poly-8-Energie autonomie Fichier

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3A EMS
Energie pour les systèmes
nomades
Matthieu Denoual
Problématique de l’énergie des systèmes autonomes
 Contexte d’économie d’énergie (energy saving)
Contexte de dispositifs portables (handheld application, carry-on-me)
 Contexte capteurs sans fils (alim, comm)
 Contexte ultra-spécifique des systèmes autonomes
capteurs sans fils; « Smart dust »
Autonomie
Dimensions
limitées par la
taille et la capacité
des batteries
2
Energie pour systèmes nomades
1
3A EMS
Problématique de l’énergie des systèmes autonomes
La majeure partie du
poids et de la taille du
dispositif est liée aux
batteries et au packaging
5 cm
dispositif de mesure dans sans fils MICA
 Cahier des charges d’application :
 cartographie (pression, température, humidité, …)
 5 V, consommation 20 mA, 1 année d’autonomie
sur batterie Li-ion (1400 J/cm3)
 volume de batterie : 2200 cm3
 Qui va changer les batteries ?
 Besoins de sources d’énergie adaptées au
développement de nouvelles applications
comme les capteurs sans fils.
 plus grande capacité
 autonomie illimitée
5
Sources d’énergie pour les systèmes autonomes
1. énergie stockée
pas cher
sans fils
2. production d’énergie
portabilité
capteurs sans fils
rendement
intégration
carburant
pas cher
densité d’énergie
miniaturisation
source
d’énergie ?
3. transmission d’énergie
4. récupération d’énergie
energy harvesting
sans fils
intégration
illimitée
distance
source primaire
rendement
illimitée
intégration (~)
rendement
densité de puissance
stockage de l’énergie
6
2
3A EMS
énergie stockée
Moyen de stockage
Condensateur
Énergie ; puissance volumique
Électrolytique
W=C.V 2/2 ; 600 J/litre
Film
1000 J/litre ; 0.3 W.h/litre
Supercapacité
Avantages
Claquage isolant, limite en tension 600 V, puissance de
décharge 10 mA/µF à 40°C, réactions chimiques
Coût
15 W.h/kg
Cyclabilité
Coût très élevé
30-50 W.h/kg ; 80-150 W/kg
50 W.h/kg ; 200 W/kg ; 650 J/cm 3
65 W.h/kg ; 860 J/cm3
160 W.h/kg ; 1440 J/cm3
Bon marché
Moins lourd que plomb-acide
Matière active 10 à 30% de la masse, limitations en
température.
Poids
Plus cher que plomb-acide, effet mémoire
Très léger
Très réatif, charge très précise
Accumulateurs
électrochimiques
Plomb-acide
NiCd
NiMH
Lithium-carbone
Limitations
Volant d'inertie
Énergie cinétique W=J.Ω2/2 ;
100-150 W.h/kg; 25 W.h/kg effectif
Puissance impulsionnelle
Coût élevé, problèmes de sécurité, pas mûr
industriellement
Inductances
Énergie magnétique W=L.I2/2 ;
4 W.h/litre
Énergie stockée dans l'air
Conservation, bobinages supraconducteurs, pollution
électromagnétique, basse température
Stock age hydraulique
10 GW.h ; 100 MW
Grande énergie, simple
Pas transportable
12 kW.h/kg
7 kW.h/kg
12,2 kW.h/kg
12,7 kW.h/kg
Densité énergétique
Combustibles
Essence, diesel
Éthanol
Méthane
Propane
Ressource
Pollution, rejet
7
Récupération d’énergie (energy harvesting)
 Questions : quelle énergie récupérer ? comment la récupérer ?
Energies disponibles :
lumière solaire/ambiante
gradients de température
flux d’air, puissance acoustique
vibrations
Human power
22
3
3A EMS
 Questions : quelle quantité disponible ? ~10-100µW/cm3
essentiellement :
réseau de capteurs.
-faible débit
d’information,
-longues périodes de
veille,
-pas de contrainte de
temps réel et de
sécurité.
que faire
avec
100µW ?
23
lumière solaire/ambiante
 Lumière solaire/ambiante
Puissance lumineuse maximum : 100 mW/cm2 (jour ensoleillé à midi)
Lumière dans un bureau : 0.4 à 2 mW/cm2
Lumière artificielle dans un bureau : 0.1 à 1.5 mW/cm2
 Rendement des cellules solaires
silicium amorphe : 13%
silicium cristallin : 22%
matériau III-V : 30%
photoelectric dyes : 5% à 10%
Nécessite de la lumière et de la surface
BWRC - BMI - Solar Powered PicoRadio Node
25
[ASTIER]
4
3A EMS
 dispositifs thermoélectriques :
le rendement maximum est
 limité théoriquement par le rendement idéal de Carnot :
C 
Tc  T f
Tc
 limité en pratique par les matériaux disponibles :

avec
Tc  T f
Tc
1  ZT m  1
T
1  ZT m  f
Tc
fonction de ZT m appelé facteur de mérite
Z 
S2

