Fonctionnement et transfert optimises pour une intégration efficace dans la plate-forme multi-sources /multi-charges

Les microsystèmes autonomes

Dans le cadre de cet état de l’art sur les microsystèmes autonomes, nous nous sommes restreints aux travaux portants sur des systèmes intégrés. Nous avons donc écarté les premières générations de systèmes autonomes, tellesque les « Motes », qui sont maintenant commercialisés (comme par exemple le Tmotesky [MOT 2010]) et qui restent très volumineuses. La seconde génération de systèmes autonomes que nous présentons ici a pour but d’être intégrable dans un volume inférieur au centimètre cube. Ces dimensions ouvrent de nouveaux champs d’applications, mais elles nécessitent l’intégration d’une source de récupération d’énergie, rendue obligatoire par le faible volume laissé au stockage de l’énergie.

Etat de l’art

Université de Berkeley

L’université de Berkeley a travaillé sur un projet nommé “Smart Dust” (figure I-4). Le but était de développer un système autonome millim étrique capable de communiquer et de faire partieintégrante d’un réseau de capteurs distribués [RAB 2007].

Le projet MANAGY

Objectifs

Le but du projet MANAGY, acronyme pour « managementof energy », est d’aboutir à un réseau de capteurs intégrés intelligents, où chaque élément aura à son bord des sources multiples de récupération d’énergie, ainsi que des capteurs multiples, permettant de s’adapter de manière intelligente à son environnement (figure I-11Figure I-). Pour cela, nous avons travaillé de manière indépendante sur chaque partie du système (Récupération d’énergie, gestion d’énergie, capteur, traitement), tout en pensant à leur intégration au sein du système afin que celui-ci soit le plus performant possible. L’objectif étant d’atteindre un nœud de capteur autonome optimisé au niveau système. Il faudra que l’intelligence intégrée, qui sera réduite à l’essentiel, sélectionne la ou les sources les plus adaptées ainsi que les capteurs nécessaires et qu’elle transmette les données au nœud le plus proche. Pour cela elle adaptera le cycle de fonctionnement du système ainsi que le nombre de communications.
L’intelligence intégrée va être implantée dans une unité centrale numérique asynchrone, qui ne sera activée qu’en fonction du dépassement de niveaux d’énergie (approche appelée « energy driven »). Elle commandera les charges en fonction des demandes, des quantités de données à transmettre etde l’énergie disponible.

Les systèmes de récupération de l’énergie mécanique

La vie est infiniment liée à la vibration, nous générons continuellement des vibrations, que ce soit par l’intermédiaire de nos objets ou que ce soit directement par nos déplacements.
L’idée de pouvoir alimenter l’ensemble des capteurs présents dans notre environnement à l’aide de la récupération de l’énergie vibratoire générée par les systèmes qui s’y trouve n’est pas nouvelle. La taille réduite des nouvelles sources de récupération fabriquées à l’aide des technologies de la micro et de la nanoélectronique permet de créer des microsources d’énergie intégrées au circuit.
Un récupérateur vibratoire peut être approximé par un système masse-ressort amorti.
La figure I-28 présente de manière générique un système basé sur l’utilisation d’une masse sismique msoumis à une force de rappel k .

La conversion magnétique

L’induction électromagnétique, découverte par Faraday en 1831, consiste en la génération d’un courant électrique dans un conducteur placé dans un champ magnétique.
Dans la plupart des cas, le conducteur est sous la forme d’une bobine et l’électricité est générée par le mouvement d’un aimant dans la bobinegrâce à la variation du flux du champ magnétique (figure I-30). Le courant ainsi généré dépend de l’intensité du flux du champ magnétique, de la rapidité du déplacement de l’aimant et du nombre de tours de la bobine.

