echnologe son mporanes, sauf pour les ranssors spécfques P ow Power, mas cec on un coû plus éleé e l opon n es pas garane a le passage en lo MPW. a echnologe 250 nm souffre quan à elle d une enson d almenaon e de ensons de seul de ses ranssors éleées. a echnologe 80 nm ANNEXE 4 es un bon comproms pour les mcrosysèmes auonomes. Cee echnologe possède en effe de fables fues, une enson d almenaon basse.8 V e des ranssors aec de fables ensons de seul. De plus, elle peu acceper une enson maxmale de 3.8 V permean la recharge de l uné de sockage d énerge du mcrosysème auonome. a echnologe dsponble ncluan le plus grand nombre de foncons néressanes es la echnologe UMC 80 nm. Elle a l aanage de permere la fabrcaon de l ensemble du mcrosysème, du capeur à la mémore, en passan par les blocs numérques e les blocs analogques e elle es accessble en lo MPW par l nermédare d Europracce. Nous aons donc chos de conceor nore crcu de geson d énerge dans cee echnologe. Afn de rédure la consommaon du sysème e permere son démarrage sous fables rradances nous aons rédu la enson d almenaon du crcu a son mnmum en ulsan des ranssors à fable enson de seul dès lors que le emps de propagaon n es pas crucal. De plus, s l archecure le perme, nous ulserons des ranssors en mode fable nerson. Enfn, nous segmenerons nore archecure afn d éendre les blocs du crcu pouan êre ms en elle. 2.2 a méhodologe de concepon op-down Une approche de concepon op-down hérarchque perme de réulser le plan de concepon pour la réalsaon du sysème dans une aure echnologe. a méhodologe op-down descendane débue par la descrpon fonconnelle du crcu. On s assure ou d abord de l adéquaon aec la echnologe ulsée dans nore cas UMC 80 nm, en érfan que les conranes echnologques ne son pas rédhbores à la réalsaon du crcu. On dse ensue le crcu en dfférens blocs correspondan chacun à une fonconnalé précse, pus on défn les nerconnexons enre chaque bloc. On propage ans les conranes du sysème. Grâce à l éude de l éa de l ar, on déermne la manère don l faudra mplémener chaque foncon, en chosssan l archecure la plus effcace en maère de surface de crcu e de pussance consommée. S les foncons exsanes ne son pas ransposables à cause des conranes lées à la echnologe, l faudra alors en créer de nouelles. Une méhodologe hérarchque perme de sure un cycle en V fgure IV-2 e de conceor ndépendammen chaque bloc e sous-bloc. On peu ans smuler chaque bloc de manère ndépendane e rédure sgnfcaemen le emps de smulaon pour caracérser chaque bloc du crcu. De plus, l ndépendance de chaque bloc perme, s nécessare, de modfer l archecure d un bloc en parculer sans affecer le sysème comple. 35

136 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Spécfcaons Chox des archecures Tess de aldaon Tess d négraon Concepon déallée Tess unare Dessn des masques Fgure IV-2 : e cycle en V. Cee méhodologe perme de conserer, à ou nsan, une ue globale du crcu, ce qu rend possble une esmaon rapde de sa complexé, de son coû, e de son éa d aancemen. e concepeur peu, quand l le souhae, érfer la fonconnalé de son bloc dans le sysème. En effe, grâce à l ulsaon de modèles haus neaux pour les blocs qu n aura pas encore éé réalsés au neau élecrque, l peu smuler l ensemble du crcu. A mesure de l aancemen dans la défnon du crcu, les allers e reours dmnuen enre le plan de concepon, les spécfcaons e les résulas de smulaon, ce qu perme de conerger ers le crcu fnal. Une fos le crcu oalemen défn, l éape suane es le dessn des masques du crcu. Pour cela, l fau fare absracon des dfférens blocs pour créer un dessn des masques compac enan compe des effes parases, de l négré des sgnaux e des emps de propagaon. nérê majeur de cee méhodologe es qu on pusse sure exacemen le même rasonnemen jusqu'à l éape d mplémenaon quelle que so la echnologe ulsée. Une concepon uléreure du crcu dans des echnologes plus aancées es alors possble, comme par exemple dans un noueau nœud de la echnologe SOI 35 qu permera de lmer les fues e d amélorer les performances du mcrosysème. e prncpal nconénen de cee méhodologe es la nécessé de fare des chox précoces sur l archecure du sysème, ce qu peu amener à fare des spécfcaons aec des marges mporanes aboussan à un crcu aec une archecure qu n es pas la meux adapée pour répondre aux enjeux de alle e de consommaon mnmales. De plus, le crcu éan subdsé dès l orgne, l es donc mpossble de modfer l archecure générale dans le cas où un des derners blocs de l archecure ne sera pas auss performan qu aendu. 35 SOI : Slcon-On-Insulaor. Cee echnologe ulse un solan séparan le subsra seran de suppor mécanque de la pare ace où son fabrqués les ranssors fron end, ce qu lme les fues e perme d amélorer sgnfcaemen les performances des crcus en conrepare une concepon dfférene do êre mse en oeure. 36

137 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 3. e flre de pussance e flre de pussance regroupe l ensemble des composans sués sur les chemns de pussance pour éleer la enson de module PV ans que le bloc généran les sgnaux de commande des ranssors de pussance DTC e le bloc de proecon conre les surensons Shun. e flre de pussance fgure IV-3 es le cœur du sysème de récupéraon d énerge. C es lu qu crée les deux chemns de pussance. e flre de pussance es composé de l nducance, des capacés de flrage e des ranssors de pussance. Pour un fonconnemen opmum du conersseur, nous aons ms en œure une dode sans seul permean d auorser le ransfer de l énerge unquemen dans le sens de la capacé de flrage en enrée ers l nducance. énerge es ensue redsrbuée enre les deux sores du sysème par la commande des ranssors Pmos e Pmos2. es sgnaux de commande de ces ranssors de pussance son délrés par le bloc DTC, qu gère le non recouremen des sgnaux. e bloc Shun perme de lmer la enson de la «Sore 2» à 3.8 V. C es la seule régulaon qu es effecuée sur cee sore qu es connecée à l uné de sockage d énerge. a lme en enson es mposée par le neau de enson maxmal que peu admere la echnologque UMC 80 nm. Commandes Sore Module PV Sore 2 Fgure IV-3 : e flre de pussance. En consulan les données des fabrcans d nducances dsponbles dans le commerce, nous aons chos une nducance de TAIYO YUDEN CBC3225T220K ANNEXE 3. Cee nducance de 22 µh possède une réssance nerne de 0.27 Ω e perme le passage d un couran maxmum de 620 ma. Sa fable réssance nerne perme de lmer les peres résses sur le chemn de pussance e sa lme de couran es suffsane s-à-s des courans maxmum que nous aons pu obserer dans le modèle du sysème de geson d énerge smulé dans le rosème chapre du manuscr cf. Chapre III es ranssors de pussance e les drers assocés a Opmsaon de la alle des ranssors de pussance A parr du modèle Malab/Smulnk du sysème e des caracérsques de l nducance que nous aons chose, nous nous sommes fxés dans le chapre précéden une fréquence de 37

138 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge fonconnemen de 200 khz. Nous aons effecué des smulaons élecrques aec le smulaeur Eldo afn de déermner la alle opmum permean de mnmser la pussance saque e dynamque consommée pour un fonconnemen à 200 khz. Nous aons racé le rendemen obenu pour les ranssors de pussance en foncon de leur largeur pour dfférenes pussances ransférées fgure IV-4. Ces pussances corresponden aux pussances maxmales aenes par le sysème de geson d énerge pour dfférens cas d rradance 0 msun, 30 msun, 00 msun, 300 msun e Sun. Nous obserons sur la fgure IV-4 que pour une largeur de 3 mm, nous obenons un rendemen de ransfer de pussance supéreur à 90% sur l ensemble de la gamme de pussance. es lmaons lées aux aures blocs ne permeron pas d aendre un melleur rendemen effcacé de la méhode de MPPT ec.., l n es donc pas nécessare d aor des ranssors plus larges qu augmeneraen le coû du crcu augmenaon de la surface du crcu. Nous aons donc chos de mere en œure des ranssors de pussance aec une largeur W de 3 mm Grand W e une longueur de 0.28 µm. a réssance nerne ON des ranssors obenue es de 0.8 Ω pour les ranssors de ype N NMOS, e de.8 Ω pour les ranssors de ype P PMOS. η % 0mSun 30mSun 00mSun 300mSun Sun Grand W P Fable W e e3.0e4.0e5.0e6 W µm Fgure IV-4 : Varaon du rendemen du flre de pussance en foncon de la largeur W des ranssors de pussance pour dfférenes pussances ransférées. Pour les fables pussances cas où le sysème fonconne aec un fable rappor cyclque, la consommaon dynamque des ranssors deen prépondérane sur la consommaon saque. a largeur opmale des ranssors es la aleur la plus fable permean d une par de conserer les 90% de rendemen du flre de pussance e d aure par de mnmser l énerge nécessare à son conrôle. Nous aons chos d ulser des ranssors aec une largeur W de 350 µm Fable W e une longueur de 0.28 µm. 38

139 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge a largeur opmale des ranssors de pussance es donc de 3 mm dans le cas de fors éclaremens, e de 350 µm dans le cas de fables éclaremens. Afn que le crcu so effcace sur l ensemble de la gamme de pussance, c'es-à-dre que l énerge dsspée so mnmum dans chaque condon d ulsaon, nous aons chos de segmener les ranssors de pussance aec ces deux largeurs. e sysème ace les ranssors larges dès que le rappor cyclque dépasse la aleur de 0.07, en dessous de cee aleur ce son les ranssors éros qu corresponden au melleur comproms enre les peres saques e dynamques. b es drers des ranssors de pussance e les «leel shfer» Pour ploer les ranssors de pussance, nous aons beson de drers. Ces drers son une nerface nécessare enre l horloge de commande e les ranssors de pussance. En effe, comme l horloge es créée à l ade de ranssor possédan des alles mnmales pour lmer la consommaon, ceux-c ne son pas drecemen capables de fournr les charges nécessares à la commuaon des ranssors de pussance. Ces drers son dmensonnés de manère à charger e décharger les capacés équalenes des ranssors de pussance en mons de 0 ns. De plus, comme ous les blocs généran les horloges de commande son almenés à une enson plus fable que la enson de la «Sore 2» fgure IV-3 qu es connecée à l uné de sockage, nous deons mere en œure des blocs permean de ransposer ces commandes à cee enson plus éleée. Ces blocs, nommés «leel shfer», son ndspensables pour éleer la enson de commande. c Consommaons des drers e des ranssors de pussance Nous aons dsngué les deux confguraons possbles : une premère où seul les ranssors éros son acés e une deuxème où les ranssors de pussance larges son acés. Ces deux confguraons corresponden respecemen au cas où l y a de fables rradances ranssors éros acés e au cas où l y a de fores rradances ranssors larges acés. Nous aons effecué une esmaon de la consommaon engendrée par la commuaon de ces ranssors de pussance à 200 khz, grâce à la formule III-3 présenée au chapre III cf. Chapre III 3. a Peres e rendemens en conducon dsconnue. Nous aons ans esmé la pussance nécessare à la charge de la capacé équalene des ranssors de pussance à la fréquence de 200 khz. Nous aons égalemen effecué des smulaons élecrques pour mesurée les consommaons dans les deux cas d rradance. e ableau IV-2 nous perme d obserer la correspondance enre les aleurs esmée e celles obenues grâce au smulaeur Eldo. Nous obenons une consommaon de l ordre de 3 µw dans le cas d une rradance fable e de 9 µw dans le cas d une rradance fore. Blocs Consommaon moyenne à 200kHz fable rradance fore rradance Drers & Esmée 30 nw 933 nw ranssors de pussance Smulaons Eldo 3364 nw 8928 nw Tableau IV-2 : Consommaon pour les deux domanes d rradance. Nous aons conçu un sysème de geson d énerge, qu adape sa consommaon en foncon de la quané d énerge délrée par le module PV. e flre de pussance du 39

