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Commission Paritaire 1217 G 78028. ISSN 1252-770X

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La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Promotion et Abonnements (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél :01 56 90 37 abo@see.asso.fr tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE .................. 40 € Pays hors UE.................. 50 € Collectivités : France et UE .................. 57 € Pays hors UE.................. 70 € Au numéro : France et UE .................. 12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Octobre 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 86 p. 2 Éditorial, p. 3 Abonnements p. 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines J. COURAULT p. 25 Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps… A. SIVERT 1 , F. BETIN 1 , B. VACOSSIN 1 , J. AUBRY 2 , T. LEQUEU 3 1 Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), IUT de l’Aisne GEII, SOISSONS 2 ESTACA’LAB, « Systèmes et énergie embarqués pour les transports », LAVAL 3 Association e-Kart , Université TOURS TOURS p. 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU 1 , V. DEWANCKER 2 , S. JACQUES 3 , A. SIVERT 4 1 Université François Rabelais de Tours 2 Société Kart Masters SABLE SUR SARTHE 3 Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours TOURS 4 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS p. 44 Batteries de Smartphone (Application, diagnostic) A. SIVERT 1 , B. VACOSSIN 1 , F. BETIN 1 , N. DAMAY 2 1 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS 2 Sorbonne universités, Université de technologie de Compiègne COMPIEGNE p. 53 Hommage Revue 3EI n°0 p. 58 Conversion continu / alternatif pour alimentation ininterruptible A. CUNIERE J.L. EOUZAN Lycée PIERRE DE COUBERTIN MEAUX p. 63 Annonces, Publications p. 67 Abonnements Revue 3EI & REE Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). LaRevue 3EI publication trimestrielle de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 09 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Exemples de tractions électriques Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 2 Ce 86ème numéro de la revue 3EI est consacré à quelques exemples de tractions électriques. Nous poursuivons ainsi notre travail d'exploration sur le thème de la journée 3EI 2016. Les conférenciers de cette journée nous ont exposé avec souvent beaucoup de pédagogie et toujours beaucoup d'enthousiasme des applications aux véhicules routiers (voiture, vélo électrique, karts...). Le thème de ce numéro permettra de poursuivre notre route mais aussi de nous lancer à l'assaut des mers ! Le premier article du thème, écrit par M. Courault, traite de la traction électrique pour les propulsions marines. Son texte d'une très grande densité nous offre un panorama des solutions technologiques mises en œuvre sur les paquebots ou les navires de charge comme les méthaniers. Cette introduction est idéale pour ceux d'entre nous qui, ignorants du domaine, s'interrogent sur le mode de propulsion des géants des mers que sont les "Queen Mary 2" ou autres "Harmony of the Sees" construits par les chantiers STX de Saint-Nazaire. L'article de Arnaud Sivert sur "Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique ; Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps…", rappellera à tous les participants de la journée 3EI, la très enthousiasmante présentation de son auteur mais aussi les intéressantes discussions autour de son bolide dans le hall d'honneur de la salle de conférence du CNAM ! Dans le dernier article du thème, l'équipe de Thierry Lequeu présente leur expérience de la réalisation d'un Kart électrique avec leurs étudiants d'IUT. Bien que le texte soit centré sur le kart électrique, leur expérience est aussi transposable à la réalisation de véhicules non terrestres (bateaux électriques, ULM, treuils électriques...) ou terrestres (Gyropodes, vélo ou tricycles électriques ...). Si vous souhaitez vous lancer dans l'aventure, n'hésitez-pas à vous mettre en contact avec les auteurs... Hors thème : Quoi de plus commun qu'une batterie de Smartphone ? Qui n'a jamais pesté contre un téléphone mobile qui se décharge trop vite ? Que faut-il faire pour optimiser la durée de vie de ses batteries ? Autant de questions que nous nous sommes tous déjà posé et qui sont maintenant presque vitales pour nos étudiants hyper connectés ! Arnaud Sivert et son équipe proposent de répondre à ces interrogations dans un article très pédagogique relatant le travail mené avec leurs étudiants. Les deux derniers articles du numéro 86 constituent un hommage aux fondateurs de la revue3EI. En effet, en mai 1994 paraissait le numéro "0" de la revue. Vous retrouverez deux extraits de ce numéro initial qui lançait cette aventure qui se poursuit depuis 22 ans ! L'ambition de ces fondateurs reste la notre. Nous souhaitons que la revue soit "un moyen favorisant les échanges pédagogiques entre les enseignants" du domaine du génie électrique et plus généralement des sciences et technologies. L'année 2017 arrive à grands pas. N'hésitez pas à nous proposer vos articles que nous serons heureux de diffuser au plus grand nombre. Si vous manquer d'idées de thèmes à aborder, en voici trois que nous envisageons de traiter dans nos prochains numéros :  Les systèmes magnétiques,  Maintenance des systèmes pluri technologiques,  TIPE en CPGE. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER

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La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Promotion et Abonnements (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél :01 56 90 37 abo@see.asso.fr tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE .................. 40 € Pays hors UE.................. 50 € Collectivités : France et UE .................. 57 € Pays hors UE.................. 70 € Au numéro : France et UE .................. 12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Octobre 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 86 p. 2 Éditorial, p. 3 Abonnements p. 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines J. COURAULT p. 25 Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps… A. SIVERT 1 , F. BETIN 1 , B. VACOSSIN 1 , J. AUBRY 2 , T. LEQUEU 3 1 Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), IUT de l’Aisne GEII, SOISSONS 2 ESTACA’LAB, « Systèmes et énergie embarqués pour les transports », LAVAL 3 Association e-Kart , Université TOURS TOURS p. 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU 1 , V. DEWANCKER 2 , S. JACQUES 3 , A. SIVERT 4 1 Université François Rabelais de Tours 2 Société Kart Masters SABLE SUR SARTHE 3 Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours TOURS 4 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS p. 44 Batteries de Smartphone (Application, diagnostic) A. SIVERT 1 , B. VACOSSIN 1 , F. BETIN 1 , N. DAMAY 2 1 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS 2 Sorbonne universités, Université de technologie de Compiègne COMPIEGNE p. 53 Hommage Revue 3EI n°0 p. 58 Conversion continu / alternatif pour alimentation ininterruptible A. CUNIERE J.L. EOUZAN Lycée PIERRE DE COUBERTIN MEAUX p. 63 Annonces, Publications p. 67 Abonnements Revue 3EI & REE Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). 