La conversion piézo-électrique

On trouve de nombreuses publications traitant des récupérateurs piézo-électriques. Les céramiques piézo-électriques ont depuis longtemps été utilisées pour convertir l’énergie mécanique en énergie électrique. Ils ont de très grands facteurs de qualité pour récupérer le maximum de puissance, mais ceci les rend très sélectifs sur la fréquence de stimulation. Nous ne nous intéresserons ici qu’aux systèmes dont le volume est inférieur au cm3.
Certains cristaux soumis à une contrainte mécanique se polarisent, cette polarité est proportionnelle à la contrainte subie. Inversement ces matériaux se déforment s’ils sont soumis à un champ électrique. Il existe un grand nombre de matériaux piézo-électriques, incluant des cristaux simples comme le quartz, les piézocéramiques comme le plomb zirconium de titane (PZT), des films fins de nitrure d’aluminium (AlN) ou d’oxyde de zinc, des films épais obtenus à l’aide de poudres de piézocéramiques ou des matériaux polymères tel que le polyvinylidenefluoride (PVDF). Les matériaux piézo-électriques ont des propriétés anisotropes qui diffèrent selon la direction et l’orientation des forces et de la polarisation.
Malheureusement les propriétés piézo-électriques évoluent avec le vieillissement du matériau, les stimuli et la température. Ces changements sontdépendants du mode de fabrication et du type de matériau. La température est un facteur limitant car si l’on dépasse le point de Curie le matériau se dépolarise et perd toutes ses propriétés piézo-électriques.
La poutre vibrante est un système performant pour la récupération d’énergie. Au niveau de l’encastrement de la poutre vibrante, le matériau est soumis à de fortes contraintes.
Les performances du système dépendent fortement de la géométrie et des matériaux utilisés.
Des systèmes utilisant la technologie des MEMS ont déjà été développés. Par exemple, le projet VIBES a permis d’élaborer un système de 1.5 mm x 0.75 mm sur substrat SOI avec une épaisseur d’oxyde de 2 µm et une épaisseur de silic ium de 4 µm pour une épaisseur totale de 400 µm (figure I-31). Ce système permet de récupére r 30 nW à une fréquence de fonctionnement de 900 Hz avec une excitation de 0.4g [MAR 2007].

Comparaisson des différents systèmes de récupération d’énergie

Les capteurs autonomes seront utilisés dans différents environnements. La source d’énergie pourra donc varier pour chaque type d’application. Un bon nombre de systèmes de communication sans fil (Wifi, Bluetooth) émettent des ondes radio à 2.4 GHz. Des capteurs autonomes pourraient utiliser cette énergie dissipée, bien que dans ce cas on ne puisse pas parler strictement de récupération d’énergie, dans la mesure où cette énergie est présente à cause d’une mauvaise sélectivité des antennes émettrices et réceptrices actuelles. Mais il faut tout de même noter qu’une source électromagnétique émettant à 20 dB peut alimenter un capteur munis d’une antenne de 310 mm3 à une distance de 4 m en fournissant une tension de 0.7 V [BHA 2006]. Il existe également d’autres sources de récupération d’énergie mais elles sont encore difficiles à mettre en œuvre, comme parexemple l’utilisation de la photosynthèse.

La gestion d’énergie

Introduction

Nous avons vu dans le chapitre sur « les microsystèmes autonomes » les différentes sources d’énergie susceptibles d’être utilisées pour l’élaboration d’un système multi-sources multi-capteurs. Ces sources ont en commun de fournir une faible puissance en sortie. De plus la tension délivrée par ces sources, qu’elles soient photovoltaïque ou thermique, est inférieure au volt et n’est pas suffisante pour alimenter directement une charge d’un nœud de capteur.
Pour pouvoir alimenter les charges du nœud, il est donc nécessaire de mettre en œuvre un circuit de gestion d’énergie qui va venir adapter l’énergie en entrée, pour répondre aux besoins des charges du microsystème. L’énergie en entrée est continue, mais elle est soumise aux variations de l’environnement. Le circuit de gestion d’énergie devra donc être capable de gérer une source continue qui varie lentement au cours du temps et d’utiliser l’énergie extraite pour alimenter une charge dont le courant va varier en fonction de son mode de fonctionnement (figure II-1).