140 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge sysème de geson d énerge possède des ranssors de pussance segmenés permean d aendre une pussance consommée de seulemen 3 µw pour les cas de fables rradances au leu des 9 µw nécessares sous fores rradances. 3.2 a dode sans seul Pour un fonconnemen du conersseur en mode de conducon dsconnue, l fau une dode qu bloque ou couran allan ers la source PV. Sous fables rradances, la chue de enson due au seul de la dode prooque une pere mporane de pussance en enrée c es pour cela que nous aons chos de mere en œure une dode sans seul. Une approche es de déecer l annulaon du couran de l nducance pour sopper le ransfer d énerge. Il exse dfférenes méhodes pour déecer l annulaon de ce couran comme nous l aons u dans le chapre II cf. Chapre II, 2.4 Mesure de pussance. Nous aons chos de conceor une dode ace fgure IV-5 : on place un ranssor NMOS en sére enre la source PV e l nducance, la grlle de celu-c es commandée par un comparaeur connu C qu compare la enson de la source PV e du dran du ranssor NMOS, déermnan ans le sens du couran qu le raerse. Dès que le comparaeur déece un couran négaf le ranssor es ouer le couran es soppé, de même dès que celu-c redeen posf le ranssor es fermé permean le passage du couran aec un seul nul. Un comproms es nécessare enre le emps de réponse du comparaeur e l énerge consommée. En effe, nous deons permere au drer D de commuer rapdemen le ranssor NMOS mas aec une pere de pussance nféreure à celle obenue aec une dode classque. IN C D NMOS IN- Vdd ogque Nmos Pmos Pmos2 IN- M dff- M sw V cd_on M 0 bas V dd M dff IN V cd bas Vdd M 2 bas M sw V cd_on M sw2 OUT V cd_on V cd V cd_on M 3 M 5 M 4 M V cd_on Dmensons Transsor M sw M sw M sw2 M 0 M M 2 M 3 M 5 M dff- M dff W nm nm Fgure IV-5 : Schéma de la dode sans seul e de son comparaeur C. Pour lmer la consommaon du comparaeur sans augmener son emps de réponse nous aons chos d acer le comparaeur unquemen lors des phases où le couran peu êre négaf, c'es-à-dre pendan la décharge de l nducance. ors du cycle de charge de l nducance le comparaeur es désacé e le ranssor NMOS es forcé à l éa fermé le 40

141 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge couran es passan aec un seul nul. Pour cela, on modfe la enson de polarsaon V cd du ranssor M 2 pour forcer la sore à l éa hau fgure IV-5. Pour mémorser la aleur de la sore du comparaeur e la manenr pendan qu l es désacé, on ulse une bascule S. Dès que le comparaeur a déecé le passage d un couran négaf, celu-c oure le ranssor NMOS, mémorse l éa de la sore e se désace jusqu'au prochan cycle I V G 0.8 V ma Déecon en 5 ns µs Fgure IV-6 : Sgnaux de commande de la dode sans seul e couran de l nducance. Nous aons smulé la dode ace aec le flre de pussance comple. Nous pouons obserer sur la fgure IV-6 une déecon rapde de l annulaon du couran I par la dode ace aec un emps de réacon de 5 ns. a dode ace se bloque dès que le couran s annule, empêchan ou couran négaf au sen de l nducance. I V G V V OUT V PV V OUT V IN =V PV 5.6 mv de chue de enson ms Fgure IV-7 : Tensons à l enrée e à la sore de la dode ace. es ensons d enrée V IN e de sore V OUT de la dode ace son représenées sur la fgure IV-7. Nous pouons obserer que la dode ace fonconne aec une rès fable chue de enson. A re d exemple, la chue de enson mesurée es de l ordre de 5.6 mv pour une enson du module PV de 800 mv. es méhodes de geson d énerge mses en œure nous permeen de lmer le fonconnemen des blocs de la dode ace aux seuls momens où le couran es suscepble de s annuler. Nous aons ans pu rédure la pussance consommée e 4

142 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge aendre une consommaon moyenne de seulemen 60 nw aec une consommaon pc de 350 nw ableau IV-3. Dode Temps de réponse Chue de Tenson Consommaon moyenne ace 5 ns 5.6 mv 60 nw Tableau IV-3 : Performances de la dode ace. 3.3 e shun proecon conre la surenson Pour lmer la enson en sore du sysème nous aons besons d un bloc permean de ne pas nerrompre la récupéraon d énerge ou en assuran une enson lme de 3.8 V. e bloc que nous aons réalsé ulse deux seuls de enson, un premer nféreur à 3.8 V acan la déaon de l énerge récupérée en surplus ers la masse, e un deuxème seul à 3.6 V arrêan le bloc e la déaon de l énerge récupérée. Nous ulsons deux seuls de enson pour garder une marge de sécuré. En effe, nous oulons nous assurer que malgré les araons echnologques e celles des condons d opéraon empéraure, araon des neaux de enson la enson de seul maxmale sera oujours srcemen nféreure à 3.8V. es seuls de enson son réalsés à parr de seul de dode proenan de ranssors monés en dode. Dès que le seul de enson es aen, le poenel du nœud A fgure IV- 8 es modfé enraînan par cascade l acaon du ranssor de shun qu crée un chemn de pussance ers la masse. De plus, le bloc ransme le sgnal de commande du ranssor de shun en sore Sgnalshun pour nformer le conrôleur qu une pare de l énerge récupérée n es pas ulsée. V OUTBATT Transsors monés en dode M s0 V d0 M s V M s2 d M s3 M s4 V d0 V d V d2 V d3 Shun36 Sgnalshun Transsor de shun V d2 V d3 V d4 M s5 V fromcap V d0 V d V d2 V d3 V d4 M s6 A C s0 V d3 M s7 M s8 V d2 V d0 V d2 V d0 M s9 Sgnalshun C s Fgure IV-8 : Schéma du Shun. e bloc Shun perme ans de poursure la récupéraon phooolaïque au MPP. e crcu de conrôle du mcrosysème peu ans redrger l énerge proenan du module PV ers une nouelle charge. 42

143 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge a smulaon du Shun nous a perms de mesurer une consommaon en elle de seulemen 20 na ableau IV-4 qu es néglgeable sur la consommaon du sysème. Shun Seul max. Couran max. déé Consommaon 3.77 V ma 20 nw en elle Tableau IV-4 : Consommaon en elle du bloc Shun. 3.4 e DTC : Dead Tme Conrol ogc e bloc DTC perme de générer les horloges non recouranes qu commanden les ranssors de pussance en modfan le sgnal de commande de ype PWM en foncon de l éa de la sore du bloc de régulaon de la enson de sore du sysème e de l éa de la dode sans seul. PWM PWMn Clk_Nmos Généraon du emps mor PWMDelay gnes à reards PWM DodeAce Comp_hys ogque Acaon de la sore ou 2 Clk_Pmos Clk_Pmos2 Fgure IV-9 : Généraon du emps mor dans le DTC Dead Tme Conrol ogc. e fonconnemen es le suan : le sgnal de commande de ype PWM es modfé à l ade de deux lgnes à reards fgure IV-9 créan deux nouelles horloges où les basculemens son espacés d un emps mor de 0 ns PWMn, PWMDelay. Ce emps mor perme d éer les cours-crcus ans que les peres d énerge e les dégradaons du sysème cf. Chapre III. es ranssors de pussance on ans le emps de s ourr e de se fermer sans qu ls ne soen, à aucun momen, smulanémen dans un éa fermé. Par conre, ce emps mor ne peu êre plus long, sans quo les poenels aux bornes de l nducance rsquen de s éleer, d engendrer une pere de pussance e de déérorer les grlles des ranssors. En effe, la smulaon du doublemen du emps mor nous a monré une pere de rendemen de 60%. Enfn, suan la aleur proenan du comparaeur à hyséréss le bloc commande le ranssor de pussance de l un ou l aure chemn de pussance Clk_Pmos, Clk_Pmos2. es smulaons du bloc DTC nous on perms de mesurer une consommaon moyenne de 55 na pour des emps mor éoluan enre 6 e 9 ns ableau IV-5. 43

144 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge DTC Temps mor Consommaon à 200kHz 6-9 ns 55 na Tableau IV-5 : Performances du bloc DTC. 3.5 Fonconnemen global du flre de pussance Nous aons smulé le flre de pussance e le bloc permean sa régulaon pour une rradance de 0 msun. e bloc de régulaon éan raé dans un paragraphe suan cf. 5. es blocs permean la régulaon du sysème, nous nous sommes focalsés sur le fonconnemen des ranssors de pussance, de la dode sans seul e du bloc DTC. 0 m Chargemen 8 m de l nducance 6 m A 4 m 2 m 0 m I I Déchargemen de l nducance Blocage du couran de l nducance V ns V GATENMOS V GATEDIODE V GATEPMOS2 V GATENMOS V GATEPMOS V GATEDIODE V GATEPMOS V BAT V V OUTBATT Fgure IV-0 : Smulaon du flre de pussance. ms a fgure IV-0 représene les résulas de la smulaon du couran de l nducance I, des sgnaux de commande des ranssors de pussance V GATENMOS, V GATEPMOS e V GATEPMOS2 e de la enson de la deuxème sore du sysème V BAT. On obsere sur cee fgure un décalage enre la commande du ranssor de pussance Nmos e celle du Pmos2. En effe, le ranssor Nmos V GATENMOS es fermé 9 ns après l ouerure du Pmos2 e l es ouer 6 ns après la fermeure du Pmos2 V GATEPMOS2. On remarque égalemen que la dode sans seul es ace V GATEDIODE pendan le chargemen e le déchargemen de l nducance à la sue duquel elle manen un couran I nul au sen de l nducance jusqu au prochan cycle de charge. Enfn, on sualse le ransfer d énerge de la source phooolaïque ers la deuxème sore du sysème. En effe, on obsere une éléaon de la enson V BAT de la capacé de ce chemn de pussance lors de la fermeure du ranssor Pmos2. 44

145 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Ces smulaons nous on perms de alder le fonconnemen du flre de pussance, an au neau des commandes des ranssors de pussance Nmos, Pmos e Pmos2 qu au neau de la déecon de l annulaon du couran de l nducance par la dode sans seul. a consommaon globale à ce sade de l éude es de 3.6 µw dans des condons de fable rradance 0 msun. 4. e bloc pour la méhode du MPPT e bloc de la méhode du MPPT Maxmum Power Pon Trackng perme d esmer l éoluon de la pussance délrée par le module PV à parr des mesures des araons de la enson subes par le module PV en foncon du rappor cyclque du conersseur. e bloc déermne le rappor cyclque opmal fasan fonconner le module PV au plus proche de son pon de pussance maxmale MPP. Pour déermner le rappor cyclque qu perme au module PV d êre le plus proche du MPP nous aons conçu ros sous-blocs qu on les foncons suanes fgure IV- : - le premer déermne le sens de la araon de la pussance en foncon de l éoluon de la enson du module PV, - le second déermne le noueau rappor cyclque numérque, - le rosème génère le sgnal de commande de ype PWM possédan le rappor cyclque opmal déermné par le bloc précéden. Bloc du MPPT HorlogeMPPT Sgne de V PV V PV V PV2 M Comparaeur SgneVarP PV ese MemUpDown Clk_MEME4 SgneVarP PV Généraon de α ogque Compeur/ Décompeur => Noueau rappor cyclque SgneVarα Q0 Q Q2 Q3 Q4 Horloge200kHz Q5 Q6 Q0 Q Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 ogque PWM PWM arge/ero V PV GND Echanllonnage de V PV => V PV => P PV => PWM Fgure IV- : e bloc permean d effecuer le MPPT. Pour rappel, la méhode du MPPT mse en œure ulse une foncon objece de la pussance du module PV consuée par la dérée de la enson du module PV en foncon du rappor cyclque [PAN 2007]. Nous ulsons une gamme de aleurs de rappor cyclque fxe. Nous aons défn une aleur mnmale e maxmale du rappor cyclque permean d aendre le MPP e de répondre aux rradances les plus fables 5 msun jusqu aux plus fores. a méhode du MPPT ulse de smples réseaux de capacés e des comparaeurs lachés pour déermner l éoluon de la araon de la enson du module PV. Cec perme à la source PV de raaller près du MPP ou en ne consomman qu une fable pare de la 45