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Le thème de ce numéro permettra de poursuivre notre route mais aussi de nous lancer à l'assaut des mers ! Le premier article du thème, écrit par M. Courault, traite de la traction électrique pour les propulsions marines. Son texte d'une très grande densité nous offre un panorama des solutions technologiques mises en œuvre sur les paquebots ou les navires de charge comme les méthaniers. Cette introduction est idéale pour ceux d'entre nous qui, ignorants du domaine, s'interrogent sur le mode de propulsion des géants des mers que sont les "Queen Mary 2" ou autres "Harmony of the Sees" construits par les chantiers STX de Saint-Nazaire. L'article de Arnaud Sivert sur "Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique ; Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps…", rappellera à tous les participants de la journée 3EI, la très enthousiasmante présentation de son auteur mais aussi les intéressantes discussions autour de son bolide dans le hall d'honneur de la salle de conférence du CNAM ! Dans le dernier article du thème, l'équipe de Thierry Lequeu présente leur expérience de la réalisation d'un Kart électrique avec leurs étudiants d'IUT. Bien que le texte soit centré sur le kart électrique, leur expérience est aussi transposable à la réalisation de véhicules non terrestres (bateaux électriques, ULM, treuils électriques...) ou terrestres (Gyropodes, vélo ou tricycles électriques ...). Si vous souhaitez vous lancer dans l'aventure, n'hésitez-pas à vous mettre en contact avec les auteurs... Hors thème : Quoi de plus commun qu'une batterie de Smartphone ? Qui n'a jamais pesté contre un téléphone mobile qui se décharge trop vite ? Que faut-il faire pour optimiser la durée de vie de ses batteries ? Autant de questions que nous nous sommes tous déjà posé et qui sont maintenant presque vitales pour nos étudiants hyper connectés ! Arnaud Sivert et son équipe proposent de répondre à ces interrogations dans un article très pédagogique relatant le travail mené avec leurs étudiants. Les deux derniers articles du numéro 86 constituent un hommage aux fondateurs de la revue3EI. En effet, en mai 1994 paraissait le numéro "0" de la revue. Vous retrouverez deux extraits de ce numéro initial qui lançait cette aventure qui se poursuit depuis 22 ans ! L'ambition de ces fondateurs reste la notre. Nous souhaitons que la revue soit "un moyen favorisant les échanges pédagogiques entre les enseignants" du domaine du génie électrique et plus généralement des sciences et technologies. L'année 2017 arrive à grands pas. 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La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER BULLETIN D’ABONNEMENT A LA REVUE 3EI Année 2017 n°87 ( Janvier 2017 ), n°88 ( Avril 2017 ), n°89 ( Juillet 2017 ) et n°90 ( Octobre 2017 ) Pour l’année 2017, nous vous proposons 3 formules d’abonnement :  Formule « papier SEUL »  Formule « papier et accès aux articles numériques au format pdf » sur le site SEE revue 3EI  Formule « accès aux articles numériques au format pdf SEUL » sur le site SEE revue 3EI  Abonnement individuel France et pays de l’UE Pays hors UE Abonnement « papier » 40 € 50 € Abonnement papier et accès aux articles numériques 46 € 56 € Accès aux articles numériques 30 €  Abonnement « collectivités » France et pays de l’UE Pays hors UE Abonnement « papier » 57 € 70 € Abonnement papier et accès aux articles numériques 67 € 80 € L’abonnement collectivités concerne les bibliothèques, CDI, laboratoires, entreprises, universités, écoles d’ingénieur, lycée, IUT …). Prendre soin de mentionner sur le bon de commande le lieu de livraison de la revue ainsi que le destinataire (personne physique ou service). TRES IMPORTANT L’adresse électronique à laquelle vous recevrez le code d’accès au site de la SEE-revue 3EI est indispensable en cas d’abonnement avec accès numérique. Adresser le bulletin renseigné, accompagné d’un chèque libellé à l’ordre de : SEE- la revue 3EI ou d’un bon de commande pour les collectivités, à l’adresse suivante Nom :..................................................... Prénom :............................................... Adresse d’expédition de la revue 3EI : ...................................................................... Rue, n° : ...................................................................................................................... Code postal :.................... Ville :.......................................................................... 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De plus les propulsions électriques autorisent des solutions de propulsions réparties, comme les POD par exemple, qui accroissent la manœuvrabilité des navires. Nous allons dans cet article passer en revue les différents types de conversion dans un mode historique. Ce qui tient compte d’une part des composants de puissance disponibles et d’autre part de nos connaissances en matière de topologie des convertisseurs. Le thyristor, dès le début des années soixante, a été le composant qui a initié, d’une manière générale, les motorisations électriques dans l’industrie. En propulsion marine c’est bien sûr des motorisations avec moteurs à courant continu, pour les petites puissances de l’ordre du mégawat, et cycloconvertisseurs pour les puissances plus élevées qui furent les premières. La seule topologie pratiquée avec ces types de conversion était le pont de Graëtz. Au début des années quatre-vingts sont apparus les premiers IGBT de puissance ouvrant la porte à l’alimentation des machines alternatives et plus particulièrement des machines asynchrones. Parallèlement les algorithmes de contrôle ont été développés et permis d’obtenir des performances comparables, voire supérieures, à celles obtenues avec les machines à courant continu alimentées par ponts de Graëtz. 2. Alimentation des machines par convertisseurs directs. Le pont de Graëtz et le cycloconvertisseur, lui-même constitué de plusieurs ponts de Graëtz sont des convertisseurs directs par opposition à d’autres qui comportent entre réseau et machine un stockage d’énergie, en courant ou en tension, ils sont dits convertisseurs indirects. 2.1. Entrainement des moteurs à courant continu. La topologie du pont de Graëtz est ancienne, elle date du début du 20ème siècle, mais sa généralisation doit beaucoup aux thyristors, qui ne sont apparus sur le marché qu’au début des années 60. C’est dans le domaine des petites puissances (P<1MW) que se font les premières propulsions, principalement quand une Résumé : Dans cet article sont évoqués et comparés les convertisseurs ou variateurs de vitesse utilisés pour la propulsion des navires de surface à vocation commerciale. Quelques explications sur les fonctionnements possibles du cycloconvertisseur sont données, avantages et inconvénients, principalement pour les réseaux de bord. Ce convertisseur, fut le premier à être utilisé en propulsion, aujourd’hui il peut être considéré comme obsolète du fait du développement des convertisseurs dits indirects. Pour les puissances supérieures à environ 16 MW les convertisseurs indirects en courant sont difficilement contournables. Quelques explications sont données sur ces convertisseurs (redresseur / onduleur) peu pris en considération dans la littérature technique. Pour les puissances plus faibles, du fait du développement des composants blocables par la commande, les alimentions en tension s’imposent. Les schémas possibles sont nombreux, plusieurs sont évoqués, en particulier avec des solutions multiniveaux adaptés pour monter en tension, donc en puissance. Ces convertisseurs dits MLI voire DTC, sont largement expliqués dans la littérature technique, c’est la raison pour laquelle les fondamentaux ne sont que partiellement évoqués. Cependant, il ressort de cet article que les pulsations du couple électromagnétiques sont fondamentales, elles doivent être connues des mécaniciens qui dimensionnent les lignes d’arbres : ces pulsations font l’objet d’une évaluation. Quelques architectures de propulsion sont proposées, avec leurs avantages et leurs inconvénients, certaines sont classiques d’autres plus futuristes elles s’inscrivent dans une évolution possible. Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 5 fonction de positionnement dynamique est requise : en recherche scientifique ou dans l’industrie pétrolière. Le pont de Graëtz ne permet pas naturellement la réversibilité en couple des machines, le courant est unidirectionnel. Cette réversibilité étant le plus souvent souhaitée, plusieurs solutions ont été envisagées :  Deux ponts antiparallèles. o Circulation de courant (hautes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Logique de basculement (bonnes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Bande morte (calage au repos >140°, performances dynamiques très suffisantes en propulsion).  Réversibilité par le champ. Suffisante dans une grande majorité des cas. A une époque les thyristors étaient des composants coûteux, donc une réversibilité par le champ, en inversant le courant d’excitation, conduisait à des coûts moindres. Avec ces dispositifs les quatre quadrants de l’espace Cmot, rotation sont accessibles. Mais les difficultés principales, qui sont essentiellement liées à la maintenance des moteurs à courant continu, demeurent (balais et collecteur). Aujourd’hui le moteur à continu est totalement abandonné. 2.2. Entrainement des moteurs à courant alternatif. La puissance de certains moteurs de propulsion dépasse les 20 MW, l’utilisation du moteur à courant continu était impossible, les machines synchrones étaient les seules possibles à ce niveau de puissance. C’est dans ce but que les cycloconvertisseurs ont été développés et utilisés. Ils peuvent alimenter aussi bien des machines synchrones que des machines asynchrones. Figure 1 – Principe du cycloconvertisseur Pendant plusieurs décennies le cycloconvertisseur a été considéré comme le convertisseur par excellence des propulsions de navires, en particulier sur les brise- glaces, application nécessitant des couples importants aux basses vitesses, voire à l’arrêt. La réputation n’est pas usurpée mais d’autres convertisseurs ont des performances équivalentes (voir les alimentations en courant). Les performances d’un cycloconvertisseur ont pour origine sa topologie mais aussi son contrôle : maitrise du flux et de l’angle interne de la machine. A l’origine, on ne parlait pas de contrôle vectoriel, mais c’est bien ce que les ingénieurs de l’époque ont dû mettre en œuvre pour contrôler de manière optimale le couple des machines. . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31 N . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31Is31 N Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 6 Chaque phase machine est alimentée par un convertisseur réversible (deux ponts de Graëtz antiparallèles), le courant délivré est ainsi bidirectionnel. Soit le passage d’un pont sur l’autre est réalisé en circulation de courant soit il l’est avec une logique de basculement très performante, de manière à minimiser les temps morts. La figure 1 a retenu l’option logique de basculement ; ledit basculement ne peut se faire qu’à courant nul… La mesure d’un courant nul est toujours délicate à réaliser, aussi on préfère faire une détection de tension aux bornes des semi-conducteurs : tension aux bornes de tous les thyristors équivaut à un courant nul. Ce temps mort doit être inférieur à 2 ms. Il faut noter dans la figure 1 que les convertisseurs de phase sont en étoile, cela permet d’augmenter la tension de sortie en introduisant sur les tensions Ed1, Ed2 et Ed3 de l’harmonique 3 (qui entre phases se trouve éliminé). Figure 2 – Dynamique en courant D’autres structures plus sophistiquées sont possibles. La figure 1 montre une structure hexaphasée mais des structures dodécaphasées sont envisageables, en dodécaphasé série ou dodécaphasé parallèle. Le but de ces options étant d’améliorer le contenu harmonique des courants sur le réseau. D’une manière générale, la dynamique en couple des équipements de propulsion est faible… Mais les différents convertisseurs d’un cycloconvertisseur doivent avoir une grande dynamique en courant pour garantir une bonne qualité du couple : lesdits régulateurs doivent prendre compte les phénomènes de conduction continue et discontinue avec la même rapidité pour suivre une référence courant sinusoïdale. De plus, comme le montre la topologie de la figure 1, la somme des trois courants machine doit être nulle, d’où la présence d’un quatrième régulateur, dit homopolaire, pour assurer cette fonction. Comportement sur le réseau : Le comportement d’un simple pont de Graëtz sur le réseau est bien connu, le

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Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines Jacques COURAULT 1. Introduction Ces dernières décennies l’électronique de puissance a été l’un des moteurs de l’évolution des propulsions marines. Progressivement, les solutions vapeur et fioul ont été remplacées par des solutions électriques, jugées plus économique à l’exploitation et plus souples à l’utilisation. De plus les propulsions électriques autorisent des solutions de propulsions réparties, comme les POD par exemple, qui accroissent la manœuvrabilité des navires. Nous allons dans cet article passer en revue les différents types de conversion dans un mode historique. Ce qui tient compte d’une part des composants de puissance disponibles et d’autre part de nos connaissances en matière de topologie des convertisseurs. Le thyristor, dès le début des années soixante, a été le composant qui a initié, d’une manière générale, les motorisations électriques dans l’industrie. En propulsion marine c’est bien sûr des motorisations avec moteurs à courant continu, pour les petites puissances de l’ordre du mégawat, et cycloconvertisseurs pour les puissances plus élevées qui furent les premières. La seule topologie pratiquée avec ces types de conversion était le pont de Graëtz. Au début des années quatre-vingts sont apparus les premiers IGBT de puissance ouvrant la porte à l’alimentation des machines alternatives et plus particulièrement des machines asynchrones. Parallèlement les algorithmes de contrôle ont été développés et permis d’obtenir des performances comparables, voire supérieures, à celles obtenues avec les machines à courant continu alimentées par ponts de Graëtz. 2. Alimentation des machines par convertisseurs directs. Le pont de Graëtz et le cycloconvertisseur, lui-même constitué de plusieurs ponts de Graëtz sont des convertisseurs directs par opposition à d’autres qui comportent entre réseau et machine un stockage d’énergie, en courant ou en tension, ils sont dits convertisseurs indirects. 