Les principes de gestion d’énergie

Les régulateurs linéaires de type LDO

Le principe du LDO

Le régulateur linéaire de type LDO (Low Drop Out) est très utilisé pour convertir une source de tension continue en une tension inférieure indépendante du courant prélevé par la charge. Le drop-out ou tension de déchet d’un régulateur linéaire est défini par la différence entre les potentiels du drain et de la source du transistor de sortie (aussi nommé transistor ballast), qui sont respectivement la tension d’alimentation V BAT et celle de sortie V S (figure II-2). La valeur du drop-out minimum est la différenceminimum qu’il faut appliquer pour que le transistor de puissance soit dans un état passant et que le régulateur puisse ainsi fonctionner normalement. En effet, le régulateur contrôle le courant nécessaire à la sortie de manière à maintenir la tension de sortie stable. Les régulateurs linéaires ne peuvent fournir qu’une tension de sortie V S stabilisée inférieure à celle de l’entrée.

Les convertisseurs à découpage

Les convertisseurs à découpage, ou SMPS , font partie des convertisseurs d’énergie employant les principes de la commutation. Les convertisseurs, que l’on trouve usuellement pour gérer des puissances de quelques dizaines de watts jusqu’à de très fortes puissances, ont montré leur intérêt grâce au principe même de la commutation qui induit un rendement théorique proche de un. A très faible puissance, cet avantage se trouve amoindri par la part relativement plus importante des imperfections des composants (actifs et passifs). Néanmoins, ces systèmes ont un fort rendement et permettent tant l’élévation que la diminution de la tension en sortie. Les convertisseurs classiques convertissent une puissance en entrée définie par V in et I in en une puissance en sortie définie par V out et Iout . Ils sont conçus à partir de composants capacitifs, inductifs, de diodes et d’interrupteurs.

Les convertisseurs à découpage inductifs classiques

Principe des convertisseurs à découpage inductifs

Les convertisseurs à découpage inductifs peuvent soit fournir une tension de sortie plus élevée que l’entrée (ce sont alors des convertisseurs survolteurs, nommés boost), soit fournir un tension plus faible (ce sont alors des convertisseurs dévolteurs, nommés buck). Prenons le cas d’un convertisseur survolteur de type boost (figure II-4) fonctionnant à une fréquence fixe de travail. Ce système fait partie des architectures dites SISO.

Mesure analogique

La méthode la plus courante est d’utiliser une résistance placée en série avec l’inductance ou un transistor de puissance. La tension aux bornes est utilisée pour déterminer le courant traversant l’élément. L’inconvénient de cette solution est la quantité d’énergie dissipée. Une solution a été proposée par Sun en 2006 [SUN 2006] qui consiste à mesurer le courant moyen traversant une résistance en entrée d’un circuit convertisseur inductif. Cette méthode prend bien en compte les variations des tensions en entrée et en sortie pour déterminer le courant moyen à l’aide d’un circuit de compensation, mais celui-ci génèrel’essentiel des pertes.
Une autre méthode couramment utilisée consiste à utiliser un intégrateur pour déterminer le courant à partir de la tension de l’inductance. Cette méthode complexifie la conception. De plus, la précision de la mesure dépend de différents facteurs comme la tolérance lors de la fabrication de l’inductance ouencore la température.
Une troisième voie consiste à utiliser, comme Smithen 2000 [SMI 2000], la résistance en conduction du MOSFET au lieu de rajouter une résistance. Mais cette résistance de conduction varie avec la température. Si la résistance équivalente du transistor en conduction Ron est trop grande, le système va dissiper beaucoup d’énergie, réduisant significativement le rendement global du convertisseur. Dans les applications très faibles puissances, les Ron sont faibles et la tension doit être amplifiée par un circuit d’amplification qui augmente la consommation de manière importante. Ces méthodes sont surtout utilisées pour des courants minimum de charge de l’ordre de 300 mA.
Une méthode plus simple a été proposée par Lee en 2002 [LEE 2002]. Le circuit de la figure II-13 mesure une partie du courant traversant l’inductance à l’aide de miroirs de courant et d’un amplificateur opérationnel. Ce circuit est très précis. Par contre, à cause de la chute de tension au travers des transistors M5 et MR il ne peut pas être utilisé pour des applications à faibles tensions.