146 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge pussance délrée comparée aux méhodes de l éa de l ar. Ms à par l exncon ou l allumage d une source arfcelle ou la modfcaon de la ransmsson par un obsacle nrodu par un opéraeur manpulaon de sores, ombrages, les phénomènes responsables de la araon de l énerge ncdene sur la source phooolaïque son rès lens. Nous aons chos de déelopper un algorhme de MPP fonconnan à une fréquence de 3 Hz. Cec nous perme d aor une marge de sécuré sur le emps de réponse du sysème de geson d énerge qu comme nous l aons u au rosème chapre ne peu supporer qu une fréquence nféreure à 20 Hz cf. Chapre III 5. b Eoluons de la enson du module PV pour dfférens cas d rradance. 4. Esmaon de la araon de P PV er sous-bloc Dans nore archecure, le premer sous bloc déermne la araon de la pussance du module PV à parr des araons mesurées sur la enson du module PV en foncon des araons mposées au rappor cyclque du sysème de geson d énerge. a Mesure de l éoluon de la dérée de V PV en foncon du rappor cyclque Pour mesurer la araon de la enson du module PV en foncon du rappor cyclque nous aons ulsé un réseau de capacés fgure IV-2. Ce réseau es composé de quare capacés denques C, C 2, C e C 2 commandées par ros horloges : HorlogeNew H, HorlogeOld H2, e HorlogeMeme H3. Fgure IV-2 : e réseau de capacés ulsé. A l ade de ce réseau de capacés nous mémorsons la enson du module PV à dfférens nsans. e premer sous-réseau es consué des capacés C e C 2 e perme d obenr la dfférence de enson V PVnew - V PVold. e deuxème sous-réseau es consué des capacés C e C 2 e perme d obenr l opposé de la dfférence précédene so V PVold - V PVnew. Nous aons beson de ces deux sous-réseaux pour déermner la araon absolue de V PV. Nous allons présener en déals le fonconnemen du premer sous-réseau donnan la araon de la enson dans le cas d une enson V PV crossane. Tou d abord, la aleur de la enson de la source PV es échanllonnée V PVold e manenue aux bornes d une capacé C H=, fgure IV-3a. éape suane es la modfcaon du rappor cyclque. Après un emps d éablssemen, nécessare au sysème, la enson de la source PV es une nouelle fos échanllonnée V PVnew e manenue dans une seconde capacé C 2 H2=, fgure IV-3b. es deux capacés, C e C 2 son enfn nerconnecées pour déermner la enson 46

147 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge dfférenelle V PV = V PVnew - V PVold H3=, fgure IV-3c. H= H2= 0 H3= 0 H= 0 H2= H3= 0 H= H2= 0 H3= a b c Fgure IV-3 : es dfférens éas du premer sous-réseau de capacés. a mémorsaon de V PVold, b mémorsaon de V PVnew c ransfer de charge, obenon de V PV Dans nore archecure, nous aons ms en œure deux réseaux pour obenr la aleur absolue de la dfférence des ensons du module PV pour deux changemens de rappor cyclque successfs. Chaque réseau nous fourn respecemen la dfférence absolue de la enson du module PV pour le premer V PV e le second V PV2 changemen de rappor cyclque quelle que so l éoluon de la enson du module PV crossane ou décrossane. Ces deux aleurs absolues son ransmses à un comparaeur laché qu déermne le sens de araon de P PV fgure IV-4. V PV V dd V PV2 Sgne de P PV Fgure IV-4 : e comparaeur laché. Pour amélorer les performances du comparaeur laché ou en dmnuan sa consommaon, on a ajoué aux sous-réseaux une enson de mode commun égale à la enson d almenaon du comparaeur V dd. Après le ransfer de charges enre les capacés C e C 2, une enson d équlbre V Toal, défne par l équaon IV-, es obenue en sore du sous-réseau V PV, fgure IV-3. Démonsraon déallée : Nous fasons l hypohèse que la enson V dd es sable enre deux échanllonnages de V PV.Soen les quanés de charges Q e Q 2 présenen respecemen dans les capacés C e C 2 : Q = C V mc VPV e Q 2 = C2. VPV 2 Q Toal = C Vmc VPV C2. VPV 2 aec Q Toal = Q Q2 Comme C = C2 = C nous aons : Q = C V V V Toal mc PV PV 2 Or V = Q / C e C Toal = 2C d où V Toal Toal Toal Nous obenons fnalemen : V Toal ach Toal C V V V mc PV PV 2 = 2C Vmc VPV 2 VPV = IV- 2 47

148 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Cee enson V Toal correspond ben à V PV = V PVnew - V PVold à laquelle une enson V mc a éé rajouée. On a ans en enrée du comparaeur une enson proche de V dd /2. Pour alder ce bloc, nous aons reprodu les araons que subra la enson du module PV en foncon des changemens de rappor cyclque. Nous aons smulé le bloc au neau élecrque aec le smulaeur Eldo en boucle ouere pour érfer l échanllonnage des araons de enson. Nous aons ulsé des capacés de 200 pf pour éer l effe des fues sur la quané d énerge oale sockée. a fgure IV-5 représene les horloges d échanllonnage des araons de enson V PV, V PVn, V PV2 e V PV2n ans les aleurs échanllonnées. Varaon de la enson V PV V PV Horloges du réseau de capacés H2_ H_ Echanllonnage de V PVold H Echanllonnage de V PVnew H2 Changemen du rappor cyclque Top_VarDuy H2_2 H_2 Inerconnexon des capacés H3 H3_ H3_2 es dfférences : V PV, V PVn, V PV2 e V PV2n V PV2 V PV2n V PV2 V PV2n V PV V PVn V PV V PVn Fgure IV-5 : es sgnaux du réseau de capacés. D après la fgure IV-5 nous obenons une chue de enson sur la premère aleur échanllonnée V PVold nféreure au mllol. 48

149 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge b Déermnaon du sgne de la araon de P PV Ce deuxème sous-bloc déermne le sgne de la araon de P PV à parr de l éoluon de V PV. En effe, d après la méhode de MPPT, quand V PV croî aec le rappor cyclque, la pussance croî égalemen. Pour lmer le nombre de comparasons enre V PV, V PVn, V PV2 e V PV2n, nous aons déeloppé un bloc permean la sélecon e la comparason des seules aleurs absolues. Grâce à deux premères comparasons effecuées par les comparaeurs ICompV&In e ICompV2&In le bloc de sélecon es décr en ANNEXE 5, nous déermnons les ensons qu corresponden aux aleurs absolues. Nous effecuons ensue la comparason des deux aleurs absolues à l ade d un comparaeur laché. Parm l ensemble des possblés de comparason enres les dfférenes ensons, seul le comparaeur laché ayan à ses enrées les aleurs absolues es acé. e sgne de la comparason es par la sue mémorsé dans le bloc IMemoreSgnVarPV, donnan ans le sgne de la araon de la pussance délrée par le module PV. Nous aons aldé ce bloc grâce à une smulaon en boucle ouere où nous aons reprodu les araons que subra la enson du module PV. Nous sualsons sur la fgure IV-6 les échanllonnages des araons de la enson du module PV ans que le sgne de la araon de la pussance esmée par la méhode de MPPT. Varaon de la enson V PV V 3 V 5 V 7 V V 2 V 4 V 6 Déclenchemen du bon comparaeur laché es dfférences V V PV, V PVn, V PV2 e V PV2n V 3 V 2 V 4 V 5 V 6 V 7 Horloges pour les réseaux de capacés V PV V n V 2n _Vald V n V 2 _Vald V V 2n _Vald V V 2 _Vald V PV V PVn V PV2 V PV2n H2_2 H_2 Top_VarDuy H2_ H_ Sgne de la araon de P PV SgnVarP PV Fgure IV-6 : Sgne des araons de la pussance délrée par le module PV esmées par la méhode de MPPT. 49

150 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge a fgure IV-6 représene les échanllonnages des araons de la enson du module PV ans que le sgne de la araon de P PV obenu par la méhode de MPPT. es horloges des réseaux de capacés son égalemen représenées pour fare apparaîre les domanes de aldé des dfférences échanllonnées V PV, V PVn, V PV2 e V PV2n. horloge mposan le changemen du rappor cyclque lancée par le sgnal Top_VarDuy es égalemen affchée pour érfer que le sgne de la araon de P PV es correc à ce nsan. Nous pouons sualser sur la fgure IV-6 les sgnaux aldan les comparaeurs lachés. Ces sgnaux permeen de séleconner le seul comparaeur ayan les aleurs absolues V PV e V PV2 à ses enrées. a sore de ce comparaeur nous perme d obenr le noueau sgne de la araon de la pussance P PV pour une fable consommaon d énerge. es smulaons élecrques de ce premer bloc on perms de mesurer une consommaon moyenne de 87 na e une consommaon pc de 2.5 µa pour une fréquence de fonconnemen de la méhode de MPPT de 3 Hz. Nore sysème es capable de déermner le sgne de la araon de la pussance P PV délrée par le module PV, quelle que so l éoluon de la enson du module. En effe, cee enson peu croîre ou décroîre ndépendammen de la araon de la pussance P PV délrée. 4.2 Généraon du noueau rappor cyclque 2 e sous-bloc Dans nore archecure, ce second sous-bloc perme de déermner la araon à effecuer sur le rappor cyclque pour que celu-c nduse le maxmum de araon sur la enson du module phooolaïque. Pour cela, nous fasons arer le rappor cyclque aec un pas consan. Ce rappor cyclque correspondra alors à la aleur pour laquelle le module phooolaïque délrera le maxmum de pussance pour une rradance e une empéraure données. Ce bloc es lu-même consué de deux sous-blocs fgure IV-7. e bloc CounerUp&Down perme de générer a un compeur/décompeur la nouelle aleur de rappor cyclque. e bloc MPPT_ogc perme quan à lu de déermner la prochane araon à mposer au rappor cyclque en foncon des éas précédens du sysème. On rappelle que le sgne de la araon du rappor cyclque ne do êre modfé que s le sgne de la araon de la pussance P PV es négaf. Top_VarDuy MemUpDown Clk_MEME4 SgnVarP PV ese Cerf UpDownOu CounerUp&Down Compeur/ Décompeur MPPT_ogc ogque UpDownOu Q0 Q Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Cerf SgnVarDuyCycle Fgure IV-7 : Bloc généran le noueau rappor cyclque. 50

151 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge e sysème mémorse à chaque fron monan de l horloge Clk_MEME4 la nouelle aleur du sgne de la araon du rappor cyclque SgnVarDuyCycle donnée par l équaon logque IV-2. SgnVarDuyCycle SgnVarP UpDownOu SgnVarP UpDownOu = IV-2 PV PV Suan le sgne roué, nous ncrémenons ou décrémenons le compeur/décompeur pour générer le noueau rappor cyclque. Cee donnée numérque es ransmse au bloc généran l horloge de ype PWM pour ploer le module PV au plus proche du MPP. Pour le bon fonconnemen de la méhode de MPPT nous aons du borner le compeur/décompeur e nerdre à celu-c de passer de la dernère aleur à la premère e ce ersa. En effe, la méhode du MPPT nécesse qu une araon du rappor cyclque so mposée à chaque fos pour déermner la araon de pussance sube par le module PV e défnr la prochane araon du rappor cyclque ANNEXE 6. Nous aons smulé le bloc en boucle ouere de la même manère que pour le sousbloc précéden. a fgure IV-8 représene la araon du rappor cyclque en foncon des araons esmées de la pussance P PV e du sens précéden de la araon du rappor cyclque. Ces araons corresponden ben à ce qu on aend de la méhode de MPPT, à saor une nerson du sens de araon du rappor cyclque dès que l éoluon de la pussance esmée es négae. Varaon de la enson V PV V PV Sgne de la araon de P PV Sgne de la araon du rappor cyclque Top pour le noueau rappor cyclque SgnVarP PV Inerson SgnVarDuyCycle Top_VarDuy Q0 Q Q2 Q2 Q3 Q4 Q5 Fgure IV-8 : Eoluon du rappor cyclque suan l éoluon de V PV. 5