2.1. Entrainement des moteurs à courant continu. La topologie du pont de Graëtz est ancienne, elle date du début du 20ème siècle, mais sa généralisation doit beaucoup aux thyristors, qui ne sont apparus sur le marché qu’au début des années 60. C’est dans le domaine des petites puissances (P<1MW) que se font les premières propulsions, principalement quand une Résumé : Dans cet article sont évoqués et comparés les convertisseurs ou variateurs de vitesse utilisés pour la propulsion des navires de surface à vocation commerciale. Quelques explications sur les fonctionnements possibles du cycloconvertisseur sont données, avantages et inconvénients, principalement pour les réseaux de bord. Ce convertisseur, fut le premier à être utilisé en propulsion, aujourd’hui il peut être considéré comme obsolète du fait du développement des convertisseurs dits indirects. Pour les puissances supérieures à environ 16 MW les convertisseurs indirects en courant sont difficilement contournables. Quelques explications sont données sur ces convertisseurs (redresseur / onduleur) peu pris en considération dans la littérature technique. Pour les puissances plus faibles, du fait du développement des composants blocables par la commande, les alimentions en tension s’imposent. Les schémas possibles sont nombreux, plusieurs sont évoqués, en particulier avec des solutions multiniveaux adaptés pour monter en tension, donc en puissance. Ces convertisseurs dits MLI voire DTC, sont largement expliqués dans la littérature technique, c’est la raison pour laquelle les fondamentaux ne sont que partiellement évoqués. Cependant, il ressort de cet article que les pulsations du couple électromagnétiques sont fondamentales, elles doivent être connues des mécaniciens qui dimensionnent les lignes d’arbres : ces pulsations font l’objet d’une évaluation. Quelques architectures de propulsion sont proposées, avec leurs avantages et leurs inconvénients, certaines sont classiques d’autres plus futuristes elles s’inscrivent dans une évolution possible. Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 5 fonction de positionnement dynamique est requise : en recherche scientifique ou dans l’industrie pétrolière. Le pont de Graëtz ne permet pas naturellement la réversibilité en couple des machines, le courant est unidirectionnel. Cette réversibilité étant le plus souvent souhaitée, plusieurs solutions ont été envisagées :  Deux ponts antiparallèles. o Circulation de courant (hautes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Logique de basculement (bonnes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Bande morte (calage au repos >140°, performances dynamiques très suffisantes en propulsion).  Réversibilité par le champ. Suffisante dans une grande majorité des cas. A une époque les thyristors étaient des composants coûteux, donc une réversibilité par le champ, en inversant le courant d’excitation, conduisait à des coûts moindres. Avec ces dispositifs les quatre quadrants de l’espace Cmot, rotation sont accessibles. Mais les difficultés principales, qui sont essentiellement liées à la maintenance des moteurs à courant continu, demeurent (balais et collecteur). Aujourd’hui le moteur à continu est totalement abandonné. 2.2. Entrainement des moteurs à courant alternatif. La puissance de certains moteurs de propulsion dépasse les 20 MW, l’utilisation du moteur à courant continu était impossible, les machines synchrones étaient les seules possibles à ce niveau de puissance. C’est dans ce but que les cycloconvertisseurs ont été développés et utilisés. Ils peuvent alimenter aussi bien des machines synchrones que des machines asynchrones. Figure 1 – Principe du cycloconvertisseur Pendant plusieurs décennies le cycloconvertisseur a été considéré comme le convertisseur par excellence des propulsions de navires, en particulier sur les brise- glaces, application nécessitant des couples importants aux basses vitesses, voire à l’arrêt. La réputation n’est pas usurpée mais d’autres convertisseurs ont des performances équivalentes (voir les alimentations en courant). Les performances d’un cycloconvertisseur ont pour origine sa topologie mais aussi son contrôle : maitrise du flux et de l’angle interne de la machine. A l’origine, on ne parlait pas de contrôle vectoriel, mais c’est bien ce que les ingénieurs de l’époque ont dû mettre en œuvre pour contrôler de manière optimale le couple des machines. . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31 N . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31Is31 N Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 6 Chaque phase machine est alimentée par un convertisseur réversible (deux ponts de Graëtz antiparallèles), le courant délivré est ainsi bidirectionnel. Soit le passage d’un pont sur l’autre est réalisé en circulation de courant soit il l’est avec une logique de basculement très performante, de manière à minimiser les temps morts. La figure 1 a retenu l’option logique de basculement ; ledit basculement ne peut se faire qu’à courant nul… La mesure d’un courant nul est toujours délicate à réaliser, aussi on préfère faire une détection de tension aux bornes des semi-conducteurs : tension aux bornes de tous les thyristors équivaut à un courant nul. Ce temps mort doit être inférieur à 2 ms. Il faut noter dans la figure 1 que les convertisseurs de phase sont en étoile, cela permet d’augmenter la tension de sortie en introduisant sur les tensions Ed1, Ed2 et Ed3 de l’harmonique 3 (qui entre phases se trouve éliminé). Figure 2 – Dynamique en courant D’autres structures plus sophistiquées sont possibles. La figure 1 montre une structure hexaphasée mais des structures dodécaphasées sont envisageables, en dodécaphasé série ou dodécaphasé parallèle. Le but de ces options étant d’améliorer le contenu harmonique des courants sur le réseau. D’une manière générale, la dynamique en couple des équipements de propulsion est faible… Mais les différents convertisseurs d’un cycloconvertisseur doivent avoir une grande dynamique en courant pour garantir une bonne qualité du couple : lesdits régulateurs doivent prendre compte les phénomènes de conduction continue et discontinue avec la même rapidité pour suivre une référence courant sinusoïdale. De plus, comme le montre la topologie de la figure 1, la somme des trois courants machine doit être nulle, d’où la présence d’un quatrième régulateur, dit homopolaire, pour assurer cette fonction. Comportement sur le réseau : Le comportement d’un simple pont de Graëtz sur le réseau est bien connu, le

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Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 25 Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps… A.SIVERT1 , F.BETIN1 , B.VACOSSIN1 , J.AUBRY2 , T.LEQUEU3 (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) ESTACA’LAB, Pôle S2ET « Systèmes et énergie embarqués pour les transports », ESTACA 53061 LAVAL (3) Association e-Kart - 152 rue de Grandmont - 37550 SAINT AVERTIN, Université TOURS 1. Introduction Le vélo électrique permet de niveler la puissance humaine de pédalage lors des dénivelés positifs et de récupérer l’énergie dans les descentes. Un trajet donné peut donc être optimisé pour avoir soit :  un temps de parcours minimum ;  une énergie à fournir minimale (électrique et humaine) ;  une puissance nominale moteur la plus faible,  des pertes électriques limitées pour ne pas dépasser la température maximale du moteur et des convertisseurs électroniques de puissance… Un compromis de tous ces critères peut être atteint en pondérant plus ou moins ces stratégies en fonction des objectifs que l’on souhaite se fixer. A partir de services en ligne, comme Google Maps par exemple, qui permettent de définir le trajet et de connaitre les dénivelés, le trafic, la vitesse maximale pour chaque portion du parcours, des applications et des systèmes pilotent et estiment le temps du parcours et la consommation énergétique… Mais ces nombreuses stratégies dépendent aussi du type d’hybridation et du rendement des motorisations. Par conséquent, une rapide présentation de deux solutions d'hybridation d’un vélo électrique sera présentée ainsi qu’un modèle des puissances mécaniques mises en jeu, ce qui permettra alors d’effectuer une comparaison de différentes stratégies et d’aborder l’incertitude des estimations. 