Extraction du maximum d’énergie

Les microsystèmes autonomes ont une taille restreinte. Ils ne délivrent donc qu’une quantité limitée d’énergie embarquée et l’énergie qu’ils peuvent récupérer est limitée. S’il est important de chercher à optimiser la récupération d’énergie il est tout aussi important de veiller au coût énergétique de cette optimisation. Cette attention doit être d’autant plus marquée que la majorité des systèmes d’optimisationde récupération d’énergie, notamment dans le domaine du photovoltaïque, ont été développés pour des applications de type moyenne ou forte puissance, où la puissance du module photovoltaïque est comprise en 50 W et 150 W, bien loin des puissances typiques des microsystèmes.
Les premiers systèmes de récupération d’énergie ont donc fait la part belle à des systèmes nécessitant des calculs coûteux implantés en temps réel sur des DSP . Ces seuls calculs ont une demande énergétique qui dépasse l’énergie totale récupérable par notre microsystème. Nous allons présenter les méthodes principalement utilisées pour maximiser la puissance récupérée et identifier celles qui sont transposables à notre domaine de puissance.

Mesure de l’énergie stockée

L’énergie stockée est mesurée à l’aide d’un système donnant l’état de charge de la batterie. Nous souhaitons effectuer le maximum de cycles de charge/décharge, ce qui nous contraint à mettre en œuvre un système de charge performant. L’estimation de l’énergie doit se faire avec un faible rapport cyclique (< 1%) de manière à ce que l’énergie pr élevée lors de la mesure n’impacte pas lefonctionnement du système. Ce rapport cyclique de mesure sera augmenté lors de la fin de la charge pour éviter toute surcharge.
Un système faible puissance de surveillance de l’état de charge a été développé au LETI pour une microbatterie (figure II-28). La microbatterie est considérée comme déchargée si la tension est inférieure à 1.6 V ± 0.1 V, et chargée si la tension est égale à 2.8 V. Un échantillonnage d’une seconde de la tension de la batterie est effectué une fois par heure. Ce système est basé sur des références de courant sansrésistance présenté par Oguey en 1997 [OGU 1997] et un circuit de trigger de Schmitt développé par Al-Srarawi en 2002 [ALS 2002].

Fonctionnement et transfert optimisés pour une intégration efficace dans la plate-forme multi-sources / multi-charges

Etat de fonctionnement du système

On peut adapter le fonctionnement du système en modifiant la fréquence des tâches ou
en le configurant dans un mode approprié. En effet,la majeure partie des circuits existants proposent plusieurs modes de fonctionnement afin deréduire la consommation lorsque ceuxci ne sont pas ou peu utilisés. Deux éléments importants doivent être pris en compte pour effectuer ces changements d’état du système : la quantité d’énergie dans le système et l’état de la mémoire.
Comme l’énergie est limitée dans le système, on ne peut pas se permettre d’effectuer des mesures que l’on ne peut pas enregistrer ou transmettre. Pour cela, il faut développer un algorithme adapté à chaque microsource, par exemple en utilisant un cycle diurne pour la récupération photovoltaïque. Pour augmenter l’efficacité de l’algorithme, on peut faire une interpolation entre les dernières valeurs d’énergie mesurées et des données issues de saisons et des influences météorologiques. Cette combinaison entre des données préétablies et des estimations ponctuelles de l’énergie récupérée peut améliorer les performances des systèmes de récupération d’énergie [KAN 2006, RAG 2006].
Dans notre architecture, toutes les informations sont centralisées par l’unité de contrôle. A partir de ces informations, l’unité peut adapter les tâches exécutées, grâce à la connaissance de leurs profils de consommation en fonction de l’énergie disponible. Le passage d’une tâche à l’autre sera alors défini pardes seuils énergétiques.

