Dimensionnement énergétique de réseaux de capteurs ultra-compacts autonomes en énergie

Être connecté au reste du monde. Si ce rêve a longtemps relevé de l’utopie, il fait aujourd’hui partie intégrante de nos vies. Chacun désire avoir accès à l’information et a le besoin irrépressible de communiquer avec son entourage. Chacun a besoin de tisser sa toile.

Pourtant, au début des années 1970, lorsque les premiers microprocesseurs ont révolutionné le monde de l’électronique et permis l’apparition des premiers ordinateurs personnels, la société doutait de l’utilité de tels appareils. Comme elle aurait été stupéfaite de savoir que 30 ans plus tard elle en serait dépendante au point d’en demander toujours plus !

Si nous nous sommes en effet longtemps satisfaits d’être connectés uniquement à notre entourage ce n’est plus le cas aujourd’hui. Les avancées technologiques tendent à nous rendre plus exigeants en termes de sécurité, de confort et de santé, c’est pourquoi être connectés à notre environnement nous est devenu indispensable. Des réseaux de capteurs environnementaux apparaissent donc progressivement. Reliés à Internet, ils répondent à une grande majorité des demandes actuelles. Cependant, pour des raisons économiques et pratiques, il devient difficile d’utiliser ces réseaux de capteurs câblés.

Heureusement, les technologies sans fil sont apparues. En effet, depuis quelques années la miniaturisation de plus en plus poussée du transistor élémentaire a suivi la loi de Moore et les systèmes sont donc devenus de plus en plus compacts (smartphones, tablettes tactiles, lecteurs de musiques, etc.). Cette avancée technologique repose entre autre sur le gain de place réalisé par le groupement de différents circuits intégrés dans des System in Package (SiP) ou dans des System on Chip (SoC). Plusieurs circuits se retrouvent donc dans un même boitier, ce qui permet de faire cohabiter des circuits analogique, radiofréquence et numérique. Les surfaces des circuits imprimés sont donc plus petites. De plus, des techniques d’empilements ont dernièrement vu le jour et aboutissent à des circuits en trois dimensions   possédant des boitiers moins imposants.

Forts de ces avancées technologiques, les systèmes ultra-compacts autonomes en énergie devraient prochainement voir le jour. Ceux-ci ont en effet un intérêt particulier au regard des contraintes énergétiques actuelles : les batteries rechargeables étant généralement utilisées dans les systèmes en tant que source d’énergie secondaire, il est toujours nécessaire d’avoir un réseau électrique à disposition pour recharger l’appareil. De plus, il serait laborieux de devoir recharger manuellement une multitude de capteurs sans fil disséminés dans des endroits difficiles d’accès.

Les recherches de cette thèse (réalisés en collaboration avec l’entreprise STMicroelectronics et le département Signaux et Systèmes Électroniques de SUPÉLEC dans le cadre d’une convention CIFRE), se sont donc concentrées sur les systèmes permettant l’autonomie de ces capteurs sans fil autonomes en énergie . Il s’agissait de permettre à la batterie de se recharger de manière indépendante sans l’intervention de l’homme et du réseau électrique.

LES CAPTEURS D’ÉNERGIE

Les capteurs d’énergie apparaissant sous leur forme anglophone harvester dans la majorité des ouvrages scientifiques traitant de ce sujet, il a été choisi d’utiliser également cet anglicisme tout au long de la recherche. De plus, cela permettra d’éviter les confusions avec les autres emplois du terme « capteur ». Ces harvesters sont indispensables pour permettre de prolonger l’autonomie énergétique du capteur (indéfiniment si le dimensionnement énergétique a été conçu à cet effet). Le harvester doit être adapté à l’environnement dans lequel le capteur est placé (extérieur, intérieur, chaud, froid, sous contraintes mécaniques ou non, etc.). Différents types de harvester existent aujourd’hui mais certains d’entre eux sont plus fréquemment utilisés. C’est ceux-ci qui seront présentés dans cette partie.

Énergie piézoélectrique

L’énergie piézoélectrique utilise la propriété de certains matériaux pour transformer une contrainte mécanique en charge électrique. Il devient donc possible de transformer des vibrations mécaniques en contraintes mécaniques que le matériau piézoélectrique se chargera de transformer en électricité [3]. Ainsi, avec un système piézoélectrique bimorphe une puissance de 277µW peut être récoltée à une fréquence de vibration de 120Hz [4] et 25µW à 301Hz après une conversion de puissance inférieure à 40µW [5]. Ce type de harvester peut être utilisé pour tout type de système oscillatoire mécanique, aussi bien les déformations engendrées par les marcheurs (dalles ou semelles de chaussures [6] [7]) que les vibrations d’un moteur à explosion ou d’une machine à laver. D’autres applications visant des systèmes complets ont pu être démontrées. Par exemple, un capteur sans fil autonome alimenté à partir d’un harvester piézoélectrique a été développé. Conçu dans un Micro-Mecanical-Electrical-System (MEMS) dans lequel le vide d’air avait été créé (l’air enfermé dans ce genre de cavité freine la masse en mouvement, il est donc indispensable de faire le vide d’air pour que la puissance délivrée puisse être décuplée), le harvester a été capable de délivrer une puissance de 85µW une fois excité à une fréquence de 325Hz .

