Thèmes de recherche

GEII
GEII

Intégration de Systèmes de Gestion de l’Energie
Présentation


Le LAAS est constitué en 4 pôles correspondant à ses principales thématiques. ISGE est rattaché au pôle MINAS (MIcro et NAno Systèmes) qui rassemble les activités de 8 des 19 groupes. L’activité du groupe ISGE concerne l’intégration de systèmes capables d’assurer une conversion de l’énergie électrique opérationnelle et sécurisée.
 

Elle s’appuie sur la plateforme technologique du LAAS et est structurée selon 5 thèmes complémentaires et interdépendants :

 - Nouveaux composants de puissance (Si, GaN, diamant).
 - Systèmes de conversion et de gestion de l’énergie (photovoltaïque, multi-sources, alimentation de réseaux de capteurs sans fil). 
 - Fiabilité vis-à-vis d’agressions extérieures (décharges électrostatiques, radiations, interférences électromagnétiques). 
 -  Intégration de fonctions et systèmes de conversion et gestion de l’énergie (composants actifs et passifs).
 - Modélisation électrique et thermique pour la prédiction de la fiabilité. 


 

Concernant ce dernier aspect, l’approche retenue est basée sur l’analyse fine (3D) des phénomènes physiques régissant le fonctionnement des interrupteurs de puissance. Ainsi les couplages multi-physiques (notamment électro-thermique) sont pris en compte et les différents modes de fonctionnement (statique, dynamique, extrême,…) peuvent être décrits.
 

Contribution, démarche, méthodologie

 

Concernant la modélisation des composants semi-conducteurs proprement dite, le compromis recherché est entre la rigueur de description de la physique microscopique et les temps de calcul. Le point fort de la démarche du LAAS réside dans la prise en compte dans les régions de base des composants bipolaires de puissance des phénomènes de dynamique des charges répartis décrits de manière « raisonnablement » simplifiée par l’équation de diffusion ambipolaire.

L’originalité de sa résolution consiste en une décomposition en équations simplement différentielles compatibles avec une implantation dans des simulateurs électriques classiques. L’enjeu actuel est le portage de ces modèles en VHDL-AMS qui devient le standard des langages de description multi-domaines, multi-échelles et est donc particulièrement prometteur pour la simulation au niveau système des convertisseurs d’énergie électrique.

Parmi les nombreux avantages on peut citer :

 - Réalisation de modèles intégrant différents niveaux de description en fonction de la précision recherchée ou de la phase de conception. 
 - Auto-vérification des domaines de validité des modèles.
 - Intégration possible en tant que diagrammes paramétriques de bas niveau dans des logiciels d’ingénierie des systèmes utilisant SysML (Systems Modeling Language).

Collaboration et diffusion


Projets réalisés et en cours

 

Le portage en VHDL-AMS (sous Questa ADMS) du modèle de composant de base de l’électronique de puissance qu’est la diode PIN donne d’excellents résultats. L’adaptation de la démarche au composant majeur actuel qu’est l’IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) est en cours. Les travaux à venir concernent :

 - La prise en compte des couplages électro-thermiques en régime dynamique.
 - L’intégration des diverses technologies d’optimisation des composants (Punch-Through, Non Punch-Through, Trench).
 - L’adaptation aux nouveaux matériaux grands gaps / haute température (GaN, SiC, diamant).
 - La modélisation de nouveaux composants (discrets ou en intégration fonctionnelle) en cours de développement.
 

Compétences extérieures utilisées

 

La mise à disposition de modèles totalement opérationnels créés par des spécialistes de la physique du semi-conducteur à destination d’utilisateurs généralistes ne peut s’envisager que grâce à la mise en œuvre complémentaire des compétences spécifiques dans les 2 axes suivants :

 - Caractérisation matérielle : bancs de tests électriques dédiés (régimes statique, dynamique, et extrême) pour l’identification des paramètres des modèles et outils d’analyse technologique. 
 - Optimisation logicielle : détermination de jeux de paramètres par défaut, approche « boîte noire » à partir de données constructeur, études de sensibilité et de couplage, procédures numériques de « fit », vitesse de convergence.
 