152 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge es smulaons élecrques de ce bloc on perms de mesurer une consommaon moyenne de seulemen 6 na pour une fréquence de fonconnemen de la méhode de MPPT à 3Hz. 4.3 Généraon du sgnal de ype PWM 3 e sous-bloc Ce derner sous bloc génère le sgnal de ype PWM qu commande les ranssors de pussance du flre de pussance. e sgnal es généré de manère à obenr le rappor cyclque déermné par le bloc précéden. e bloc reço en enrée une horloge générée par un oscllaeur à relaxaon. horloge réalsée dans la echnologe UMC 80 nm délre un sgnal aec une fréquence comprse enre 390 khz e 45 khz e consomme enre 200 na e 300 na suan la enson d almenaon aran de 0.9 V à.5 V e la empéraure gamme de 0 C à 60 C. horloge es ans fonconnelle dès l acaon du module PV ndépendammen de la régulaon de la enson de sore du sysème. a fréquence de l horloge es dsée par deux par l nermédare d une bascule pour aor une bonne mse en forme de l horloge à 200 khz. A parr de cee horloge, le bloc génère un sgnal de commande de ype PWM aec un rappor cyclque qu are de 0.02 pour une aleur mnmum d rradance de 5 msun à 0.6 pour une aleur maxmum d rradance de 0.8 Sun. a généraon du sgnal de commande de ype PWM s effecue à l ade de lgnes à reards. Pour dmnuer la consommaon due au grand nombre de lgnes à reard, nous aons déeloppé des pores logques de ype nerseuses don le couran peu êre modulé de manère numérque afn d aor une modulaon du emps de ransfer fgure IV-9. a modulaon du emps de ransfer es obenue à parr de la araon de la enson d almenaon. Fgure IV-9 : Modulaon du emps de ransfer. e bloc génère, par l nermédare de ses lgnes à reards, quare-ng-seze rappors cyclques dfférens aec des reards allan de 00 ns à 3 µs. Nous aons découpé l espace des rappors cyclques en deux sous groupes cf. Chapre III 5. c Effcacé de la méhode du MPPT : un premer espace de soxane-quare aleurs allan de 0.02 à 0.24 e un deuxème espace pour les fores rradances de rene-deux aleurs allan de 0.26 à 0.6. e pas du rappor cyclque es de / so un dela de 24.5 ns sous fables rradances, e de / so un dela de 7 ns sous fores rradances. Nous aons smulé les dfférenes aleurs numérques possbles du rappor cyclque. On a représené sur la fgure IV-20 l éoluon de l horloge générée. On obsere qu à chaque nsan, l horloge possède ben le rappor cyclque correspondan à la aleur numérque souhaée. 52

153 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Sgnal numérque du rappor cyclque Commande PWM générée Q0 Q Q2 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 PWM_Tes Fgure IV-20 : a généraon de l horloge de ype PWM. Nous aons consué aec ces ros sous-blocs le bloc de MPPT comple. Nous créons ans l horloge de ype PWM la meux adapée à l rradance reçue par le module PV. e bloc de MPPT ne consomme que 900 na pour un fonconnemen à 3 Hz ableau IV-6. MPPT Précson Fréquence mv 3 Hz apor cyclque D De à 0.66 Pas D<0.245 Pas D>0.245 Consommaon moyenne / / na Tableau IV-6 : Performances du bloc MPPT. Ce résula a pu êre obenu grâce, d une par à la mse en œure d une méhode de MPPT ne nécessan que peu de calculs, e d aure par à l ulsaon de réseaux de capacés. En effe, cee archecure perme d obenr les aleurs absolues des araons de enson du module PV aec une fable consommaon. 53

154 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 5. es blocs permean la régulaon du sysème a régulaon des deux ensons de sore du sysème de geson d énerge es effecuée à l ade du bloc «PPM» fgure IV-2. Il ulse deux ensons de référence fournes par un crcu BandGap e un comparaeur à hyséréss. e comparaeur à hyséréss perme de déermner la dsrbuon de l énerge enre les deux chemns de pussance de sore. Uné de conrôle 5. e BandGap Sore Fgure IV-2 : e bloc PPM Power Pah Managemen. e BandGap fourn deux ensons de référence, une premère à 600 mv pour permere la régulaon de la enson de sore du sysème à.2 V e une seconde à 375 mv pour permere la régulaon de la enson de sore du sysème à.5 V. es propréés des composans élecronques d un crcu peuen changer suan la empéraure de fonconnemen. Un crcu BandGap, appelé auss référence de enson, génère une enson V ref d amplude ndépendane de la empéraure grâce à la combnason des propréés des ensons PTAT Proporonal To Absolue Temperaure e CTAT Complemenary To Absolue Temperaure fgure IV-22 e équaon VI-3. Fgure IV-22 : Tenson PTAT e CTAT [GO 2005]. Aec : V ref = K V PTAT V CTAT IV-3 Cec peu êre réalsé en compensan le coeffcen de empéraure négaf V BE -2 mvk - d un ranssor bpolare, par le coeffcen de empéraure posf du poenel hermodynamque V T cf. équaons VI-4 e VI-5. V ref = K V T V BE IV-4 54

155 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge k. T Aec : V T = IV-5 q Aec : k la consane de Bolzmann, T la empéraure en Keln e q la charge de l élecron. A empéraure ambane V T mv.k -. K es un paramère de gan qu l fau ajuser pour obenr la compensaon souhaée. On parle de référence «BandGap» parce que la enson V ref ans obenue enron.25 V es rès proche de la enson de bande nerde Band-Gap du slcum. a Archecure reenue Dans nore cas, la enson d almenaon du crcu de ype BandGap es comprse enre 0.9 V e.5 V. a enson d almenaon peu donc êre, dans cerans cas, nféreure à la enson que délre habuellemen un crcu de ype BandGap V BG =.25 V. Nous aons donc cherché une archecure de crcu de ype subbandgap permean de délrer deux ensons de référence V BG = 600 mv e V BG2 = 375 mv nféreures à la enson de référence habuelle d un crcu de ype BandGap. Ces deux ensons de références nous permerons, suan le chox de l ulsaeur, de réguler la sore du sysème de geson d énerge à une enson de.2 V ou à une enson de.5 V cf. Chapre III 2.2 b e sysème de geson d énerge proposé. Nous nous sommes appuyés sur des archecures connues de subbandgap [WA 2000, MA 200, AS 2002, OS 2006, IA 2006]. Nous aons réalsé le crcu de ype BandGap aec le schéma représené sur la fgure IV-23. V dd M P M P2 M P3 V a OTA V c V b 2 2 V BG 0 n 3 V BG2 V BE V BE2 2 T T 2 2 Aec N ranssors T 2 en parallèles Fgure IV-23 : Schéma de l archecure du BandGap. 55

156 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge b Fonconnemn du BandGap amplfcaeur opéraonnel mpose des ensons V a e V b égales, on oben ans les mêmes courans au raers des branches des ranssors M P e M P2. Par conséquen, on peu exprmer e 2 en foncon de V BE e V BE2. e mror de couran nous perme d obenr dans la branche de sore une cope de la somme des courans e 2. e crcu fourn ans une enson V BG fxe en sore dépendane de V BE e V BE2 cf. équaon IV-9. Démonsraon déallée : On exprme les courans e 2 en foncon de V BE e V BE2 : V V V ln N BE 2 T = BE = IV V BE = IV-7 2 Sachan que le mror de couran nous fourn sur la branche de sore 2 : On oben donc : BG V BG = 3 2 IV = ln N VT VBE 2 0 V IV-9 e rappor 3 / 2 nous perme de fxer une enson de sore V BG nféreure à V. a compensaon des coeffcens en empéraure de V T e V BE es assurée par le chox de la aleur de N e le rappor 2 / 0 qu doen sasfare l équaon IV-0. CTAT PTAT 2mV. K 0.085mV. K = = 0 2 ln N = IV-0 Pour que la enson de référence V BG so sable en empéraure, nous deons chosr, 2, O e N el que CTAT/PTAT e crcu de ype BandGap présene deux pons de fonconnemen. En plus du précéden où V BG =0.6 V, l exse égalemen le pon parculer où V BG =0 car V a =V b =0. Pour éer que le sysème ne se bloque au pon de fonconnemen où V BG =0, nous aons fxé les poenels V a e V b à des aleurs non nulles au démarrage. Pour cela, nous aons ajoué au crcu précéden un crcu de démarrage représené sur la fgure IV

157 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge V dd C M P2 M P3 M P4 V bas M P V a V b M N M N2 M N3 Fgure IV-24 : Schéma du crcu de démarrage du BandGap. Nous allons décrre le prncpe de fonconnemen du crcu de démarrage. A l éa nal, oues les ensons son nulles e l nerseur es donc éen. orsque V dd arre à sa aleur nomnale.5 V, la capacé es déchargée, nous aons alors.5 V en enrée de l nerseur e donc 0 V sur la grlle de M P. M P se me alors en conducon, de même que M N2, M N3, M P2, M P3 e M P4. Nous aons alors les ensons V a e V bas qu augmenen jusqu à aendre leur aleur de fonconnemen. e ranssor M N es oujours bloqué pusque V b =0. V bas aegnan sa aleur, l OTA 36 fgure IV-23 se me en roue e mpose V a =V b. Cec enraîne la mse en conducon de M N, la capacé se charge alors, enraînan la mse à zéro de l enrée de l nerseur. a grlle de M P o alors.5 V ce qu le bloque. e couran ne crculan plus dans les ranssors M P, M N2, M N3, M P2, M P3 e M P4, ls ne condusen plus, nous pouons alors consdérer que le BandGap a aen son deuxème pon de fonconnemen V a =V b 0. A parr de là, le crcu de démarrage n nflue plus, e ne consomme plus. Pour lmer au maxmum la consommaon du BandGap, nous aons combné des ranssors à fable enson de seul ype owvt pour lmer les seuls de enson de démarrage e des ranssors sandard pour lmer la consommaon du BandGap. es réssances on éé calculées pour rédure la consommaon dans chaque branche du crcu ou en conseran une araon nféreure à 5 mv sur la enson fourne en sore du BandGap pour une gamme de empéraure allan de 0 C à 60 C e une gamme de enson d almenaon allan de 0.9 V à.5 V. Nous aons smulé au neau ranssor le crcu de ype BandGap aec son crcu de démarrage. Nous aons effecué des smulaons paramérques pour obenr les aleurs opmales des réssances nous permean d obenr la enson de sore la plus sable en 36 OTA : Operaonal Transconducance Amplfer. 57

158 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge foncon des araons de empéraure e de la enson d almenaon. es aleurs opmales des réssances son les suanes : 0 =88 kω, =758 kω, 2 =556 kω, 3 =9840 kω e N=24. Ce qu nous amène à CTAT/PTAT = Nous aons smulé le crcu de ype BandGap pour des empéraures allan de 0 C à 00 C dans le cas de araons echnologques ypques pour la echnologe UMC 80 nm. Nous aons éalué la araon de la enson V BG par rappor à la référence souhaée, sur la gamme de empéraure consdérée 0 C - 60 C aec la formule IV-. V BGmax V BGmn V BGref θ = T en ppm 37 IV- Nous aons releé une araon de 50 ppm/ C, dans le cas ypque. Nous obserons que sur la plage de araon de la empéraure comprse enre 0 C e 60 C, la enson de référence V BG es sable quelle que so la enson d almenaon comprse enre 0.9 V e.5 V. Nous aons égalemen smulé l mpac des dfférens pres cas echnologques sur la enson de sore V BG du crcu de ype BandGap. Ces pres cas echnologques permeen de prendre en compe des araons dues au procédé de fabrcaon qu nfluen sur les ensons de seul des ranssors, la enson d almenaon V dd e la aleur des réssances. Ces pres cas son résumés dans l ANNEXE 7. Nous aons représené sur le graphque de la fgure IV-25 les araons de la enson de sore V BG du crcu de ype BandGap pour les dfférens pres cas. Varaon en ppm enre 0 e 60 C Pres cas Fgure IV-25 : Écar maxmum de enson sur V BG sur la gamme de empéraure [0-60 C] en foncon des pres cas echnologques. 37 ppm : pare par mllon. 58

