Architecture de stockage auto-adaptatif à base de quatre supercondensateurs

Télécharger le fichier original (Mémoire de fin d’études)

Etat de l’art des architectures de stockage adaptatif

Introduction

Au cours des dernières décennies, les domaines de l’industrie aéronautique, de l’automobile, du contrôle de santé des structures (Structural Health Monitoring – SHM), du militaire, et plus récemment de l’usine du futur comptent parmi les principaux utilisateurs de capteurs sans fil.
Le capteur sans fil a connu depuis sa naissance de nombreuses progressions en termes de miniaturisation, diminution du poids et topologie de réseau : il permet de rassembler plusieurs capteurs dans un environnement, pour former un réseau de capteurs sans fil. Mais, un des problèmes principaux de ces dispositifs est leur autonomie énergétique, qui constitue un verrou majeur à leur déploiement massif.
Afin d’assurer une autonomie énergétique importante, voire obtenir une autonomie totale pour déployer d’une façon générale les capteurs sans fil, une solution consiste à récupérer l’énergie ambiante, qui peut être d’origine vibratoire, mécanique (force, pression), thermique ou lumineuse (solaire). Une unité de stockage est généralement obligatoire pour gérer l’intermittence de la source d’énergie.
Les unités de stockage les plus connues sont les batteries et les supercondensateurs. Le plus grand inconvénient des batteries est leur durée de vie limitée (3000 à 4000 cycles) qui nécessite leur remplacement. Même si les nouvelles technologies de circuits intégrés faible consommation ont permis l’allongement de leur durée de vie, le remplacement de centaines voire de milliers de batteries n’est économiquement pas viable. Se rajoutent également des limitations en termes de charge en présence de températures extrêmes (négatives ou positives) qui peuvent conduire à des problèmes de sécurité (explosion).
Dans certains cas, le supercondensateur est alors plus intéressant que la batterie. D’une part, dans le cas des températures extrêmes (sur les avions), contrairement aux batteries, il ne présente pas de problèmes en termes de sécurité. D’autre part, il bénéfice d’une durée de vie nettement plus grande (jusqu’à 500 000 cycles) que celle d’une batterie et le pic de puissance qu’il peut délivrer est bien plus élevé.
L’inconvénient du supercondensateur est que le niveau de tension à ses bornes dépend de sa charge. Lorsque le système démarre avec le supercondensateur vide, le démarrage du système ne pourra avoir lieu que lorsque la charge du supercondensateur par le système de récupération d’énergie aura atteint une tension suffisante pour alimenter l’électronique. Ainsi, pour assurer l’autonomie d’un système sans fil, il est nécessaire de choisir un élément de stockage d’énergie (supercondensateur) d’une grande valeur de capacité, mais cela va induire un démarrage très long. Inversement, pour obtenir un démarrage rapide et pour augmenter le taux d’utilisation de l’énergie stockée, la capacité de l’élément de stockage devrait être petite. Un compromis est donc à trouver entre ces deux contraintes contradictoires.
Une solution alternative à ce problème est d’utiliser une architecture de stockage adaptative. Le concept des architectures de stockage d’énergie adaptatives est d’utiliser une matrice constituée de plusieurs supercondensateurs dont l’agencement est modifié selon l’état de charge et de décharge. Ces architectures résolvent en globalité les problématiques citées précédemment et assurent une meilleure fiabilité et optimisation du coût et rendement des systèmes électroniques (consommation).
Dans ce chapitre, avant de détailler nos travaux sur le concept du stockage adaptatif, nous présentons d’abord les limitations des capteurs sans fil. Ensuite, nous rappelons les principaux systèmes de récupération d’énergie qui jouent un rôle pour résoudre la contrainte d’autonomie énergétique.
Après un rapide historique sur les unités de stockage d’énergie et les différents moyens de stockage d’énergie existants (électrochimique, électrostatique), nous présentons le domaine d’application favori pour chacune des technologies avec une étude comparative, afin d’appréhender le choix par rapport aux systèmes que l’on cherche à alimenter.
Puis, nous présentons un état de l’art des différentes topologies des systèmes de stockage d’énergie adaptatif, leur domaine d’application, les conditions d’utilisation (courant, tension et puissance), la consommation de la logique de contrôle, les avantages et les inconvénients de chaque topologie.
Nous terminons par une étude comparative des différentes topologies publiées dans la littérature afin d’introduire l’intérêt et les objectifs des trois approches de stockage adaptatif que nous présentons dans les chapitres suivants de ce mémoire.

Autonomie énergétique des réseaux de capteurs sans fil

Les principales caractéristiques

L’apparition des capteurs sans fil (Wireless Sensor Network, WSN) remonte à la guerre froide, pour des projets de surveillance électronique des groupes d’opérations militaires. L’encombrement et le poids de ces capteurs sans fil (31 pouces et 12Kg) ont poussé les recherches vers le concept de miniaturisation. Dans les années 1990, le précurseur dans le domaine a été le groupe du Pr. Kris Pister de l’université de Berkeley en Californie qui a réalisé des capteurs de taille millimétrique appelés « Smart Dust » (voir Figure 1-1) comprenant un système de communication optique, alimenté par une source de récupération d’énergie (cellule photovoltaïque) [5]. Il faut bien noter qu’ils ont utilisé la récupération d’énergie ambiante pour augmenter l’autonomie énergétique de ces systèmes.