Valorisation transférable et application

 

A terme, le prototypage virtuel des convertisseurs d’énergie électrique est visé, avec pour objectif la réduction du nombre de maquettages matériels par l’accès en simulation aux éléments suivants :

 - Choix technologique et dimensionnement électrique des composants (circuits de commande, actifs, passifs, câblage).
 - Détermination des pertes, de la température de fonctionnement, du rendement global et dimensionnement du système de refroidissement. 
 - Prévision du comportement électromagnétique et positionnement du produit par rapport aux normes CEM applicables.
 - Estimation de la fiabilité globale du système, de sa robustesse vis-à-vis des disparités sur ses constituants et de sa durée de vie.
 

Partenaires et secteurs d’activités


Les domaines visés s’étendent des micro-convertisseurs pour les systèmes personnels portables grand public en passant par les alimentations à découpage et les applications sur le réseau de distribution, la conversion électrique des énergies renouvelables, jusqu’aux niveaux de puissance élevés pour la traction électrique qu’elle soit pour l’automobile, l’aéronautique ou le ferroviaire. Dans ces derniers secteurs, les partenaires actuels ou futurs, industriels ou académiques, locaux régionaux nationaux ou internationaux seront particulièrement privilégiés dans le cadre de la plate-forme d’innovation PRIMES en création sur le site de Tarbes. 
Compatibilité Electromagnétique des Composants
Présentation


Alors que les efforts continus de miniaturisation et d’intégration des circuits intégrés ont contribué à améliorer leurs performances (vitesse, faible consommation, …), assurer la compatibilité électromagnétique (CEM) des composants électronique reste un véritable challenge.
Ainsi, au cours ces 10 dernières années, l’importance des contraintes en terme de faible émission parasite et de faible susceptibilité aux interférences radiofréquences n’a fait que se renforcer.
 

Contribution, démarche, méthodologie

Nos activités de recherche se développent autour de 3 axes principaux :
 

 -  Mettre en évidence les problèmes de CEM au niveau composant (développement d’outil et de méthodes de mesures innovantes à l’échelle du composant).
 -  Prédire les performances électromagnétiques des composants (développement d’outils et de modèles permettant de simuler le niveau d’émission d’un composant ainsi que sa susceptibilité aux agressions électromagnétiques).
 -  Réduire les problèmes de CEM des composants (règles de conception, logiciel défensif, protection externe, ...). 
Projets et collaborations


Projets


Dans le cadre du groupe de travail (WP2) du projet européen Electromagnetic compatibility Platform for Embedded Applications (EPEA ), une méthode de mesure champ proche en immunité a été proposée. Ce projet regroupait des partenaires académiques et industriels du domaine des applications embarquées critiques.
 

Collaboration nationale et internationale


Dans le cadre de l’activité portant sur le développement et la mise en œuvre de logiciels défensifs afin de d’améliorer la fiabilité électromagnétique des systèmes, une collaboration étroite est établie entre l’université de Feng Chia (Taïwan), l’ESEO d’Angers et le Lattis. Les trois entités travaillent sur une même plate-forme matérielle développée à l’IUT de Tarbes.
Observation et Etude des systèmes météorologiques par télédétection
Présentation


La télédétection est indispensable pour l’observation des phénomènes atmosphériques. Elle peut être active (radar, lidar, …) ou passive (radiomètre, …). Les radars utilisés pour la recherche sont de différentes longueurs d’onde suivant ce que l’on veut observer. Les fréquences les plus élevées (35 GHz, 94 GHz, …) sont utilisées pour l’observation des petites particules d’eau (gouttes, cristaux de glace, diamètre d < 200 μm) qui forment les nuages. En présence de grandes particules, comme rencontrées dans les pluies convectives (d > 1 mm), ces fréquences présentent l’inconvénient d’être fortement atténuées (l’observation n’est alors plus possible) et inadaptées (l’observation est "déformée").
Pour observer les systèmes précipitants on utilise généralement des fréquences comprises entre 3 GHz (bande S) et 10 GHz (bande X). Les radars sont surtout utilisés de façon opérationnelle pour des applications hydrologiques (mesure de la quantité d’eau tombée au sol), par exemple pour la prévision des crues, ou pour la prévision immédiate des risques météorologiques, par exemple à bord d’un avion.
 