2. Hybridation d’un vélo électrique Une hybridation série ou parallèle peut être réalisée sur un vélo électrique. Pour l’hybridation série [7], le pédalier est remplacé par un alternateur (type 200 W à 80 tr/min) qui charge un élément de stockage de l’énergie. La puissance de charge de la batterie peut être modulée en fonction de la puissance humaine : le cycliste peut alors régler la puissance qu’il veut fournir entre 40 W à 200 W. L’énergie stockée dans la batterie fournit est transférée au moteur via un convertisseur électronique de puissance. Cette hybridation permet éventuellement de recharger la batterie même à l’arrêt si le vélo est un tricycle. L’alternateur, qui doit être conçu pour présenter un bon rendement, permet de simplifier la transmission de la puissance humaine : il n’y a plus besoin de la chaîne mécanique. L’hybridation parallèle est la plus courante. Elle permet d’additionner la puissance d'une motorisation électrique à la puissance humaine fournie via un pédalier, un braquet et une chaine. Cette chaîne a une consommation d’environ 10W qu’il faudra retirer de la puissance de la motorisation. L’avantage de cette hybridation parallèle par rapport à l’hybridation série est de pouvoir rouler même s’il y a un problème électrique (problème de moteur ou de convertisseur Résumé : une multitude de stratégies est possible pour commander un vélo électrique, notamment grâce à la possibilité de récupération d’énergie lors des phases de freinage. Sur un trajet donné, cet article va présenter plusieurs stratégies pour minimiser un ou plusieurs critères tels que : le temps de parcours, la fatigue due au pédalage, l’énergie stockée dans la batterie, la puissance du moteur, les pertes électriques et les échauffements… En fonction de ces stratégies, les performances, l’efficacité énergétique et le dimensionnement des composants du vélo électrique peuvent être déterminés. En effet, chaque stratégie nécessite des limites de puissance et des valeurs de capacité énergétique de la batterie différentes. Ces stratégies peuvent être calculées via une application sur smartphone et basée sur un algorithme connaissant le trajet à effectuer et pouvant directement piloter le variateur du vélo. Mais quels sont les critères à minimiser pour définir un trajet ? Comment les applications proposent- elle un parcours ? Quelles sont les incertitudes de ces applications sur l’énergie consommée ? Comment l’application connait-elle la puissance de pédalage ? Comment l’application peut-elle connaitre les paramètres du véhicule et ses pertes, son besoin en énergie, son autonomie ? Cet article permet de répondre à ces questions pour mieux comprendre les besoins d’un véhicule électrique et sa consommation. Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 26 défectueux). De plus, cette solution d'hybridation est moins lourde (alternateur en moins). Les cycles électriques de l’I.U.T. de Soissons ont une poignée délivrant une consigne pour l’asservissement de vitesse qui prend en compte une limitation du courant de la batterie 72V à 40A, donc une limitation la puissance moteur à 3kW et une limitation du courant moteur à 80A. En revanche, le freinage électrique est imposé grâce à un asservissement du couple avec la même poignée de commande dès que l’on effleure le frein mécanique constitué d'un contact poussoir. Par conséquent, il est très facile de vérifier les stratégies proposées. Mais quelle puissance mécanique doit fournir la motorisation ? Quelle est la valeur de la puissance humaine qui peut être mise œuvre ? 3. Puissance mécanique et consommation La puissance mécanique résistive d’un cycle électrique est souvent modélisée par l’équation (1) suivante [1][2] : Présistance(W)=kaero⋅Vit3 +kroul⋅Vit+pente⋅ M⋅g⋅Vit( km h⁄ ) 3,6 Avec M, la masse du véhicule et de son conducteur, g l’accélération de la pesanteur, kroul le coefficient de roulement des pneus [3] et kaero le coefficient d’aérodynamisme L’ensemble de ces paramètres est facilement identifiable. Pour bien appréhender les stratégies, un VTC relativement chargé sera pris en considération. kaero W/(km/h)3 kroul W/(km/h) Masse chassis Masse elect Masse Cycliste+bagage 0,0065 7 à 4 20 kg 10 kg 80 kg+30 kg Tableau 1 : coefficient d’un VTC électrique Pour bien comprendre les différentes stratégies, un profil de dénivelé simpliste sera choisi avec 5 portions de pentes différentes valant respectivement 0%, 10%, -10%, 5% et -5% et correspondant à la figure 1. fig 1: trajet de 6 km avec différentes pentes. Pour une personne adulte en bonne santé, la puissance motrice soutenable est environ de 100 W pendant 6 heures avec un rendement de 20 à 25%. La puissance peut atteindre 200W pendant 1 heure, voire 300W pendant 10 minutes et 750 W pendant 5 secondes. Pour un sportif de haut niveau, la puissance peut atteindre 350 W pendant 5 h. L’énergie journalière issue de l’activité physique humaine doit être d’environ 1000 Wh à 2000 Wh et peut atteindre 5000 Wh dans des cas extrêmes. Avec une limitation de la puissance électrique du vélo précédent à 250 W et en fonction de la puissance humaine proposée ci-dessus, quelle sera le profil de vitesse possible en fonction du dénivelé ? Quelle sera la durée du trajet ainsi que la dépense énergétique ? 4. Stratégie de la puissance moteur constante Avec des choix arbitraires de 250W pour la puissance maximale du moteur électrique et de 100W pour la puissance humaine, la vitesse en régime établi dépend de la résolution de l’équation (1) correspondant à l’expression (2) suivante : Vit(km h⁄ )=A1 3⁄ - kl(pente) 3⋅kaero⋅A1 3⁄ (2) Avec : kl(pente)= kroul+ M⋅g 3,6 ⋅pente A= Pmot kaero + (3⋅(4⋅kl3+27⋅Pmot 2 ⋅kaero)) 1 2⁄ 18⋅kaero 3 2⁄ Pmot correspond aux puissances motrices humaine et électrique. Sur la figure 2, on peut observer les dynamiques de la vitesse en simulation. La vitesse sera de 8 km/h pour une pente de 10%, de 14 km/h pour une pente de 5% et de 32 km/h sur du plat. fig 2: vitesse en fonction de la pente et de la distance pour une puissance de 350 W Le temps pour faire ce trajet de 6 km est de 980 s. La vitesse moyenne est donc de 22 km/h avec une vitesse maximale de 77 km/h alors que le guidonnage intervient à partir de 60 km/h. Par conséquent, cette vitesse maximale est inappropriée. De plus, une vitesse trop faible en dessous de 30 km/h est dangereuse à cause de la différence de vitesse avec les autres usagers de la route (voitures, camions…). Avec une puissance de 250 W + 100 W, l’énergie totale consommée pour effectuer ce trajet correspond à l’équation (3) suivante : E(W⋅h)= Pmotmoy ⋅ t 3600 =350⋅ 980 3600 =95 W.h (3) Vitesse (km/h) Dénivelé (m) Distance (m) Distance (m) Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 27 Donc l’énergie au km pour le trajet est de 15,8 Wh/km avec 27 Wh d’énergie humaine. Les valeurs d'énergie fournie par le moteur électrique et humaine évoluent linéairement par rapport au temps puisqu’elles sont constantes. En revanche, représentées en fonction de la distance parcourue, les courbes de consommation d’énergie comportent des pentes différentes. Cela est dû au fait que la vitesse