Table des matières

Remerciement
Introduction générale
1. Etat de l’art des architectures de stockage adaptatif
1.1. Introduction..
1.2. Autonomie énergétique des réseaux de capteurs sans fil
1.2.1. Les principales caractéristiques
1.2.2. Verrou majeur de l’autonomie énergétique
1.2.3. Récupération d’énergie ambiante
1.2.4. Solution idéale pour l’autonomie énergétique des capteurs sans fils
1.3. Technologies de stockage d’énergie
1.3.1. Unité de stockage : électrochimique et électrostatique
1.3.2. Stockage d’énergie
1.4. Principe du stockage adaptatif et différentes topologies reconfigurables
1.4.1. Topologie 1
1.4.2. Topologie 2
1.4.3. Topologie 3
1.4.4. Topologie 4
1.4.5. Topologie 5
1.4.6. Topologie 6
1.4.7. Topologie 7
1.4.8. Topologie 8
1.4.9. Topologie 9
1.5. Synthèse
1.6. Objectifs et positionnement de la thèse
2. Architecture de stockage auto-adaptatif à base de quatre supercondensateurs
2.2. Introduction..
2.3. Principe de base
2.4. Principe de fonctionnement
2.5. Analyse des pertes du système idéal dans le cas de dispersions des valeurs des
supercondensateurs
2.5.1. Calcul des pertes lors des commutations
2.5.2. Calcul des pertes maximales lors des commutations pour différentes tolérances
2.6. Analyse du pic de courant d’équilibrage pour un système réel
2.7. Paramètres de contrôle
2.7.1. Choix des seuils de commutation pour la structure B
2.7.2. Circuiterie de contrôle
2.7.3. Choix des composants
2.8. Résultats de simulation à l’aide du logiciel LTspice
2.9. Analyse des supercondensateurs
2.10. Réalisation en composants discrets
2.11. Résultats expérimentaux
2.11.1. Validation du principe
2.11.2. Profil de charge
2.11.3. Profil de décharge
2.11.4. Difficultés rencontrées
2.12. Analyse des résultats
2.13. Implémentation dans une application de capteur sans fil
2.14. Intégration en technologie CMOS
2.14.1. Description du circuit intégré
2.14.2. Performances du circuit intégré
2.15. Conclusion
3. Architecture de stockage auto-adaptatif à base de deux supercondensateurs
3.1. Introduction..
3.2. Architecture de stockage adaptatif à base de deux SCs et d’interrupteurs CMOS
3.2.1. Structure de Base
3.2.2. Principe de fonctionnement
3.3. Paramètres de contrôle
3.3.1. Choix des seuils
3.4. Bloc de commande
3.4.1. Circuit en logique séquentielle
3.4.2. Choix des composants : Valeurs des supercondensateurs
3.4.3. Choix des composants : logique de commande
3.5. Résultats de simulation sur LTspice
3.6. Réalisation en composants discrets
3.7. Résultats expérimentaux
3.7.1. Validation du principe
3.7.2. Problèmes rencontrés lors des tests expérimentaux
3.8. Nouvelle version de l’architecture de stockage auto-adaptatif avec interrupteurs CMOS
3.9. Analyse des résultats
3.9.1. Analyse en simulation
3.9.2. Analyse expérimentale
3.10. Architecture de stockage adaptatif à base de deux SCs avec interrupteurs MOS discrets
3.10.1. Structure de base
3.10.2. Principe de fonctionnement
3.11. Choix des interrupteurs MOS
3.11.1. Combinaison entre un PMOS et un NMOS à enrichissement
3.12. Choix des composants
3.13. Réalisation en composants discrets
3.14. Validation expérimentale du principe de fonctionnement
3.15. Analyse des résultats
3.16. Conclusion
4. Implémentation du stockage auto-adaptatif : alimentation d’un noeud de capteur sans fil et sans batterie
4.1. Introduction
4.2. Systèmes sous test
4.1.1. Système noeud de capteur « Module Jennic »
Composition du module
Fonctionnement du Jennic
4.1.2. Système de stockage et d’alimentation d’énergie
4.1.3. Source et récupération d’énergie
4.2. Structure générique dans une application solaire
4.3. Essais et analyse
4.3.1. Tests avec le générateur photovoltaïque en version basique
4.3.2. Tests avec le générateur photovoltaïque + BQ25504
4.4. Autodécharge des supercondensateurs
4.5. Conclusion
Conclusion générale
5. Annexes
5.1. Annexe 1 : Evaluation des pertes en énergie en présence de dispersions des capacités
pour les structures A et B..
5.2. Annexe 2 : Schématique de la structure de stockage auto-adaptative à quatre
supercondensateurs avec la logique de contrôle.
5.3. Annexe 3 : Synthèse de la circuiterie de contrôle de l’architecture à 4 SCs
5.2. Annexe 4 : Schématique de l’architecture de stockage auto-adaptatif version CMOS
5.3. Annexe 5 : Analyse des pertes en simulation sur LTspice
5.4. Annexe 6 : Calcul des seuils maximale et minimal du V d’hystérésis
5.5. Annexe 7 : Schématique de l’architecture de stockage auto-adaptatif version MOS
5.6. Annexe 8 : Schématique de l’architecture de stockage d’énergie avec un
supercondensateur de capacité fixe.
Bibliographie
Table des figures
Liste des tables
Liste des publications
Résumé
Abstract