159 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge a fgure IV-26 représene les résulas de l éoluon de la consommaon du crcu de ype BandGap en foncon de la empéraure e de la enson d almenaon V dd du crcu. P W V dd V T C Fgure IV-26 : Eoluon de la consommaon du BandGap suan la empéraure e la enson d almenaon. Nous obserons sur la fgure IV-26 une consommaon moyenne de 675 na sous.5 V à 27 C. Nore BandGap peu délrer deux ensons de référence, une enson à 600 mv e une enson à 375 mv, permean ans une régulaon à.2 V e à.5 V de la premère sore du sysème de geson d énerge ableau IV-7. BandGap Précson Tensons de références Consommaon moyenne 50 ppm 375 mv e 600 mv 675 na Tableau IV-7 : Performances du BandGap. 59

160 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 5.2 e comparaeur à hyséréss e comparaeur à hyséréss, assocé à la enson de référence fourne par le crcu de ype BandGap, es l élémen prncpal pour la régulaon de la enson de sore. Nous dsposons ans d un sgnal qu nforme le sysème de conrôle des ranssors de pussance du flre de pussance que la enson de sore a aen la aleur de consgne désrée. Nous aons chos un comparaeur à hyséréss pluô qu un smple comparaeur pour éer les possbles rebonds du sgnal de conrôle auour de la consgne. a Archecure reenue Il exse dfférenes façons d nrodure de l hyséréss dans un comparaeur, d une manère générale celle-c es nrodue par l nermédare d un réroconrôle posf. Pour cela on en reboucler la sore du comparaeur sur son enrée non-nerseuse. Il es égalemen possble d ulser deux références, deux comparaeurs e une machne à éa, ou deux références un comparaeur e un mulplexeur [VAN 2006]. Cee soluon n es pas opmale d un pon de ue de la consommaon e de plus l nroducon des réssances n es pas adapée à la concepon négrée nécessan une surface mporane de slcum. Dans la mesure où nous conceons le comparaeur, nous pouons ensager d nrodure drecemen une boucle de reour pose dans le comparaeur lu-même. C es cee soluon, déjà proposée par Allen e Holberg en 2002 [A 2002], que nous aons ms en œure fgure IV- 27. Vdd M amplp0 IPO M 9 M amplp M dff M dff- IN Conre réacon IN- OUT M ampln0 M ampln M M 2 M 3 M 4 Fgure IV-27 : Schéma du comparaeur à hyséréss conçu. e comparaeur à hyséréss a beson à son enrée de la enson de référence du BandGap e de la enson de sore basse enson du sysème. Nous meons en enrée du comparaeur un crcu dseur de enson permean de ramener la enson de la premère sore fgure IV- au neau de la référence de enson délrée par le BandGap. 60

161 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Ce crcu dseur peu êre réalsé à l ade d un pon réssf, par exemple aec l ulsaon de réssances de quelques mégaohms. nconénen de cee premère approche es qu elle consomme en connu 750 na s écoulan au raers de la réssance de dson, cee énerge perdue conrbuen sgnfcaemen aux peres du sysème rappelons que le crcu de ype BandGap a une consommaon de 675 na. Par conre, cee archecure a l aanage d êre adapable. En effe, la modfcaon des aleurs des réssances perme de fare arer le rappor de dson, permean ans de modfer le neau de la enson à réguler e de s adaper à d aures ypes d applcaons e de charges. Nous aons cherché à supprmer cee pere énergéque en remplaçan le pon dseur de enson par deux ranssors monés en dode. Cee archecure perme de dser la enson d enrée par deux ou en rédusan sgnfcaemen les peres. Nous aons mesuré une consommaon saque de 50 na. Nous aons ajoué à ce dseur un crcu de sélecon permean de chosr la dson la plus approprée en foncon de la enson de régulaon chose.2 V ou.5 V. e bloc chos ans la enson parm les deux ensons fournes par le crcu de ype BandGap e dse en conséquence la enson de sore du sysème de geson d énerge pour réguler la enson de sore du crcu. es smulaons élecrques de ce bloc de sélecon e de dson nous on perms de mesurer une consommaon moyenne de 0 na. b Polarsaon On chos de polarser la pare dfférenelle aec un couran nféreur à µa. Tous les ranssors de ype N du crcu son dmensonnés de elle manère à ce qu ls fonconnen en fable nerson. Ans, ls pourron fonconner même sous une fable enson d almenaon V dd. Or, en régme de fable nerson, c'es-à-dre sous le seul V G < V h, le couran I DS su une lo exponenelle en foncon de V G - V h, smlare à un ranssor bpolare cf. équaon VI-2. I V G V n. VT V V h S T =.exp. exp DS I sa IV-2 Par conséquen, une araon de la enson de seul V h, due par exemple à la dsperson des paramères echnologques, aura un mpac plus mporan sur la aleur du couran le régme de fonconnemen à fable nerson es celu où le gm du ranssor es le plus grand. e dmensonnemen du mror de couran M9, qu en polarser la pare dfférenelle, es alors crque. En effe, s les ensons de seul V h des deux ranssors son dfférenes, la aleur du couran ne sera pas exacemen recopée. De plus, la araon su une lo exponenelle d où une grande dfférence des aleurs de couran. Pour rédure ce effe, nous aons chos d ulser une largeur de 46 µm pour le ranssor M9. Nous ellerons égalemen à l apparellemen des deux ranssors lors du dessn des masques en ulsan une echnque de ype common-cenroïd, mean à prof les syméres pour lmer l mpac des araons des paramères echnologques lors de la fabrcaon. De manère à aor une son quanae de la dsperson ndue sur le couran de polarsaon de l OTA, nous aons fa subr au mror 2500 smulaons Mone-Carlo [AM 2008]. S l on consdère à la fos les araons nra e ner-lo, on oben un écar ype relaf 6

162 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge de.3% sur le couran e de 3.5% sur la enson pour des ranssors aec des rappors largeur/longueur W/ = 30 µm / 2 µm. De plus, s on ne consdère que les araons ner-lo, on obsere des ranssors parfaemen apparellés aec un écar ype relaf sur le couran de mons de 2. c Fonconnemn de l archecure du comparaeur à hyséréss Il s ag de dmensonner un OTA su d un éage de sore de ype Push-Pull M_amplP0 M_amplN0 e M_amplP M_amplN assuran la conerson dfférenelle ou en fournssan les performances en maère de enson e d mpédance de sore d un amplfcaeur de classe AB. OTA fgure IV-27 es composé d une pare dfférenelle composé par les ranssors M, M4, M_dff e M_dff-, polarsée par un mror de couran. hyséréss es assurée par le chemn de reour posf au raers de la connexon Grlle-Dran des ranssors M2 e M3. En effe, les pares M-M2 e M3-M4 formen deux mrors de couran relan de manère crosée les deux branches de la pare dfférenelle. e ranssor de polarsaon M9 fourn un couran de polarsaon Ipol de 200 na, par conséquen la enson sur son dran deen V pol. e comparaeur es composé de deux branches symérques composées de deux ranssors de ype P e quare ranssors de ype N. Nous aons M e M 4 qu on leur grlle connecées à leur dran de elle sore que V gsm =V dsm =V M e V gsm4 =V dsm4 =V P. Ces deux ensons commanden les grlles des ranssors M 2 e M 3. orsque la enson du nœud IN es égal à celle de IN-, les drans des ranssors M 2 e M 3 possèden la même aleur de enson d équlbre V P =V M. Supposons que le nœud IN so à V dd /2 e IN- à V dd /2α, supéreure d une aleur α dans l exemple de la fgure IV-28 nous aons chos α = 00 mv. Vdd M amplp0 IPO M 9 M amplp I DS9 M dff M dff- IN IN- OUT M ampln0 M ampln M M 2 M 3 M 4 Fgure IV-28 : Fonconnemen du comparaeur à hyséréss. Sore à l éa hau 62

163 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Nous aons alors la enson V P qu bascule à zéro enraînan la fermeure du ranssor M_amplN. Sur l aure branche nous aons V M qu bascule à V pol. Comme les ranssors M_amplP0 e M_amplP on leur grlle commune, nous aons M_amplP qu se ferme basculan la sore à V dd. Inersemen s le nœud IN es à V dd /2α e IN- à V dd /2 fgure IV-29. Vdd M amplp0 IPO M 9 M amplp I DS9 M dff M dff- 0 IN IN- OUT M ampln0 M ampln M M 2 M 3 M 4 Fgure IV-29 : Fonconnemen du comparaeur à hyséréss. Sore à l éa bas Nous aons la enson V M qu bascule à zéro enraînan la fermeure du ranssor M_amplN0. Sur l aure branche nous aons V P qu bascule à V pol enraînan la fermeure du ranssor M_amplN qu bascule la sore à zéro. Nous aons smulé le comparaeur à hyséréss aec le crcu de ype BandGap précéden pour érfer sa fonconnalé e sa plage d hyséréss. Nous aons pour cela smulé le bloc «PPM» qu comprend égalemen le bloc de sélecon permean de fare le len enre le BandGap e le comparaeur à hyséréss fgure IV-2 e fgure IV-30. Nous aons applqué une enson qu éoluan enre 0 V e.5 V pour obserer l hyséréss du comparaeur. Nous aons représené sur la fgure IV-30 l éoluon des deux ensons de référence proenan du BandGap ans que la enson V OUT5_2 que nous mposons en enrée e celle que nous obenons en sore du comparaeur à hyséréss. e comparaeur à hyséréss fonconne à parr de 0.9 V e nous obenons une hyséréss de onze mllols. 63

164 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge Sore du Comparaeur à hyséréss Sore V S CompHys Hyséréss Eoluon de la enson V S V BG2 V BG Sgnaux de sore du BandGap Fgure IV-30 : es sgnaux du comparaeur à hyséréss e du BandGap. De plus, ces smulaons nous on perms de mesurer une consommaon moyenne de 390 na pour le comparaeur à hyséréss ableau IV-8. Comparaeur à hyséréss e bloc de Tenson d almenaon Hyséréss Consommaon moyenne sélecon 0.9 V.5 V mv 390 na Tableau IV-8 : Performances du comparaeur à hyséréss. 64

165 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 6. Performances globales obenues Nous aons réalsé des co-smulaons enre les smulaeurs Adance_MS e Eldo, pour smuler l éoluon des caracérsques du module PV conjonemen aec les blocs analogques réalsés dans la echnologe UMC 80 nm. Ces smulaons nous permeen d obenr des résulas du sysème comple, ncluan d une par les araons des paramères au neau de chaque ranssor des blocs analogques à l ade du smulaeur Eldo e d aure par l nfluence de ces araons ans que celles de l rradance sur les caracérsques de la source PV à l ade du smulaeur Adance_MS. es smulaons complèes de l archecure allan de la source PV à la charge on éé réalsées aec le schéma présené sur la fgure IV- 3. Fgure IV-3 : Schéma du sysème comple de geson d énerge. 6. Démarrage du sysème éa nal es un éa déchargé où l ensemble des capacés es à une enson nulle. Comme le module PV es exposé à une rradance donnée, celu-c a à ses bornes une enson V PV qu croî smulanémen aec la décrossance du couran I e donc du couran I PV. Dans ce éa nal, les nerrupeurs Pmos e Pmos2 du flre de pussance son fermés dans la mesure où la enson de commande qu leur es applquée es nulle. es capacés en sore se chargen grâce au fa que l nerrupeur Nmos du flre de pussance es ouer. Pour le bon fonconnemen du cycle de démarrage, le sysème ne peu pas olérer 65