T f températur e froide
le coefficient de mérite du matériau utilisé.
Tc températur e chaude
Tm températur e moyenne
S pouvoir thermoélec trique
 et par l’adaptation à la charge
27
C 
paramètres
dépendants
 résistivit é électrique
 conductivi té thermique
[FOURNIER2006, LOSSEC2010]


Paramètres non-indépendants

conductivités électrique et thermique

électrons/phonons
Matériaux massifs :
alors α ~ 15 %
ZT m max
semi-conducteurs
dégénérés
1
conductivité thermique
du réseau
tellure de bismuth
28
5
3A EMS
AN : température ambiante 20°C, source de chaleur à 25°C :
⇨ efficacité théorique = 1,6%, efficacité réelle très en-dessous
Fraunhofer MicroPelt
[MICROPELT]
~40 µW/cm2 à 10°C.
module d’énergie perpétuelle avec batterie couche
mince EnFilmTM EFL700A39
29
éléments de 120x120µm2, fonctionnement avec un gradient de
température de 1K.
22 µW maximum sous 300 mV
micro-usinage de matériau fritté
commercialisée en 1998, 1100 €, 1000 exemplaires vendus

Renouveau grâce aux nanotechnologies
prédit au début des années 90, la nanostructuration des matériaux permet de
dissocier dans une certaine mesure les phénomènes de conduction électrique et
thermique.
conductance thermique varie inversement avec
le nombre d’interfaces.
S2
 ;   Z 


ZT : 2 ou 3
nanofils : ZT → 6…
31
super-réseau Si/SiGeC pour la conversion
thermoélectrique [FAN2001]
[HICKS1993, FOURNIER2006, GREFFET2007]
6
3A EMS
vibrations

sources de vibration : environnement quotidien

plusieurs types de conversion vibration → électricité
électromagnétique
piézoélectrique
électrostatique

un principe commun :
système inertiel résonant de fréquence propre
égale ou proche de celle de l’excitation
énergie de
vibration
énergie absorbée par
le système
énergie
électrique
utile
énergie
récupérée
pertes mécaniques
et électriques lors de
la conversion
33
pertes lors du
transfert vers le
stockage ou la
charge
vibrations

Sources de vibrations : beaucoup de sources dans l’environnement quotidien
accélération pic (m/s2)
fréquence pic (Hz)
machine à laver le linge
6.4
120 (100)
four micro-onde
2.25
120 (100)
réfrigérateur
0.1
240
0.2-1.5
60 (50)
personnes marchant sur un parquet
1.3
385
fenêtre de 0.6m2 poche de la rue
0.7
100
.
lecture d’un CD dans un portable
0.6
75
machine outil 3-axes 3.75 kW
10
70
encadrement d’une porte après
fermeture
3
source de vibration
air conditionné bureau
Remarque : on trouve dans la documentation des fréquences de vibration à 60 Hz, cela correspond au
standard électrique américain, en France et en Europe, il faut transposer à 50 Hz.
34
125
[ROUNDY2004]
7
3A EMS
vibrations
 Spectres de sources de vibration
~2 m/s2
120 Hz
35
[ROUNDY2004]
vibrations

Modèle de conversion : vibration→ électricité
Modèle du second ordre
my  (be  bm ) y  ky   myext
coefficient
d’amortissement
électrique

coefficient
d’amortissement
mécanique
La puissance convertie dans le domaine électrique correspond à la puissance extraite du
domaine mécanique par l’amortissement électrique
énergie de
vibration
37
énergie
électrique
pertes mécaniques et
électriques lors de la
conversion
8
3A EMS
Modèle de conversion : vibration→électricité
vibrations

Remarques sur la puissance maximum convertie :
e  m
 n   vibration
prop. carré de
l’accélération des
vibrations
prop. masse du
convertisseur
P ( n ) max 
m
16 m n
inv. prop. à
l’amortissement
mécanique
40
P~M
P ~ a2
P ~ 1/f
~ 800 µW/cm3 for 5 m/s2 acceleration
A 2 ( n )
inv. prop. à la
fréquence des
vibrations
vibrations
électromagnétique
 Electromagnétique
em  
Principe de l’induction électromagnétique :
em : force électromotrice, Φ champ magnétique
coefficient d’amortissement électrique approximé par :
charge optimale :
R L  Rcoil 
puissance maximale :
d
dt
be 
NlB 2
R L  Rcoil  j Lcoil
 2 m  n e
 NlB 2
PLmax 
bm
ma 2
16  m n