Quelques Résultats


Etude des propagations anormales de l’onde radar
 

Une onde électro-magnétique se propage en ligne droite dans le vide, mais il en est autrement dans notre atmosphère. Les variations de l’indice de réfraction (lié à la température et l’humidité notamment) du milieu traversée par l’onde entraine une courbure de la trajectoire. Si cette déviation est suffisament importante, le faisceau radar initialement dirigé vers les nuages peut venir frapper le sol. Alors que l’on pense observer de la pluie, les échos proviennent du sol.

Ce phénomène de propagation anormale est observé depuis bien longtemps pour des longueurs d’onde correspondant au domaine visible, il est communément appelé un mirage.

Dans cette étude les données utilisées proviennent du radar météorologique de Bordeaux appartenant au réseau de Météo-France.

Des statistiques on été faites sur une année de données, ce qui représente plus de 100000 images. La figure 4_1 montre le cumul de présence des échos de propagation anormale sur l’année d’observation. De par ces « défauts » de propagation, un radar, dont l’antenne est dirigée vers le ciel pour observer l’atmosphère, fournit des données permettant de restituer une carte du sol de la région ! (ref. "Cumulative distributions of anomalous propagation radar echoes as a climate descriptor", Journal of Applied Meteorology and Climatology, Vol. 49, No. 11, 2010). 


Estimation du risque météorologique par un algorithme utilisant une logique floue
 

Cette étude a été menée, en collaboration avec la société Thalès, pour le traitement des données des radars météorologiques embarqués dans les avions de ligne, elle a conduit au dépôt de plusieurs brevets.

Le pilote d’un avion utilise un système d’observation météorologique lui donnant des informations sur l’état de l’atmosphère en cours de vol et plus particulièrement sur les risques inhérents aux situations météorologiques qu’il rencontre en cours de vol. Ce système comporte notamment un radar météorologique permettant de restituer un champ de réflectivité en 3 dimensions. Ce champ est obtenu en effectuant avec le radar plusieurs balayages successifs suivant différents angles de site et azimut. En chaque point d’une grille 3D couvrant le domaine d’observation on dispose d’un facteur de réflectivité lié à la longueur d’onde utilisée et aux propriétés de réflexion et de rétro-diffusion des cibles présentes dans un volume de résolution. Sur l’écran de contrôle dans le cockpit le pilote voit s’afficher l’information de réflectivité généralement en quatre niveaux de couleurs représentant soit l’absence de signal soit un facteur de réflectivité faible, modéré ou fort.

Le pilote utilise ces informations pour décider s’il peut conserver la trajectoire prévue pour son avion ou bien s’il doit la dévier pour éviter une zone comportant des risques liés à la situation météorologique (par exemple un orage).

Pour simplifier la démarche du pilote dans sa prise de décision il est nécessaire de traduire le champ de réflectivité observé par le radar en un champ décrivant le niveau de risque météorologique.

Collaboration et projets en cours


 - Développement d’une version “full 3D” de l’algorithme de restitution du risque météorologique.
 - Développement d’un algorithme de décomposition spectrale des champs de réflectivité pour améliorer la précision de mesure des radars météorologiques.
 - Projet de campagne de mesure de la vapeur d’eau et du contenu liquide des nuages depuis le Pic du Midi avec un radiomètre micro-ondes.
 - Collaboration avec l’Université Fédérale d’Alagoas au Brésil pour le développement d’applications radar. Participation au développement d’un centre de recherche au Mozambique.