n’est pas constante. L’énergie moteur est donnée via les équations (4) et (5) suivantes avec Δd correspondant à la discrétisation de la distance (50 m avec Google Maps), Δz l’altitude et V la vitesse en m/s : Emoteur+humaine = Ecinétique+Eaérodynamique+Eroulement+Epotentielle Pmot⋅ Δd ΔV = 1 2 MV2 +kaero⋅3,62 V2 Δd+kroul⋅3,6V⋅Δd+MgΔz Pour obtenir un bilan rigoureux, il est préférable de raisonner sous forme énergétique avec une discrétisation de la distance et donc du trajet et non de raisonner en fonction du temps. Les différentes énergies demandées par le véhicule en fonction de la distance sont observables sur la figure 3 suivante. fig 3: différentes énergies pour une puissance constante de 350 W. Sur la figure précédente, les pertes aérodynamiques qui fluctuent en fonction de la vitesse sont relativement importantes. D’ailleurs, pour minimiser la consommation énergétique du véhicule, une expérimentation à vitesse constante est évidente. Stratégie de la vitesse constante ou de la minimisation de l’énergie Pour faire une comparaison avec la commande précédente, la même vitesse moyenne de 22 km/h sera choisie. On peut observer sur la figure 4 que la puissance du moteur varie fortement avec un freinage électrique lors des descentes grâce au variateur qui régule la vitesse. L’énergie totale est de 42,5 Wh avec la même énergie humaine que dans le cas précédent. La puissance moyenne est seulement de 157 W avec une puissance électrique de 57 W correspondant à la puissance résistive à 22 km/h (1). L’énergie demandée par le véhicule est seulement de 7 Wh/km. En effet, l’énergie potentielle lors des montées est restituée lors des descentes. Par conséquent, une commande à vitesse constante minimise la consommation d’énergie [7], mais demande une puissance plus importante au moteur. Sur la figure 4, on peut observer un écart de puissance de pédalage de 100W correspondant à la différence entre la puissance du véhicule et la puissance moteur électrique. Fig 4 : Puissance en W et énergie en W.h en fonction de la distance en m, pour une vitesse de 22 km/h constante. Il y a donc un compromis à établir entre le temps de trajet et la consommation d’énergie. 5. Stratégie du temps minimal avec vitesse imposée en montée et descente. Une vitesse constante de 35 km/h correspond à une vitesse d’usage correcte pour un cyclotouriste aussi bien sur le plat qu’en montée. Notons que pour rouler en toute sécurité dans les descentes, la vitesse sera alors limitée à 50 km/h. Dans ce cas, la puissance et l’énergie en fonction de la distance correspondront aux graphes de la figure 5. La puissance lors des montées est plus grande que dans le cas précédent. Il en est de même pour la puissance de freinage présentée pour la pente à -10%. En effet, la puissance de freinage est nécessaire moins longtemps puisque la vitesse en descente est de 50 km/h. En revanche, ce n’est pas le cas pour la pente de -5%. Il faut 555 s pour effectuer le parcours de 6 km avec une vitesse moyenne de 39 km/h, une énergie totale de 88 Wh, dont 15 Wh d’énergie humaine, et une puissance moyenne totale de 570 W dont toujours 100 W d’origine humaine. L’énergie nécessaire pour le véhicule est alors de 14,6Wh/km. Différentes Energie véhicule (W.h) Distance (m) Energie cinétique×10 Energie moteur et humaine Energie demandée par le véhicule (humaine+ électrique) Energie aérodynamique perdue Energie Véhicule Distance Energie Electrique Energie humaine Puissance véhicule (humaine+électrique) Distance (m) Puissance moteur électrique Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 28 fig 5 : Puissance en W et énergie en Wh en fonction de la distance en m, pour un temps minimal avec limitation de la vitesse. Si l’on réduit le temps de trajet, la consommation d’énergie humaine est plus faible, ce qui engendre moins de fatigue. Par conséquent, en vélo électrique, les distances parcourues peuvent être beaucoup plus longues que celle effectuées avec un vélo traditionnel. Cependant, dans ce cas, il faut une batterie de capacité énergétique suffisante. Une autre stratégie peut être étudiée. C’est celle pour laquelle il n’y a pas besoin d’énergie extérieure. C'est-à-dire que l’énergie est entièrement fournie par le cycliste et la puissance est nivelée par la motorisation électrique. 6. Stratégie sans énergie extérieure (vélo électrique autonome). Cette stratégie permet de ne pas recharger la batterie sur une prise extérieure, toute l’énergie provenant de la puissance humaine de pédalage [7]. En revanche, la motorisation électrique nivelle la puissance. Sachant que les énergies aérodynamiques et de résistance de roulement correspondent à l’énergie humaine fournie, la vitesse moyenne est déterminée par l’équation 2 pour une puissance humaine de 100 W et donne une valeur de vitesse de 17km/h. Donc, le temps pour effectuer le parcours est de 1270 s avec une énergie correspondant à l’équation (6) suivante : Etrajet(W.h)=Phumanmoy ⋅ t 3600 =100⋅ 1270 3600 =35W.h La consommation du véhicule passe à 5,83 Wh/km. La batterie doit être dimensionnée en fonction de l’énergie potentielle relative à la plus grande montée. Pour le profil du dénivelé précédent, la capacité énergétique devra correspondre à l’énergie potentielle suivante (7) : Ebatterie(W.h)=Mg.Δz/3600=140.9,8.100m/3600=39W.h Les courbes suivantes (figure 6) de la puissance et de l’énergie correspondent à cette dernière stratégie. On peut observer que sur le plat de 0 à 1000 m, la puissance est bien de 100 W. Cependant, il faut toujours des puissances motrices et de freinage relativement importantes. La figure 6 montre aussi l’évolution de l’énergie demandée par le véhicule et de l’énergie du pédalage en fonction de la distance parcourue. fig 6 : Puissance en W et énergie en Wh en fonction de la distance en m, pour une vitesse donnée avec une stratégie de non utilisation d’énergie extérieure. Evidemment, si la puissance humaine est plus importante, la vitesse moyenne pourra être plus grande. L’avantage du vélo électrique est de pouvoir effectuer un trajet à effort constant. Mais comment l'outil Google Maps détermine le chemin à prendre pour un trajet donné ? Est-ce que l’application prend en compte le dénivelé pour proposer un parcours ? Quels sont les traitements dynamiques réalisés permettant de définir un trajet ? Energie (Wh) Distance Energie Humaine Energie consommée par le véhicule Puissance véhicule Distance (m) Distance Energie véhicule Puissance du véhicule Distance Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 29 7. Algorithme dynamique de proposition de trajet Google Maps API [8] permet de savoir comment sont calculées les distances et les durées des trajets entre différents points. Mais l’application ne prend pas en compte l’élévation pour proposer un itinéraire et ne donne pas une estimation de la consommation comme l’application viamichelin.fr. Il existe plusieurs algorithmes pour définir un trajet, mais le plus connu est celui de Bellman [9] : le problème est de trouver la distance la plus courte entre plusieurs points GPS. L’algorithme de Bellman peut être utilisé en temps réel pour une distance donnée et permet de calculer la puissance nécessaire afin de minimiser la consommation d’énergie [10]. Avec la stratégie de la vitesse moyenne, l’élévation a peu d’importance. Par contre, pour la stratégie du temps minimum, le dénivelé aura une grande importance et de grandes conséquences sur l’autonomie. Évidemment, l’algorithme de proposition de trajet se complique si l’on prend en compte la stratégie de pilotage, le trafic, la minimisation de consommation d’énergie, la minimisation du temps de trajet et le rendement de la motorisation pour proposer un trajet. Mais d’ailleurs, quel est l’impact du rendement de la motorisation sur la stratégie de pilotage ? 