166 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge l almenaon du chargeur ou d une charge exerne. Ceux-c doen donc êre déconnecés pendan ce cycle. orsque les capacés de sores son chargées à la enson de crcu ouer du module PV, on démarre alors les blocs de régulaon e de hachage du sysème. Une fos que la enson de la premère sore es régulée à la enson fxée par l ulsaeur.2 V ou.5 V, on démarre le bloc de MPPT permean la recherche du maxmum de pussance. Pour coordonner le démarrage des dfférens blocs, le sysème de geson d énerge nécesse un bloc de démarrage permean de déecer le seul de démarrage e de prendre en compe l éa des blocs du sysème. Ce bloc de démarrage Sar_up, fgure IV-32 ploe un nerrupeur permean de connecer la capacé d enrée C dec aux capacés de sore C e C 2. Ce nerrupeur perme aux capacés d emmagasner une quané d énerge mnmale nécessare au démarrage du sysème e à l almenaon des dfférens blocs mplqués au cours du processus de démarrage. C dec Fgure IV-32 : Crcu de démarrage. S la enson de sore dépasse le seul S E seul mnmal de récupéraon d énerge, l nerrupeur du bloc de démarrage se ferme pour permere la recharge des capacés de sore. Dès que cee enson dépasse le seul de démarrage du crcu de ype BandGap, l nerrupeur se bloque e le crcu de hachage démarre. e sysème peu alors débuer la recherche du MPP. es dfférens blocs du sysème de geson d énerge son conrôlés grâce à leur enson de démarrage. e premer bloc qu démarre es le crcu de ype BandGap, aec une enson comprse enre 0.8 V e 0.9 V. es aures blocs ne démarren que lorsque la enson du module PV e des capacés de sore es proche de.2 V. S l énerge fourne par le module PV repasse sous le seul S E, l nerrupeur se ferme de noueau pour recharger les capacés de sore e permere, dès que le seul S E sera de noueau dépassé, le redémarrage du crcu de ype BandGap e l acaon des blocs assocés au hachage PWM, Bloc de régulaon. 66

167 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 6.2 e fonconnemen en régme éabl Nous aons effecué une co-smulaon pour une rradance en enrée de 0 msun. Cee rradance correspond aux plus fables rradances que peu acceper le sysème de geson d énerge, le rappor cyclque opmal es auour de 0.06, so dans les premères aleurs de rappor cyclque du sysème. Nous aons chos ces paramères pour érfer que le sysème conerge ers le rappor cyclque opmal dans les pres condons d rradance. Nous aons démarré le sysème chargé pour qu l ransfer le maxmum d énerge ers ses sores. Nous aons représené sur la fgure IV-33 le couran I de l nducance, l éoluon de la enson V PV du module PV, du rappor cyclque e des ensons de sore du sysème. I I V PV V PV V PV appor cyclque numérque appor cyclque V S Tensons des sores du sysème V BAT Sgnaux de commande des ranssors de pussance appor cyclque mesuré ClkNmos ClkPmos ClkPmos2 appor cyclque démarrage régme éabl Fgure IV-33 : ésulas de la smulaon du crcu comple. Après une éape de démarrage du sysème, où l on peu obserer l éoluon crossane de la enson du module PV, le sysème conerge ers une enson sablsée du module PV. On obsere sur la fgure IV-33 l éoluon de la enson du module PV agrande sur la pare où le régme es éabl. a enson éolue conformémen aux changemens mposés au rappor cyclque du sysème par le bloc de la méhode du MPPT. Nous obserons d une par que la araon moyenne de la enson V PV enre deux changemens de rappor cyclque 23 mv correspond à celle obenue aec le modèle dans le rosème chapre du manuscr 28 mv, cf. Chapre III 5. a Valdaon du conrôle du conersseur par la méhode du MPPT e que la sensblé du bloc du MPPT es suffsane. D aure par la fréquence de la méhode du MPPT es égalemen aldée. En effe, on peu 67

168 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge obserer la sablsaon de la enson du module PV après chaque changemen de rappor cyclque permean au bloc de MPPT de mesurer des ensons sables e de déermner des éoluons de enson du module PV aldes. e module PV fonconne en régme éabl aec un rappor cyclque comprs enre 0.03 e Ces rappors cyclques son légèremen nféreurs au rappor cyclque opmal de 0.06, ce qu enraîne une chue de pussance par rappor à la pussance maxmale de 9%. On obsere fgure IV-33 que la enson V PV décroî lenemen pour aendre la enson du MPP. On obsere une dfférence enre la enson V PV e la enson héorque du MPP, en effe celle-c se sue à.7 V cf. Chapre III, Tableau III-4 pour cee rradance. Cee dfférence es due au fa que le sysème ne prélèe pas suffsammen d énerge sur la sore sablsée V S. Ce effe sera corrgé dans le sysème fnal grâce à l négraon d un algorhme permean d adaper la charge acée sur la sore sablsée dans l uné de conrôle. Nous obserons sous cee rès fable rradance, une chue de la enson V BAT de la sore connecée à l uné de sockage. Cee chue es normale, en effe dans ces condons d opéraon le sysème ne peu pas ransférer suffsammen d énerge pour éleer la enson de sore à 3.6 V. Cec enraîne une décharge progresse de la deuxème sore jusqu'à l obenon d un équlbre enre l énerge préleée au module PV e l énerge consommée sur cee sore. Blocs de la fgure IV-3 Spécfcaons défnes au chapre III ésulas obenus I_EGUATION I_MPPT I_DodeAce * /- 0 mv, 600 mv e 375 mv /- mv, pas du rappor cyclque D de e s D> 0.24 Seul fable, emps de déecon de l annulaon du couran < 0 ns Hyséréss de mv, 600 mv e 375 mv /- mv, pas de e s D>0.245 Chue de enson de 5.6 mv, emps de déecon de 6 ns I_Shun * Seul nféreur à 3.8 V Seul max V I_DTC * Temps mor <0 ns 9 ns Tableau IV-9 : ésumé des performances des blocs. * Sous-bloc de I_PowerFler fgure IV-3 e ableau IV-9 nous perme de érfer que les blocs permeen de répondre à l ensemble des spécfcaons éables au chapre III cf. Chapre III 5.2 Tableau III e fonconnemen en cas de surcharge en sore Nous aons smulé une surcharge sur la sore du sysème de geson d énerge fgure IV-34 en applquan un rappor cyclque éleé. En effe, dans ce cas le sysème de geson d énerge prélèe plus d énerge que peu fournr le module PV à l rradance consdérée. a conséquence de l augmenaon du rappor cyclque mporan es la créaon d un pc de couran au sen de l nducance qu en augmener le couran moyen exra au module PV. Dans la mesure où ce couran moyen ne peu êre délré par le module PV, on obsere l arrê de la source PV. Su alors un redémarrage de la source PV pendan lequel la enson de sore chue. Cee chue es bornée à la enson en crcu ouer du module PV. 68

169 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge I Pc de couran V S Chue de la enson de sore V PV Fgure IV-34 : ésulas de la smulaon du crcu comple dans le cas d une surcharge. Dans nore cas le sysème ne passe pas sous le seul S E permean ans au sysème de rechercher drecemen le noueau MPP. Par conre s le sysème passe sous le seul S E alors l dera sure le processus de démarrage, comme décr dans le paragraphe précéden. 6.4 es performances du sysème Arrê du module PV appor cyclque Nous aons représené sur la fgure IV-35 la consommaon des blocs prncpaux du sysème de récupéraon d énerge phooolaïque. Comparaeur à hyséréss 390nW BandGap 675nW DTC 570nW MPPT 670nW Dode ace 60nW Oscllaeur 300nW Toal = 5.3 µw < objecf de 7 µw Flre de pussance 2400nW Fgure IV-35 : a consommaon des blocs prncpaux du sysème de geson d énerge. ors de ces smulaons du sysème comple nous aons mesuré une consommaon moyenne oale de 5.3 µw fgure IV-35. Nous aons réuss à rédure la consommaon de cerans blocs au prof d aure blocs pour lesquels la consommaon moyenne s es réélée plus mporane que préue. e rééqulbrage de la consommaon enre chaque bloc nous a perms de manenr la consommaon oale sée pour le sysème <7 µw, cf. Chapre III 5.2 Synhèse des spécfcaons. Pour l rradance de 0 msun nous saons que nous pouons exrare une pussance maxmale de 478 µw cf. Chapre III, Tableau III-4, ce qu nous perme de démonrer que nore sysème de geson d énerge es capable de fonconner aec une effcacé de 97%. S manenan nous prennons en consdéraon l effcacé de la méhode de MPPT nous mesurons une effcacé de 9%, nous obenons un sysème aec une effcacé globale de 88%. 69

170 Chapre IV : éalsaon du sysème de geson d énerge 7. Concluson Après aor découpé le sysème en ros blocs prncpaux : le flre de pussance, le bloc de la méhode de MPPT e le bloc de régulaon, nous aons déallé le fonconnemen e l mplémenaon de chacun des blocs. Nous aons commencé par la concepon du flre de pussance. Tou d abord, l a fallu chercher les paramères opmaux des ranssors de pussance en éudan les consommaons saques e dynamques des ranssors sur l ensemble de la gamme de pussance que dera gérer le sysème de geson d énerge. Nous aons démonré que nous aons beson d ulser deux ypes de ranssors de pussance, des ranssors éros W = 350 µm pour les fables rradances e des ranssors larges W = 3 mm pour les fores rradances. Nous aons conçu une dode ace permean au conersseur éléaeur de fonconner aec un seul quas nul en mode de conducon dsconnue pour une large gamme de enson d enrée. Nous aons ajoué un bloc qu lme la enson à 3.8 V, pour respecer les conranes de la echnologe UMC 80 nm, ou en permean au module PV de connuer de fonconner à son pon de pussance maxmale. Nous aons mplémené la méhode de MPPT grâce à la concepon d une archecure nnoane basée sur des ransfers de charge au sen de réseaux de capacés. Nous aons déeloppé l ensemble de la logque nécessare pour déermner l éoluon à mposer au rappor cyclque du conersseur. Nous aons auss conçu les sous-blocs permean de générer le rappor cyclque e l horloge de ype PWM. Cee horloge a éé réalsée à l ade de lgnes à reard qu son combnées enre elles pour fournr quare-ng-seze rappors cyclques dfférens. Nous aons ulsé de la logque combnaore pour combner les lgnes à reard enre elles, nous aons ans rédu leur nombre e lmé la consommaon du bloc. e sysème a beson d un bloc de régulaon e ou d abord d une référence de enson fourne par un crcu BandGap. Celu-c fourn deux ensons de références sables, quelles que soen les araons echnologques e les condons d ulsaon empéraure, enson d almenaon. Nous aons déeloppé un bloc de sélecon e de dson à fable consommaon permean de fournr au comparaeur à hyséréss les ensons adéquaes en foncon du neau de enson séleconné.2 V ou.5 V. Nous aons chos d mplémener un comparaeur à hyséréss pour maîrser les oscllaons sur la enson régulée. Nous obenons un crcu de régulaon fonconnel sur l ensemble de la gamme de empéraure de 0 à 60 C ans que pour une almenaon pouan arer de 0.9 V à.5 V aec une consommaon moyenne nféreure à µa. De plus, ce bloc a éé conçu de manère à pouor démarrer à parr d une almenaon de seulemen 0.8 V, permean ans au bloc de démarrage du crcu de recharger proraremen la premère sore à la enson désrée. Enfn, nous aons effecué des smulaons globales permean de érfer le fonconnemen du sysème aec l ensemble des blocs mplémenés en echnologe UMC 80 nm. Nous obenons une consommaon moyenne nous permean de fonconner sur une large gamme de pussance d enrée. Nous aons auss érfé le bon fonconnemen de la méhode de MPPT. En effe, pour une rradance donnée nous obenons ben un équlbre du sysème auour du pon de pussance maxmale du module PV. a mse en œure de méhodes arées permean de rédure la consommaon des blocs du sysème de récupéraon d énerge nous a perms d aendre des rendemens du sysème proches de 90% suan l rradance en enrée de la source PV. 70