R
 1  coil
RL




miniaturisation compliquée
(intégration des bobines et aimants)
densité d’énergie attendue : 400 mJ/cm3.
tensions produites faibles ~0.1 V (seuil des diodes)
42
Chandrakasan MIT
9
3A EMS
vibrations
43
électromagnétique
50 Hz, 0.5 m/s2 , masse 85 g
10-90 mW AC
41.3 cm3
50 Hz, 0.5 m/s2 , RL=4 kOhm
46 µW AC, 428 mV
0.15 cm3
2.2 mW/cm3
0.3 mW/cm3
[BEEBY2007]
vibrations
piézoélectrique
 Convertisseur piézoélectrique
la tension peut être contrôlée à travers les dimensions du dispositif :
Densité d’énergie attendue : 300 mJ/cm3.
Unique inconvénient : compatibilité avec les procédés microélectroniques
Equation générale de piézoélectricité

Effet piézoélectrique
δ : déformation mécanique (strain)
 
σ : contrainte mécanique (stress)
ε : constante diélectrique

Y
 dE
D  E  d
d : coefficient piézoélectrique de déformation
Y : module d’Young
E : champ électrique
D : déplacement électrique
44
10
3A EMS
LTC3588 Linear technology
vibrations
piézoélectrique
LTC3588 Linear technology

sortie en 2010

950nA Input Quiescent Current (Output in Regulation – No Load)

450nA Input Quiescent Current in UVLO

2.7V to 20V Input Operating Range

Integrated Low-Loss Full-Wave Bridge Rectifier

Up to 100mA of Output Current

Selectable Output Voltages of 1.8V, 2.5V, 3.3V, 3.6V

High Efficiency Integrated Hysteretic Buck DC/DC

Input Protective Shunt – Up to 25mA Pull-Down at VIN ≥ 20V

Wide Input Undervoltage Lockout (UVLO) Range

Available in 10-Lead MSE and 3mm × 3mm DFN

Packages
48
vibrations
électrostatique
 électrostatique
principe : variation d’énergie entre les armatures d’un condensateur lorsque celles-ci bougent
l’une par rapport à l’autre.
structure mobile type MEMS.
intégration facile.
d
densité d’énergie attendue : 40 mJ/cm3.
V
Limitations :
Qd
 0lw
E=

besoin d’une source de tension (>100 V) séparée pour initier la conversion

butées mécaniques nécessaires pour les structures mobiles
1
QV
2
out-of-plane
49
in-plane gap closing
in-plane overlap
11
3A EMS
vibrations
[ROUNDY2004]
 Comparaison des méthodes de conversion pour la récupération d’énergie de vibration
densité d’énergie
maximum
théorique/pratique
+
-
domaines
d’application
électromagnétique
400 mJ/cm3
4 mJ/cm3
dispositifs macroscopiques
miniaturisation défavorable
intégration difficile
tension de sortie très faible
pb basses fréquences
macroscopique
piézoélectrique
335 mJ/cm3
18 mJ/cm3
facile à mettre en oeuvre
miniaturisation défavorable
compatibilité process
human power
(marche)
électrostatique
44 mJ/cm3
4 mJ/cm3
intégration
tension 2-10 V
miniaturisation favorable
alimentation séparée
guidage mécanique
smart-dust
microsystèmes
type
[BEEBY2007]
55
NPD : Normalized Power Density
Récupération d’énergie (energy harvesting) –
stockage - transfert
densité de puissance fonction de l’autonomie
* 1 W à 10 m
61
[ROUNDY2004]
12
3A EMS
Human power
Brûle 10,5 MJ par jour
Puissance moyenne dissipée : 120 W
Pied : 330 µW/cm2
Gradient de température jusqu’à 15°C
Chaleur corporelle (rendement Carnot) : 2-5 W
 flux d’air et convertisseur à turbine : 0,4 W
Masque sur le visage :
 flux d’air et convertisseur à turbine : 0,4 W
 Ceinture autour du torse
 variations de 2 à 5 cm : 0,4 W
 Pression du sang :
 quelques µW (mais danger pour le cœur)
 capteurs auto-alimentés pour la médecine
 Récupération dans les chaussures :
100-150 mW
 Panasonic, Japan :
 conversion électrochimique du glucose
 Mouvement des doigts : ~10 mW
63
Human power
 Puissance de frappe/appuie :

clavier (US patent Compaq) ou interrupteurs (enocean)
interrupteur sans fils (enocean)
Force de travail : 7 N, (déplacement 1.8 mm)
fréquence/puissance : 868.3 MHz, 10 mW
portée : 300 m libre, 30 m indoor
antenne intégrée
40x40x12 mm
64
13
3A EMS
References
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[JNRSE2010] Journées nationales sur la récupération et le stockage d’énergie pour l’alimentation des microsystèmes autonomes, ESIEE Paris
14 et 15 octobre (2010) http://www-common.esiee.fr/download/dept-syselec/Actes_JNRSE_2010.pdf
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integrated thermal switch, J. Micromech. Microeng. 16 (2006) S262-S269
65
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