En apportant quelques modifications au niveau de la conversion d’énergie, il est possible d’avoir un harvester piézoélectrique large bande [9]. Les fréquences de résonance des harvesters piézoélectriques sont de l’ordre de quelques centaines de Hertz. Dans certains cas, il devient donc nécessaire de mettre en œuvre des méthodes de conception permettant de transformer les basses fréquences en hautes fréquences. Ainsi, un système à base de polyvinylidene fluoride (PVDF) permet d’utiliser un harvester piézoélectrique pour les déplacements humains. Il a été montré qu’avec un mécanisme PVDF (semelle piézoélectrique), plus de 5W pourraient être récupérés dans des chaussures pendant une marche rapide [10]. En effet, à chaque pas, nos chaussures absorbent une telle quantité d’énergie que celle ci suffirait à recharger et alimenter certains de nos appareils électroniques (podomètres, tensiomètre, smartphones) .

Thermoélectricité

La thermoélectricité a été découverte au début du 19ème siècle par le physicien Thomas Johann Seebeck [12]. Elle consiste à transformer un flux de chaleur en courant électrique par l’intermédiaire de matériaux conducteurs de natures différentes [13]. L’effet thermoélectrique est réversible. Si une différence de température existe de chaque côté d’un couple de matériaux de natures différentes alors une différence de potentiel se crée. C’est l’effet Seebeck. La réciproque est également valable. De la même manière, si un courant électrique parcourt un couple de matériaux conducteurs de natures différentes alors une différence de température apparaît aux jonctions de ce couple. Une jonction s’échauffe alors que l’autre se refroidit. On parle alors de l’effet Peltier en référence au physicien Jean-Charles Peltier qui découvre l’effet en 1834 [12]. Chaque couple de matériaux conducteurs ayant un pouvoir thermoélectrique différent, il convient alors de les choisir judicieusement afin d’obtenir le meilleur rendement de la conversion [14]. Les harvesters thermoélectriques ont une courbe de puissance caractéristique en cloche.

Des harvesters thermoélectriques sont donc des modules formés de couples thermoélectriques. Leur efficacité repose sur un quadrillage de thermocouples simultanément connectés de deux manières différentes : électriquement en série et thermiquement en parallèle . En effet, chaque thermocouple a une différence de potentiel de l’ordre de quelques millivolts. La chaleur traversant le module va donc pouvoir créer une tension de quelques volts qui sera exploitable par une électronique classique.

Table des matières

1 INTRODUCTION
2 ETAT DE L’ART : L’AUTONOMIE ENERGETIQUE DES RESEAUX DE CAPTEURS
2.1 LES CAPTEURS D’ÉNERGIE
2.1.1 Introduction
2.1.2 Énergie piézoélectrique
2.1.3 Thermoélectricité
2.1.4 Cellules solaires photovoltaïques
2.1.4.1 Cellules solaires monocristallines
2.1.4.2 Cellules solaires polycristallines
2.1.4.3 Cellules solaires amorphes
2.1.4.4 Cellules Tandem
2.1.4.5 Cellules multicouches ou multijonctions
2.1.4.6 Panneau photovoltaïque à concentration
2.1.5 Conclusion
2.2 LES BATTERIES
2.2.1 Introduction
2.2.2 Batteries à base de lithium
2.2.3 Batteries zinc-air
2.2.4 Batteries au graphène de silicium
2.2.5 Batteries à couches minces
2.2.6 Batteries de type boutons
2.2.6.1 Batteries Lithium-Pentoxyde de Vanadium
2.2.6.2 Batterie Lithium Manganèse
2.2.7 Supercapacités
2.2.8 Conclusion
2.3 LES CONVERTISSEURS D’ÉNERGIE
2.3.1 Introduction
2.3.2 Les différentes méthodes de MPPT
2.3.3 Les convertisseurs d’énergie buck-boost
2.3.4 Les convertisseurs d’énergie à capacités commutées
2.3.5 Conclusion
2.4 GESTION DE L’ÉNERGIE D’UN CAPTEUR SANS FIL
2.4.1 Introduction
2.4.2 Aperçu de divers PM
2.4.3 Conclusion
3 CONTRAINTES ET EXIGENCES D’UN CAPTEUR AUTONOME EN ENERGIE
3.1 AUTONOMIE DES CAPTEURS
3.2 GESTION DE L’ÉNERGIE
3.3 MESURE DE L’ÉNERGIE
3.4 CONCLUSION
4 LES SYSTÈMES DE GESTION ET DE MESURE DE L’ENERGIE D’UN CAPTEUR AUTONOME
4.1 INTRODUCTION
4.2 GESTION DE L’ÉNERGIE D’UN CAPTEUR AUTONOME EN ÉNERGIE
4.2.1 La conversion d’énergie avec MPPT
4.2.2 Stratégie d’un système de gestion de l’énergie
4.2.3 Structure du système de gestion de l’énergie
4.2.3.1 Méthodologie
4.2.3.2 Spécifications
4.2.4 Conclusion
4.3 LE COMPTEUR DE CHARGES
4.3.1 Introduction
4.3.2 Définition du compteur de Coulombs
4.3.3 Principes du compteur de Coulombs
4.3.3.1 Fonctionnement
4.3.3.2 Convertisseurs analogique/numérique
4.3.4 Le convertisseur analogique numérique Σ ∆
4.3.5 Convertisseur Σ ∆ à temps continu
4.3.6 Convertisseur Σ ∆ à temps discret
4.3.6.1 Principe des capacités commutées
4.3.6.2 L’intégrateur à capacités commutées
4.3.7 Référence de tension du système
4.3.8 Zones mortes du modulateur Σ ∆ d’ordre 1
4.3.9 Conclusion

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