171 Concluson e perspeces : Concluson e perspeces Nous aons déermné les besons énergéques des mcrosysèmes auonomes. Nous aons denfé la source phooolaïque comme éan la source au plus for poenel. éude de la source phooolaïque nous a perms de mere en aan le beson de ploer celle-c au plus près de son pon de pussance maxmale pour fournr le maxmum d énerge au mcrosysème auonome. Nous aons séleconné une méhode de MPPT qu n es basée que sur l éude des araons de la seule enson du module phooolaïque nous permean de ne pas mplémener de capeur de couran. éude des sysèmes de geson d énerge nous a perms de séleconner une archecure de conersseur éléaeur de ype hacheur. Nous aons démonré l nérê d mplémener dans le mcrosysème des chemns de pussance mulple e nous aons conçu le sysème de geson d énerge qu so le plus performan dans une plae-forme possédan une elle archecure. Nous aons éudé e modélsé un conersseur hacheur double sore e nous aons éudé le sysème comple du conersseur assocé à un module PV e une méhode de conrôle négran la méhode de MPPT séleconnée. Grâce à l éude du sysème comple nous aons pu spécfer chaque bloc du sysème e érfer son fonconnemen sur l ensemble de la plage de araon que peu subr l éclaremen de la source phooolaïque. Nous aons démonré l nérê d ulser des ranssors de pussance segmenés. Comme la source phooolaïque es ploée à son pon de pussance maxmale grâce à l adapaon du rappor cyclque, nous pouons ulser l nformaon du rappor cyclque pour connaîre la quané d énerge délrée par la source phooolaïque e ans acer les ranssors de pussance adapés. Nous aons conçu chaque bloc du sysème de geson d énerge e fa preue d ngénosé pour rédure leur consommaon. Nous aons ms en œure une dode ace qu n es acée qu aux nsans où le couran de l nducance es suscepble de s annuler. Nous aons conçu des réseaux de capacés pour mesurer les dfférences de enson du module phooolaïque en foncon des araons du rappor cyclque nous permean d mplémené une méhode de MPPT aec une rès fable consommaon. éoluon de la pussance es ans éaluée sans affecer la quané d énerge ransférée par le sysème de geson d énerge de la source phooolaïque aux charges. Nous aons conçu un crcu de ype BandGap capable de fournr deux ensons sablsées en empéraure e capable de fonconner aec une enson comprse enre 0.9 V e.5 V. De plus, nous aons ulsé ce crcu BandGap pour fournr une enson de polarsaon au bloc de la dode ace ans que pour le bloc du comparaeur à hyséréss. Nous aons déeloppé un comparaeur à hyséréss fonconnan aec des ranssors en mode fable nerson pour lmer la consommaon du bloc e lu permere de fonconner aec une enson d almenaon de.2 V. Enfn, nous aons effecué des co-smulaons Adance_MS e Eldo pour smuler l ensemble du sysème, érfer son fonconnemen ans que mesurer ses performances. Nous aons obenu un crcu de geson d énerge capable de fonconner sur l ensemble de la plage d éclaremen que nous aons défne 5 msun à 0.8 Sun aec un rendemen proche de 90%. Il es encore nécessare de ermner le bloc de démarrage e de dessner les masques pour fare fabrquer le crcu e pouor le eser dans dfférenes condons d éclaremen. Nous pourrons alors érfer que le sysème s adape à n mpore quelle source phooolaïque 7

172 Concluson e perspeces : e qu l fonconne malgré le ellssemen des cellules phooolaïque e l éoluon de leurs caracérsques I PV, V PV. e crcu pourra égalemen êre ms en œure pour érfer le gan obenu par l ulsaon des chemns de pussance e êre négré dans les fuurs mcrosysèmes pour les almener e ans prolonger leur auonome. Almener les sysèmes auonomes par des sources d énerge renouelable es un suje de recherche d acualé. En effe, des raaux proches on éé présenés à l ISCC 20 [QUI 20] l s ag d un conersseur nducf de ype boos négran une méhode de MPPT. Nous pourrons comparer nore crcu à ce conersseur qu a éé conçu pour des pussances smlares 5 µw à 0 mw. 72

173 ANNEXES : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos ANNEXE : Fonconnemen d un conersseur de ype boos Nous allons analyser le fonconnemen du conersseur Fgure A- e déermner son rappor de conerson en foncon du rappor cyclque α. C dec C S Fgure A- : Archecure du conersseur de ype boos. orsque l nerrupeur es en poson e la dode es bloquée Fgure A-2a, l nducance es connecée d un coé à la source e de l aure coé à la masse. On peu donc écrre duran cee phase αt A-. c = V g = A- orsque l nerrupeur du hacheur passe en poson 2 Fgure A-2b, l nducance es manenan relée à la sore a la dode pendan la phase α T donnan A-2. c = V = g A- 2 En mode dsconnu, l exse une rosème phase pendan laquelle l nducance n es n relée à la masse poson, n relée à la branche de sore car la dode es bloquée. Pendan cee phase, l nducance es déconnecée e son couran es nul. effe suroleur peu alors se comprendre smplemen d un pon de ue physque. Pendan la phase Fgure A-2a, le couran augmene dans l nducance, e celle-c socke de l énerge magnéque. Duran la phase 2 Fgure A-2b, l'nducance se roue en sére aec la source, sa f.e.m. s'addonne alors aec celle de la source, d où l éléaon en enson. C dec C S C dec C S a b a Fgure A-2 : es deux phases du conersseur de ype boos. l nerrupeur es en poson pendan la phase αts, le couran augmene dans la bobne l nerrupeur es en poson 2 pendan la phase α Ts, la pussance es ransférée à la charge b 73

174 ANNEXES : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos S l on consdère l éa saonnare on a A-3. = V ondulaon A- 3 En effe, la enson de sore peu se décomposer en la composane connue DC désrée V plus une pee composane alernae ndésrable ondulaon proenan de l aénuaon ncomplèe des harmonques par le flre passe-bas. Par consrucon, l amplude de ondulaon es olonaremen chose rès fable comparée à la aleur DC désrée, ypquemen mons de %. Cee araon es lmée grâce à l ulsaon d une fore aleur pour la capacé de sore C. On peu alors smplfer le problème en conseran une précson supéreure à % A-4 - A-6. Ans : ondulaon << V d où : V A- 4 = V g duran αt phase A- 5 = V V duran α T phase 2 A- 6 g ors de la phase d amorçage du conersseur, oue l énerge njecée en enrée ne se reroue pas en sore. Une pare es conere en énerge poenelle dans les élémens réacfs du crcu, jusqu à l obenon d un équlbre. Au dépar, la capacé de sore es déchargée, =0. Une fos le régme saonnare aen, le blan énergéque des élémens réacfs es nul sur un cycle de hachage, les condensaeurs se remplssen auan qu ls se den e le couran dans l nducance a roué son équlbre Fgure A-3. Nous pouons donc écrre la relaon A-7. V V g k. Ts P k =. d = 0 A- 7 k. Ts I αt s α T s V g -V Fgure A-3 : Forme de la enson e du couran pour l nducance régme saonnare. On monre que, s l nducance es parfae, cela équau à obenr une soluon pérodque pour I, du ype A-8. I = T = I = T I = T <I>, k 2, k = I = T, k 2, k I V g V g -V αt s T s A- 8 aec T, k = k. Ts e T, k = T, k. Ts. 2 α Ans, l suff de érfer l équaon A-9. k. Ts. d = 0 A- 9 k. Ts 74

175 ANNEXES : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos On oben alors l équaon A-0. k. Ts. d k. Ts = V α. T V V α'. Ts g s g A- 0 D où on re l équaon du rappor de conerson M A-, qu es représené sur la Fgure A-4. V M D = = = A- α ' α V g α Fgure A-4 : appor de conerson M=V S /V g en foncon du rappor cyclque α pour un conersseur de ype boos. On o que, héorquemen, le rappor de conerson M end ers l nfn lorsque le rappor cyclque α end ers. En praque, l exse une enson maxmale que le sysème peu fournr. Cee lme proen des non-déalés des composans peres résses e mperfecons des horloges de commande. Dans le cas du mode dsconnu, l ajou de la rosème phase où le couran es nul modfe l expresson du rappor de conerson. En effe, nous n aons plus α 2 = -α. nsan où le sysème passe dans la rosème phase T-α 3 T éolue en foncon des paramères d enrée e de sore du sysème. S on race l allure déale de, e s en foncon du emps, nous pouons obserer leurs éoluons en foncon de la commande U des nerrupeurs de pussance Fgure A-5. Fgure A-5 : Allure de U,, e s en foncon du emps. 75

176 ANNEXES : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos Nous pouons dédure de la Fgure A-5 que aleur moyenne de es défne par la relaon A-2. α e α 2 e s α 3 0 = 0 A- 2 On peu alors exprmer s en foncon de e par l équaon A-3. s = α α 2 α 2 e A- 3 On remarque que l on ne connaî pas la aleur de α 2, cee aleur dépend de l nsan où la dode D passe en éa bloqué. Au nœud de couran, lors de la conducon de D, on a la relaon A-4. D = C s A- 4 S l on consdère un monage déal, nous aons C = 0, d où la relaon A-5. D = s A- 5 D après l allure de la Fgure A-5 de, on peu écrre la relaon A-6. or : e = α T A- 6 pk. D = T T D d A- 7 0 négrale A-7 es égale à l are du rangle formé par le couran passan par la dode, on oben donc la relaon A-8. = pk 2 T T 2 D. α A- 8 En remplaçan pk par sa aleur e en ulsan l équaon A-6 on oben l équaon A-9. e. α. α 2. T s = A- 9 2 Nous n aons plus qu à résoudre un sysème de deux équaons à deux nconnues s e α 2 A

177 ANNEXES : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos α α 2 s = α 2 s e. α. α 2. T = 2 e A- 20 Après résoluon du sysème e d une équaon du 2 nd degré, on oben l équaon A- 2 relan s à e. 2 4α = K 2 2 aec K =. T s e A- 2 K cr Cee relaon A-2 n es alable que s K < α, sachan que = α α ², exprman le fa que l on es en mode de conducon dsconnue. K cr 77

178 ANNEXES : Fonconnemen d un conersseur suroleur de ype boos page nenonnellemen blanche 78

179 ANNEXES 2 : Mse en équaon du conersseur assocé au module phooolaïque 79 ANNEXE 2 : Mse en équaon du conersseur assocé au module phooolaïque Fgure A2- : Schéma du conersseur suroleur de ype boos à deux sores. Dans le cas où N es fermé, D es passan e P e P 2 son ouers. Nous pouons écrre le sysème d équaons A2-, pus A2-2. Nous obenons alors, s, BAT, e e A2-3. = = = = 2 2 r Cn PV C C D on e A2- = = = = 2 arg d d C d d C d d C d d r e dec PV BAT BAT BAT e ch s s D on e A2-2 N D P P 2

180 ANNEXES 2 : Mse en équaon du conersseur assocé au module phooolaïque 80 [ ] [ ] = = = = 2 arg C d C d C d r PV dec e BAT BAT BAT e ch s s on D e A2-3 e cas où N es ouer e D es passan peu êre subdsé en deux sous cas. En effe, so P, so P2 peuen êre fermés. Prenons d abord le cas où la sore es connecée P fermé e P 2 ouer. Nous pouons écrre le sysème d équaons A2-4, d où A2-5 e fnalemen nous obenons, s, BAT, e e A2-6. = = = = 2 2 c r C PV C s D ON e A2-4 = = = = 2 arg d d C d d C d d C d d r e dec PV BAT BAT BAT e ch s s s D ON e A2-5 [ ] [ ] = = = = 2 arg C d C d C d r PV dec e BAT BAT BAT e ch s s s D ON e A2-6 Pour le deuxème cas où la sore 2 es connecée P ouer e P 2 fermé, nous aons A2-7, d où A2-8, e fnalemen nous obenons A2-9. = = = = 2 2 c r Cn PV C s D ON e A2-7

181 ANNEXES 2 : Mse en équaon du conersseur assocé au module phooolaïque 8 = = = = arg 2 d d C d d C d d C d d r e dec PV e ch s s BAT BAT BAT BAT D ON e A2-8 [ ] [ ] = = = = 2 arg C d C d C d r PV dec e BAT BAT BAT e ch s s BAT D ON e A2-9 Dans le derner cas où N es ouer, D es bloquée e P e P 2 son ouers, nous pouons écrre le sysème d équaons A2-0, d où A2-, pour obenr fnalemen A2-2. = = = = Cn PV C C A2-0 = = = = d d C d d C d d C e dec PV BAT BAT BAT e ch s s 0 2 arg A2- [ ] = = = = 0 2 arg C d C d C PV e BAT BAT BAT e ch s s A2-2 Nous rappelons le modèle de la source phooolaïque Fgure A2-2 nous permean de défnr PV.