Conclusion

Après avoir exposé les différentes sources d’énergie disponibles dans l’environnement (Chapitre I), nous avons identifié l’énergie solaire comme étant l’énergie la plus intéressante dans un premier temps. Nous avons choisi d’utiliserdes cellules photovoltaïques développées dans la technologie CIGS qui est la plus prometteuse.
Le but de l’électronique de gestion d’énergie est d’extraire le maximum d’énergie et de maximiser l’énergie transférée par le convertisseur pour augmenter le temps de fonctionnement du système. Ceci permet d’alimenter les charges du microsystème à partir d’une plus large gamme d’irradiance. Il est pour cela nécessaire d’utiliser un système de gestion d’énergie capable de fournir une tension de sortie stabilisée en admettant des variations en entrée et en sortie.
Le système de gestion d’énergie doit être capable de fonctionner de manière autonome et doit pouvoir gérer des tensions faibles en entrée. Ceci nous demande de concevoir un système de gestion d’énergie capable d’élever cette tension d’entrée vers les valeurs nécessaires pour les charges du système.
L’exposé des différents systèmes de gestion d’énergie nous invite à concevoir un système à découpage survolteur de type boost, celui-ci étant le seul qui, en considérant les paramètres en entrée, nous permettra d’être fonctionnel tout en conservant un rendement intéressant pour le système. L’utilisation d’un convertisseur SMPS de type boost demande de définir une loi de commande du rapport cyclique. Cette commande permettra de déterminer le rapport cyclique optimal en fonction des variations de la sortie du module photovoltaïque, nous permettant ainsi d’extraire le maximum d’énergie du module photovoltaïque.
Le système aura besoin au minimum de deux sorties différentes. Une sortie alimentera les charges du système à basse tension (1.2 V et 1.5 V), et l’autre à plus haute tension (maximum 3.8 V) pour stocker l’énergie supplémentaire à l’instant t. L’énergie stockée reste indispensable pour les instants où l’énergie ambiante est faible ou inexistante.
L’architecture que nous proposerons dans le chapitre suivant devra récupérer efficacement l’énergie de la source en s’adaptant aux variations de l’environnement et au vieillissement de la cellule. Nous chercherons également à optimiser le transfert de l’énergie, c’est pourquoi nous implémenterons plusieurs chemins de puissance. Nous avons choisi un convertisseur à découpage de type boost, car il permet d’une part de créer des sorties multiples en conservant le même nombre de composants discrets, et d’autre part de maintenir un bon rendement pour une large plage de facteur de conversion.
Nous allons étudier dans le chapitre suivant le système de récupération d’énergie.
Nous simulerons un modèle haut-niveau du système avec le logiciel MatLab/Simulink. Ceci nous permettra de faire varier les paramètres du système et de tester sa fonctionnalité pour différentes conditions d’utilisation.