Projet CONCIGI_HT
Présentation


Le projet CONvertisseur alternatif-continu Compact et à Isolement Galvanique Intégré Haute Tension (ANR-08-VTT-013 - Programme Véhicules pour Transports Terrestres) concerne la réalisation, pour la traction électrique ferroviaire, d’une architecture de conversion alternatif-continu haute tension compacte et à isolement galvanique intégré.
L’objectif du projet est la réalisation préindustrielle d’un bloc élémentaire d’une architecture de conversion modulaire. Il s’agit d’arriver à une intégration de puissance la plus avancée possible en tenant compte de la contrainte d’isolation Haute Tension fixée pour un réseau 25 kV/50Hz à 80 kV.
Pour une puissance d’environ 2 MW, correspondant à une automotrice bi-caisse, l’association de l’ensemble des modules intégrés doit apporter, par rapport à une solution standard incluant un transformateur 50 Hz et des redresseurs MLI, un gain significatif (au moins dans un rapport 2) en volume et en masse tout en ayant un rendement identique voire supérieur.
 

DÉMARCHE, MÉTHODOLOGIE


La structure complète qui va remplacer le transformateur basse fréquence sera composée de plusieurs étages.
Actuellement on estime le nombre d’étages qui seront nécessaires entre 12 et 18 suivant les caractéristiques des interrupteurs qui seront disponibles sur le marché.
Aujourd’hui, il s’agit de développer et de réaliser un étage complet de la nouvelle structure. Cet étage élémentaire doit être capable de commuter des courants de 120A sous des tensions de 3600V. Il se compose, entre autres, d’un commutateur de courant et d’un onduleur de tension.
es deux convertisseurs statiques doivent mettre en œuvre des interrupteurs fonctionnant non plus en commutations dures comme jusqu’à présent, mais en commutations douces. Les interrupteurs du commutateur de courant fonctionneront en mode Thyristor (blocage sous courant nul) et ceux de l’onduleur de tension fonctionneront en mode Thyristor Dual (amorçage sous tension nulle). Les commutations douces permettent un gain significatif au niveau des pertes en commutation et par conséquent, elles permettent une augmentation de la fréquence de fonctionnement de l’ensemble.
Grâce à l’augmentation de cette fréquence on vise une diminution du poids du transformateur en passant de 10 tonnes à 1 tonne.
Collaboration et diffusion


Type de projet


Le transformateur est l’élément le plus volumineux et le plus lourd de la chaîne de traction, c’est celui qui a connu le moins d’évolution. Trouver un dispositif capable de remplacer l’ensemble "transformateur basse fréquence + redresseur" est une idée qui ne date pas d’aujourd’hui. Pour mener à bien un tel projet, il faut mener de front les différentes problématiques en y intégrant des ruptures technologiques pour obtenir un gain maximal. Les principaux verrous technologiques sont : la disponibilité d’interrupteurs fort calibre, la solution d’isolation 60 kV pour ces interrupteurs, le refroidissement compatible avec ces isolations, le packaging.
 

Apport au Projet


Pour atteindre les objectifs fixés, l’une des problématiques étudiées est de développer un nouvel allumeur. Ce driver doit prendre en compte les conditions de courant ou de tension autour de chaque interrupteur pour n’autoriser son blocage (mode thyristor) ou son amorçage (mode thyristor dual) que si les conditions extérieures sont favorables (courant nul ou tension nulle). Par exemple, en mode thyristor dual nous devons mesurer la tension aux bornes de l’interrupteur (jusqu’à 3600V) pour en extraire une image qui sera ensuite traitée par l’électronique numérique du driver. Le support technique du département GEII est fortement impliqué dans la réalisation de cet allumeur.
 

Valorisation et applications


Les travaux de R & D s’orientent à la fois vers les nouveaux systèmes embarqués de propulsion électrique incluant le stockage et la récupération de l’énergie, appliqués au ferroviaire, à l’aéronautique, à l’automobile. L’ambition de ce projet industriel est de réduire drastiquement la masse et le volume de l’étage d’alimentation d’une locomotive ou d’un TGV. Les partenaires visent l’intégration de puissance la plus avancée possible. Le gain de volume permettra d’accueillir des passagers supplémentaires. Le gain de masse permettra la diminution de la charge à l’essieu ce qui entrainera une diminution de la consommation électrique. Nous entrons dans l’ère des trains avec un éco design.
 