8. Relation entre le rendement de la motorisation et la stratégie de pilotage. Dans les quatre stratégies précédentes, le rendement du moteur n’a pas été pris en compte. Or, le rendement d’un moteur roue de vélo en fonction de la vitesse correspond à la figure 7. fig 7 : caractéristiques du moteur HS3540 en fonction de la poignée d’accélération avec une pente de 0% en 72V [11] On peut observer que le rendement est pratiquement constant sauf pour les basses vitesses. En effet, il n’y a pas de boite de vitesses entre le moteur roue et la roue arrière du vélo soumise à la puissance résistive. Enfin, il y a des courants importants et donc des pertes plus importantes dans le moteur lorsque celui-ci tourne à basse vitesse. Pour ne pas avoir d’échauffement important de la motorisation, la stratégie d’un pilotage minimisant le temps de parcours, avec des vitesses au- delà de 35 km/h pour avoir une meilleure dissipation, est la plus intéressante. Il y a une optimisation de la consommation énergétique due au rendement à partir d’une certaine vitesse. Ceci a d'ailleurs déjà été démontré dans cette publication [6]. De plus, le rendement de l’énergie humaine est compris entre 20 et 25%. Par conséquent, la stratégie de la minimisation du temps du trajet est la plus intéressante pour minimiser l’énergie d’origine humaine dépensée. Notons que, naturellement, pour rester en bonne santé, un minimum d’énergie musculaire doit être dépensé au quotidien. 9. Instrumentation des vélos électriques et estimateurs de consommation d’énergie. L’objectif des estimateurs est de déterminer l’autonomie restante qu’il est possible d’obtenir par rapport à la capacité énergétique de la batterie tout en prenant en compte l’énergie de pédalage. De nombreux GPS et applications de smartphones pour vélo proposent des estimateurs de kilocalories. Certaines applications proposent l'enregistrement des données sur fichier au format .CSV et affichent les courbes de vitesse, d’énergie, de puissance, les pulsations cardiaques, le tout en fonction de la distance. On peut citer les applications :  « Mes parcours »  « Openrunner » Pour les vélos électriques, il existe des estimateurs gratuits de consommation en ligne pour smartphone. Citons ici :  https://www.ebikemaps.com/http://www.ebikes.ca/tools/trip-analyzer.html Ces estimateurs permettent de supputer la puissance de la motorisation, la température du moteur, l’énergie consommée en fonction d’un itinéraire que l’on a défini sur Google Maps. Depuis 2013, pour environ 180 €, l’instrumentation « cycle analyst », que l’on peut installer sur tout véhicule électrique, permet de faire une mesure de la consommation à 1% prés. De plus, cette instrumentation permet depuis 2015, de mettre un capteur de pédalier pour mesurer la vitesse, le couple et donc la puissance de pédalage. En revanche, cette application n’inclut pas de fonction GPS. Il faut donc l’associer à un smartphone pour générer le dénivelé positif et négatif. Les données sont sauvegardées et permettent de faire une analyse du périple ainsi que des comparaisons avec un estimateur en ligne. En général, l’instrumentation des vélos électriques n’est précise qu’à 20% près, ce qui n’est pas satisfaisant pour faire une étude et rassurer le cycliste sur un parcours (exemple : console Intuvia du fabricant Bosch, 95 €). En 2016, cette même marque a développé une console avec GPS appelée Nyon (360 €) permettant une estimation de consommation en ligne. Cependant, ce GPS estimateur n’est compatible qu’avec le moteur pédalier de la même marque et ne peut qu’être adapté à un vélo droit. Ces estimateurs en ligne ne connaissent pas en général la puissance de pédalage, ni les coefficients de roulement et d’aérodynamisme du cycle. Par conséquent, il y a un décalage important Rendement (%) Vitesse (km/h) Puissance résistive (Watt)/15 Poignée d’accélération (%) Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 30 entre l’estimation et la réalité. Seule l’estimation proposée par Ebikemaps est adaptative, c'est-à-dire qu’à chaque trajet, on peut lui indiquer la valeur de la consommation ce qui permet d’ajuster les paramètres du véhicule. Il faut donc une instrumentation précise (à 1% si possible / Ex : cycle analyst,150€) de la consommation électrique, du dénivelé positif et négatif, de la distance et de la vitesse moyenne pour obtenir des résultats corrects. De plus, à partir de l’équation (5) de l’énergie discrétisée en fonction de la distance, avec la stratégie qui minimise la consommation d’énergie électrique en utilisant le freinage électrique, l’énergie électrique correspondra à l’équation (8) suivante : E(W.h)=( Présistive(Vmoy) ηm − Phumain) ⋅ Dist Vmoy + [ Mg 3600 ⋅ D+ ηm − D- ⋅ηm] (8) Avec D+ la somme des dénivelés positifs et D- la somme des dénivelés négatifs en mètres. Exemple : pour le parcours étudié et un rendement moteur considéré comme constant à 80%, on peut observer que l’énergie perdue dans le moteur est loin d’être négligeable (9). EElec= EVeh-Ehumain ηm +Edénivelé D+ − Erécupérée D- (9) EElec= 157-100 0,8 + 6km 22km/h + 1409,8 3600 ⋅( 150 0,8 -150⋅0,8)) EElec= 15,5 W.h 0,8 +25,7 W.h = 45,1 W.h On peut observer sur les courbes de la figure 8 cette énergie électrique en prenant en compte le rendement du moteur. A cause de ce rendement, si l’on compare la courbe de puissance suivante à la courbe de la figure 4, on peut observer que la machine électrique demande plus de puissance lorsqu’elle fonctionne moteur. En revanche, la puissance de récupération est plus faible. On peut observer les pertes du moteur électrique et son échauffement en prenant en compte une résistance thermique de 0,29°K/W et une constante de temps de 18 min. Si la montée dure trop longtemps (13 km à 22 km/h) alors le régime établi de température sera presque atteint. Or, la température du bobinage ne doit pas dépasser 90°C. Dans ce cas, l’instrumentation proposée par la solution « cycle analyst » limite la puissance du moteur pour réduire les pertes et l’échauffement. Un deuxième capteur de température peut être placé sur le variateur pour le protéger. Avec la stratégie de minimisation du temps où le freinage électrique est faible, la consommation peut être déterminée approximativement par l’équation (10) suivante : E(W.h)=(Présistive(Vmoy)- Phumain)⋅ distance Vmoy + Mg⋅D+ 3600 (10) Exemple : avec le parcours précédent, en négligeant l’énergie récupérée dans les descentes et avec la vitesse moyenne de 39km/h, on obtient : E= ( 470 0,8 -100) ⋅ 6 39 + 140⋅9,8⋅150m 3600⋅0,8 =145 W.h Les pertes de la motorisation étant plus grandes, la différence d’énergie est encore plus significative par rapport à la valeur pour laquelle le rendement est de 100%. fig 8 : puissances en W et énergies en Wh en fonction de la distance en m, pour une vitesse de 22km/h constante avec un rendement du moteur de 80%. Dans les 2 équations précédentes, l’énergie cinétique n’a pas été prise en compte. Peut-on récupérer cette énergie lors des freinages ? Effectivement, l’énergie cinétique peut être récupérée avec un freinage électrique, mais il faut anticiper le freinage. En effet, le freinage d’urgence demande une puissance très importante que ne pourra pas absorber le moteur. Exemple : avec un freinage de 5 secondes pour notre véhicule lancé à 35 km/h, la puissance moyenne et maximale est déterminée par l’équation (11) suivante : Pfreinage moy= M⋅V2 2⋅3,62⋅tempsfrein = 140⋅352 2⋅3,62⋅5 =1654W (11) Pfreinage max = 2 ⋅ Pfreinage moy = 3308