182 ANNEXES 2 : Mse en équaon du conersseur assocé au module phooolaïque 82 Fgure A2-2 : Modèle de la source phooolaïque. S nous prenons : U, le sgnal numérque qu commande les nerrupeurs N, P e P2 e W le sgnal numérque qu commande l acaon des nerrupeurs P W= e P 2 W=0, nous pouons alors écrre le sysème d équaons A2-3. [ ] [ ] = = = = = P S PV e S PV e o PV PV e BAT BAT BAT e ch s s BAT s D ON e V I S S G Sun C d W U C d W U C d W U W U r...exp arg A2-3 Après smplfcaon du sysème A2-3 nous obenons fnalemen le sysème d équaons A2-4 permean de défnr, s, BAT, e e. [ ] = = = =...exp arg V I S S G Sun C d W U C d W U C d W U W U r P S PV e S PV e o e BAT BAT BAT e ch s s BAT s D ON e A2-4

183 ANNEXES 3 : Inducance TAIYO YUDEN CBC3225T220K ANNEXE 3 : Inducance TAIYO YUDEN CBC3225T220K On a chos l nducance dsponble chez TAIYO YUDEN Fgure A3-, la référence séleconnée es CBC3225T220K. Cee bobne a une nducance d une aleur de 22 µh pour une réssance sére parase de 0.27 Ω. nducance perme de fare passer ous les courans pc que peu subr l nducance sous un for éclaremen sans aucune dééroraon grâce à son couran lme de 620 ma Fgure A3-2. Fgure A3- : es nducances dsponbles chez TAIYO YUDEN. Fgure A3-2 : Paramères de l nducance de 22 µh. Dsponble sur : hp:// 83

184 ANNEXES 3 : Inducance TAIYO YUDEN CBC3225T220K page nenonnellemen blanche 84

185 ANNEXES 4 : Caracérsques de la echnologe UMC 80 nm ANNEXE 4 : Caracérsques de la echnologe UMC 80 nm Source : europracce, hp:// UMC 0.8 UM TECHNOOGY OVEVIEW MPW : Process echnology specfcaons uns Sd ogc MMC ow eakage Subsrae Type P-subsrae Nwell - Sal Poly[n][p] / Ace[n][p] Unsalcded Poly[n][p] / Ace[n][p] Ohm/sq 45 - [8] [8] / [8] [8] [80] [58] / [26] [360] Wafer sze 6 / aalable de hcknesses 8 Inch / 29 Mls - Mls Hgh Ohmc essor H Ohm/sq - - Meal Meal Cap MM cap ff/µm² - ow V / Zero VT mplan - Twn well / Trple well / Thck gae for 3.3V Y / - /Y Number of Poly/Meal ayers # P 6M Meal/2/3/4/5 /6 /7/8 Pch µm 0.48/0.56/0.56/0.56/0.56/0.88 Mn drawn MOS engh regular/3.3v µm 0.8 / 0.34 Mn dffuson wdh for MOS µm 0.24 Operang Volage V.8 / 3.3 VonN / P V 0.5 / / -0.6 IoffN / P core ranssor VD = VDD, Vg = 0V pa/µm 5 / -0 2 / -2 Number of Masks all opons ncluded # ng Oscllaor sage delay 2 condons psec/sage F Top eel Meal Pch µm - F Top eel Thckness ka - F GHz - Fmax GHz - Cadence Desgn K Sd ogc MMC ow eakage Tableau A4- : Caracérsques de la echnologe UMC 80 nm. 85

186 ANNEXES 4 : Caracérsques de la echnologe UMC 80 nm page nenonnellemen blanche 86

187 ANNEXES 5 : Explcaon du schéma du bloc de sélecon e de comparason des aleurs absolues ANNEXE 5 : Explcaon du schéma du bloc de sélecon e de comparason des aleurs absolues Acaon du bon comparaeur laché ICompV&In ICompV2&In IMemoreSgnVarPV Sélecon de la sore alde parm l ensemble des hu sores des comparaeurs lachés Fgure A5- : Schéma du bloc de sélecon e de comparason des aleurs absolues V PV. 87

188 ANNEXES 5 : Explcaon du schéma du bloc de sélecon e de comparason des aleurs absolues page nenonnellemen blanche 88

189 ANNEXES 6 : Elmnaon du passage du compeur/décompeur de la dernère aleur à la premère e ce ersa en adéquaon aec la méhode du MPPT ANNEXE 6 : Elmnaon du passage du compeur/décompeur de la dernère aleur à la premère e ce ersa en adéquaon aec la méhode du MPPT Pour cela nous aons résolu l équaon logque permean de lmer les ransons du compeur/décompeur généran la aleur numérque du rappor cyclque de l horloge de ype PWM. e ableau des dfférens éas possbles es le suan : Aec : Z = 0 s ou les bs du compeur son à zéro snon, O = 0 s ou les bs du compeur son à snon, C = sgne de araon du rappor cyclque déermné par la méhode de MPPT 0 s on décrémene e s on ncrémene, Cerf = la sore que l'on souhae. Z O C Cerf X X cas IMPOSSIBE car ous les bs ne peuen êre à Zéro e à Un X 0 Tableau A6- : es dfférens éas possble. éude du ableau nous perme d obenr l équaon logque A6-. Z O C Z O C Z O Cerf = C A6- Après smplfcaon nous obenons l équaon A6-2. Cerf = Z O C O A6-2 89

190 ANNEXES 6 : Elmnaon du passage du compeur/décompeur de la dernère aleur à la premère e ce ersa en adéquaon aec la méhode du MPPT page nenonnellemen blanche 90

191 ANNEXES 7 : Pres cas echnologques pour le BandGap ANNEXE 7 : Pres cas echnologques pour le BandGap VTN, VTP ES Vdd Process Corner TT TYP.5 V TM Corner 2 SS TYP.5 V Corner 3 SS TYP 0.9 V Corner 4 FF TYP 0.9 V Corner 5 FNSP TYP 0.9 V Corner 6 FNSP ES_MIN 0.9 V Corner 7 FNSP ES_MAX 0.9 V Corner 8 SS ES_MAX 0.9 V WS Corner 9 FF ES_MAX.5V Corner 0 FF ES_MIN.5V WP Tableau A7- : Pres cas echnologques. TM : ypque, WP : pre cas pussance e WS : pre cas esse. 9

192 ANNEXES 7 : Pres cas echnologques pour le BandGap page nenonnellemen blanche 92

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201 Bblographe de l aueur : BIBIOGAPHIE DE AUTEU Arcles de conférences nernaonales : CONDEMINE C., HEMET H., OTHAN F., WATISPEGE G., COINET E., Desgn Mehodology for Energy Haresng Mcrosysems, IEEE Norh-Eas Workshop on Crcus And Sysems and TAISA Conference NEWCAS-TAISA, Monreal, QC, 2008, p DOI : 0.09/NEWCAS WATISPEGE G., CONDEMINE C., BASOU S., Power Pah Opmzaon for Auonomous Mcrosysems, IEEE Norh-Eas Workshop on Crcus And Sysems and TAISA Conference NEWCAS-TAISA, Toulouse, F, 2009, p. -4. DOI : 0.09/NEWCAS WATISPEGE G., CONDEMINE C., BASOU S., Phooolac Energy Hareser for Mcro-Scale Applcaons, IEEE Norh-Eas Workshop on Crcus And Sysems Conference NEWCAS, Monreal, QC, 200, p DOI : 0.09/NEWCAS CHISTMAN J.F., BEIGNE E., CONDEMINE C., EBOND N., VIVET P., WATISPEGE G., WIEMIN J., Brngng obusness and Power Effcency o Auonomous Energy Haresng Mcrosysems, IEEE Symposum on Asynchronous Crcus and Sysems ASYNC, Grenoble, F, 200, p DOI : 0.09/ASYNC WATISPEGE G., CONDEMINE C., BASOU S., Mcro récupéraeur d énerge & MPPT pour les mcrosysèmes auonomes, Ecole d her Francophone sur les Technologes de Concepon des Sysèmes embarqués Héérogènes FETCH, Chamonx-Mon Blanc, F, 200, p. 28. Arcles de conférences naonales : WATISPEGE G., CONDEMINE C., BASOU S., Opmsaon des chemns de pussance pour les mcrosysèmes auonomes, JNDM 2009, p. 5. WATISPEGE G., CONDEMINE C., BASOU S., Mcro récupéraeur phooolaïque, JNDM 200, page 60, Brees : WATISPEGE G., AMOND A., OTHAN F., Crcu conersseur e sysème élecronque comporan un el crcu, Déposé e publé sous la référence : F A WATISPEGE G., WIEMIN J., Crcu conersseur e sysème élecronque comporan un el crcu, Déposé. WATISPEGE G., CONDEMINE C., Crcu conersseur e sysème élecronque comporan un el crcu, Déposé. Conrbuon dans deux lres à paraîre : O'CONNO I., Heerogeneous Embedded Sysems - Desgn Theory and Pracce, Sprnger. CONDEMINE C., es mcro-nano sysèmes auonomes en énerge, Hermes.

202 ésumé 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 mul-sources/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 Absrac Enhancng he lfe me of baery or beng able o work whou s oday mandaory for mcrosysems. Mos of sysems are nowadays lmed by he capacy of he embedded baery. Moreoer he replacemen and wase of baerres s no more possble a hs scale. One way o achee longer lfe me s he use of renewable energy sources solar, hermal, or knec. Ths work proposes o deelop a new energy haresng plaform wh numerous sources and loads MANAGY able o adap self o he surroundng enronmen n order o exrac he maxmum of energy whle answerng o arous of applcaons. The archecure s composed of drecs and ndrecs power pahs where he exraced energy comng from renewable sources s frsly ransferred o a sorage un before beng used by loads. Ths noel archecure makes possble o opmze he energy ransfer beween sources and loads and o achee a 33% gan. Before deelopng hs archecure wh numerous sources, we hae searched o enhance he effcency of he phooolac source whch has he bes power densy a he sae of he ar. ookng for mprong he effcency of he PV source s he same as rackng he maxmum power pon MPPT. There s for each rradance, emperaure and quany of energy exraced a couple of olage and curren enablng he PV source o deler he maxmum of power MPP. Thanks o he wo power pahs used we are able o creae a low power feedback loop adjusng he duy cycle from he power managemen un MPPT whle hang a second feedback loop opmzng he power ransfer and regulang he oupu olage. Thanks o a hgh leel model we hae specfed he sysem performances. To achee he performances requred we hae realzed noel archecures proeced hrough hree paens. Moreoer, blocs are only acaed when he sysem changes s sae and furhermore here are desgns, when acheable, wh ranssors workng n weak nerson. All hese opmzaons make he sysem workng for a large range of rradance from nsde condons hgher han 500 lux o oudoor condons wh an effcency close o 90%. Keys words : wreless sensor node energy managemen energy haresng - MPPT - mcrosysems - MEMS aboraore TIMA, 46 aenue Félx Valle, 3803 GENOBE, France aboraore CEA, ETI, 7 rue des Maryrs, GENOBE Cedex 9, France ISBN :