Table des matières
RESUME 
GLOSSAIRE 
INTRODUCTION 
CHAPITRE I : LES MICROSYSTEMES AUTONOMES 
1. INTRODUCTION
2. LES MICROSYSTEMES AUTONOMES
2.1 Etat de l’art
2.2 Le projet MANAGY
3. LES SYSTEMES DE RECUPERATION D’ENERGIE
3.1 Les systèmes photovoltaïques
3.2 Les générateurs thermoélectriques
3.3 Les systèmes de récupération mécanique
3.4 Comparaison des différents systèmes de récupéra tion d’énergie
4. CONCLUSION
CHAPITRE II : LA GESTION D’ENERGIE 
1. INTRODUCTION
2. LES PRINCIPES DE GESTION D’ENERGIE
2.1 Les régulateurs linéaires de type LDO
2.2 Les convertisseurs à découpage
2.3 Conclusion sur les régulateurs et les convertis seurs
2.4 Mesure de puissance
3. GESTION OPTIMISEE DE L’ENERGIE
3.1 Extraction du maximum d’énergie
3.2 Stockage efficace de l’énergie
4. FONCTIONNEMENT ET TRANSFERT OPTIMISES POUR UNE INTEGRATION EFFICACE DANS LA PLATE-FORME MULTI-SOURCES /MULTI-CHARGES
4.1 Etat de fonctionnement du système
4.2 Modification du chemin de puissance
4.3 Intégration dans la plate-forme MANAGY
5. CONCLUSION
CHAPITRE III : MODELISATION DU MODULE DE RECUPERATION PHOTOVOLTAÏQUE DU MICROSYSTEME AUTONOME 
1. INTRODUCTION
2. LES SYSTEMES DE RECUPERATION D’ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE
2.1 Le module photovoltaïque en CIGS
2.2 Les systèmes de récupération de l’énergie photo voltaïque CIGS
2.3 Comparaison du système proposé avec un système basique adapté à la technologie CIGS
3. MODELISATION DU CONVERTISSEUR DC/DC
3.1 Le convertisseur à double sortie
3.2 Le convertisseurr à double sortie avec la cellu le photovoltaïque
4. ETUDE ET SEGMENTATION DE LA METHODE DU MPPT
4.1 La méthode du MPPT simple capteur de tension
4.2 Simulation des sous-blocs de la méthode du MPPT 117 5. SIMULATIONS GLOBALES
5.1 Extraction du maximum d’énergie
5.2 Synthèse des spécifications
6. CONCLUSION
CHAPITRE IV : REALISATION DU SYSTEME DE GESTION D’ENERGIE 
1. INTRODUCTION
2. LES CONTRAINTES TECHNOLOGIQUES ET LA METHODE DE CONCEPTION
2.1 Choix de la technologie UMC 180 nm
2.2 La méthodologie de conception top-down
3. LE FILTRE DE PUISSANCE
3.1 Les transistors de puissance et les drivers ass ociés
3.2 La diode sans seuil
3.3 Le shunt (protection contre la surtension)
3.4 Le DTCL : Dead Time Control Logique
3.5 Fonctionnement global du filtre de puissance
4. LE BLOC POUR LA METHODE DU MPPT
4.1 Estimation de la variation de P PV (1 er sous-bloc)
4.2 Génération du nouveau rapport cyclique (2 e sous-bloc)
4.3 Génération du signal de type PWM (3 e sous-bloc)
5. LES BLOCS PERMETTANT LA REGULATION DU SYSTEME
5.1 Le BandGap
5.2 Le comparateur à hystérésis
6. PERFORMANCES GLOBALES OBTENUES
6.1 Démarrage du système
6.2 Le fonctionnement en régime établi
6.3 Le fonctionnement en cas de surcharge en sortie 168 6.4 Les performances du système
7. CONCLUSION
CONCLUSION ET PERSPECTIVES 
ANNEXE 1 : FONCTIONNEMENT D’UN CONVERTISSEUR DE TYPE BOOST
ANNEXE 2 : MISE EN EQUATION DU CONVERTISSEUR ASSOCIE AU MODULE PHOTOVOLTAÏQUE
ANNEXE 3 : INDUCTANCE TAIYO YUDEN CBC3225T220KR
ANNEXE 4 : CARACTERISTIQUES DE LA TECHNOLOGIE UMC 180 NM
ANNEXE 5 : EXPLICATION DU SCHEMA DU BLOC DE SELECTION ET DE COMPARAISON DES VALEURS ABSOLUES
ANNEXE 6 : ELIMINATION DU PASSAGE DU COMPTEUR/DECOMPTEUR DE LA DERNIERE VALEUR A LA PREMIERE ET VICE VERSA EN ADEQUATION AVEC LA METHODE DU MPPT
ANNEXE 7 : PIRES CAS TECHNOLOGIQUES POUR LE BANDGAP
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
BIBLIOGRAPHIE DE L’AUTEUR

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