Secteurs d’activités


Dans le secteur ferroviaire, la réduction de la masse et du volume de la chaîne de traction est une nécessité. ALSTOM, comme ses principaux concurrents du domaine (BOMBARDIER, SIEMENS) se sont tous penchés sur cette problématique. Ils ont développé des solutions différentes permettant des gains plus où moins importants. Les nouvelles générations de moteur (moteur à aimant permanent) permettent des puissances massiques importantes (de l’ordre de 1kW par kg) et donc des gains de masse intéressants. La partie électronique de puissance a, grâce aux nouveaux matériaux (packaging) et à des nouvelles méthodes de refroidissement (refroidissement double face), obtenu de fort gain en masse et volume.
Stockage de l’énergie électrique dans les systèmes autonomes et embarqués
Présentation


Dans un système embarqué, le stockage de l’énergie électrique est réalisé principalement par des accumulateurs électrochimiques (plomb-acide, lithium-ion,…). Grâce à la réversibilité des réactions au sein de ces éléments, il est possible de les recharger à partir d’une source d’énergie électrique (réseau embarqué, panneau photovoltaïque, générateur).

L’autonomie est dépendante du niveau d’énergie stockée dans l’accumulateur (exprimée en Ah associée à une tension). Dans le domaine des transports (rail, route, avion), les besoins en énergie sont plus élevés. Pour un véhicule électrique, l’énergie embarquée est de l’ordre de 20kWh (72mégaJoule) pour une autonomie d’environ 150km.
 

Toutefois, d’autres paramètres influencent l’autonomie d’un système. La température interne de l’accumulateur, le vieillissement, le profil de courant de l’accumulateur, …

Ma thématique de recherche porte sur l’impact de ces paramètres sur l’énergie disponible au sein des accumulateurs. Dans le cadre de ma thèse, j’ai commencé ces travaux à l’université d’Artois (laboratoire LSEE). Actuellement, je les poursuis au laboratoire LAPLACE dans le groupe GENESYS.
 

MODELISATION ET ESSAIS EXPERIMENTAUX

 

Lors de mes travaux de thèse, une étude de l’influence d’un courant de charge à forte composante sinusoïdale (sin²) sur l’efficacité de la charge d’une batterie au plomb-acide a été effectuée. Cette forme particulière du courant de charge est présente lorsque le chargeur de batterie fonctionne en correction de facteur de puissance. Une hypothèse a été émise à partir du modèle de Randles de la cellule électrochimique et de la forme du courant de charge : la valeur moyenne du courant circule dans la branche Faradique du modèle tandis que la composante sinusoïdale à 100Hz circule dans la branche capacitive. Des essais expérimentaux ont montré que l’efficacité de la charge n’est pas dégradée.

Actuellement, au sein du groupe GENESYS du laboratoire LAPLACE, je travaille sur une application aéronautique concernant l’hybridation d’un réseau électrique de secours par des accumulateurs lithium-ion. La source électrique de secours employée sur un avion « plus électrique » est une turbine éolienne. Son hybridation avec un accumulateur lithium-ion permet de réduire sa taille. Différentes stratégies d’hybridation ont été testées sur un banc expérimental.

Collaboration et diffusion

Réalisation d’un convertisseur de puissance (contrat CIFRE)

Les travaux de thèse effectués, en collaboration avec la société Hawker, ont donnés lieu à la réalisation d’un convertisseur de puissance de 1,5kW fonctionnant soit en chargeur de batterie ou variateur de vitesse pour un chariot électrique de manutention à motorisation continue.
 

Secteurs d’activités

Les travaux de thèse ont été effectués dans la cadre d’une collaboration (CIFRE) entre le laboratoire LSEE de l’université d’Artois et la société HAWKER (fabricant de batterie au plomb et chargeur de batterie pour chariots électriques de manutention et pour des applications stationnaires).

L’étude menée au LAPLACE sur le réseau électrique de secours et son hybridation par des accumulateurs lithium-ion est réalisée dans le cadre d’un programme scientifique regroupant les industriels du secteur aéronautique (AIRBUS) et du secteur des accumulateurs (SAFT).