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Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU(1) , V. DEWANCKER(2) , S. JACQUES(3) , A. SIVERT(4) (1) Université François Rabelais de Tours – 60 rue du Plat d'Étain – 37020 Tours Cedex 1. (2) Société Kart Masters – 9 rue Saint Denis – 72300 Sablé–sur–Sarthe. (3) Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours – 7 avenue Marcel Dassault – 37200 Tours. (4) U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – Institut Universitaire de Technologie de l'Aisne GEII – 02880 Soissons – Laboratoire des Technologies Innovantes – Equipe Énergie Électrique et Systèmes Associés. 1. Introduction L’engouement du public pour les véhicules électriques se retrouve dans nos activités pédagogiques. Depuis quelques années, il est de plus en plus facile de réaliser des véhicules électriques dans le cadre de projet avec les étudiants [1–8]. L’association e-Kart a été créée en 2006 dans l’optique de promouvoir le véhicule électrique comme support pédagogique au sein des établissements scolaires et également aider les personnes qui se lancent dans un projet de construction. La figure 1 présente le site web de l’association e-Kart [9]. Fig. 1. Aperçu du site web de l’association e-Kart en août 2016. Un des services proposés à la création de l’association était la fourniture de matériels spécifiques (avance des fonds pour les commandes à l’étranger), mais cet aspect commercial a largement débordé les attributions initiales. Avec l’arrivée en septembre 2013 du partenaire Kart Masters et la création de la boutique en ligne Kart Masters Shop, la gamme de produits disponibles s’est largement étendue (cf. figure 2)[11]. En effet, la société Kart Masters est spécialisée dans la construction de karts électriques. L’ensemble du matériel proposé à la vente sur la boutique est validé et bien adapté à la réalisation des véhicules électriques pédagogiques. Fig. 2. Aperçu du site web de la Boutique Kart Masters Shop en août 2016 [11]. Les véhicules présentés dans cet article ont la particularité d’être pilotable. En d’autres termes, les étudiants sont en mesure d’apprécier les sensations de couple et de vitesse. Après avoir fait un bref rappel sur le choix du véhicule et des composants nécessaires à son Résumé : Cet article présente quelques exemples de réalisation de véhicules électriques. Les projets présentés peuvent être réalisés par les étudiants dans le cadre de leur formation. On s’intéresse ici aux véhicules « pilotables » par les étudiants (sont exclus les robots, les engins radios commandés et les drones) afin qu’ils soient en prise directe avec leur projet et les notions physiques qu’ils auront étudiées au cours de leur cursus, dans le cadre d’un projet d’électrification d’un véhicule. Au vue de la taille du véhicule, le budget de réalisation doit être maîtrisé. Grâce au partenariat mis en place par l’Association e-Kart avec la société Kart Masters, il est désormais possible de construire une progression financière du projet sur plusieurs années. Au fil du projet, le véhicule évolue par un échange et un ajout de composants de plus en plus performants. Cet article détaille un exemple de déroulement sur 6 années de la réalisation d’un kart électrique. Ce projet est donné à titre indicatif et pourra être largement adapté en fonction des contraintes locales. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 35 électrification, nous proposerons une progression d’un projet de kart électrique sur plusieurs années. Les prix indiqués dans cet article sont TTC et sont donnés à titre indicatifs. 2. Quel type de véhicule ? Même si le véhicule de prédilection de l’Association e-Kart est le kart électrique, le matériel et les conseils prodigués ici peuvent servir à d’autres applications. 2.1. Véhicules non terrestres En effet, il n’est pas indispensable d’avoir des roues pour déplacer une personne : c’est le cas par exemple des bateaux, des avions… 2.1.1. Bateau électrique La réglementation dans les ports oblige les bateaux à manœuvrer à faible vitesse (3 nœuds, soit environ 5,5 km/h) et souvent sans l’aide du moteur diesel principal. Un moteur électrique d’appoint est bien utile. Il est possible de franchir le pas du « tout électrique », notamment avec la progression des batteries Lithium LiFePO4 de grande capacité (supérieure à 100 Ah) qui deviennent abordables (environ 6000 € pour une batterie 48V 400Ah LiFePO4 avec son électronique de surveillance) et permettent des autonomies importantes (plusieurs heures). 2.1.2. ULM électrique Avec du matériel de « pointe » digne du « gros » aéromodélisme, il est possible de propulser un ULM à partir d’un moteur électrique (cf. figures 3 et 4). Afin de limiter la masse de la batterie, l’utilisation de cellules Lithium ions de dernière génération est alors indispensable et le budget s’en trouve alourdi (le coût des batteries Lithium ions est environ le double de celui des batteries Lithium LiFePO4). Fig. 3. Thomas JORON aux commandes d’un ULM électrique réalisé en partenariat avec l’IUT de Chartres [12]. Fig. 4. Propulseur électrique pour parapente développé par Stéphane LELONG [13]. 2.1.3. Treuil électrique Voici une autre application originale de la traction électrique : le treuil pour la pratique de sport nautique de glisse. Un des objectifs de cette réalisation est la réduction des nuisances sonores lors de la pratique du wake–board (cf. figure 5). Le treuil permet l’enroulage d’une centaine de mètre de corde et permet la pratique d’un sport de glisse sur les étangs ou les lacs. Un pack de batterie de 48 V 48 Ah permet de s’affranchir de l’alimentation électrique via le réseau. Fig. 5. Le treuil électrique pour la pratique du wake–board sur lac (le pack batterie n’est pas sur la photo). Réalisation Benjamin ROBIN [14]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 36 2.2. Véhicule à 2 roues On ne parlera pas des gyropodes à une roue qui ajoute un pilotage complexe du véhicule à une réalisation technologique pointue. Avec 2 roues, le véhicule gagne en stabilité. Toutefois, le risque de chute du pilote est un point négatif de ce type de véhicule qui est à prendre en compte lors des essais. 2.2.1. Gyropode à 2 roues En 2009, la revue d’électronique Elektor proposait un kit pour la réalisation d’un gyropode à 2 roues : l’ElektorWheelie (cf. figure 6)[15]. Ce projet permet la réalisation de l’ensemble des cartes électroniques : variateurs pour les moteurs, microcontrôleurs pour le pilotage, interfaces des différents capteurs. Les programmes sont également accessibles et fournissent une très bonne base de travail. Fig. 6. Le kit ElektorWheelie pour la réalisation d’un gyropode électrique [15]. 2.2.2. Vélo ou tricycle électrique Le vélo a également bénéficié du développement des solutions de transport électrique [7]. Un grand nombre de composants sont disponibles sur le marché et permet « facilement » la réalisation d’un « 2 roues » électrique (cf. figure 7). Fig. 7. Le vélo électrique de l’IUT de l’Aisne [16] Les véhicules à 3 roues permettent une meilleure stabilité sur la route (cf. figure 8). La position couchée et le carénage diminuent la consommation et augmentent l’autonomie de ce « vélomobile ». Fig. 8. Les vélomobiles à 3 roues électriques et le kart électrique de l’IUT de l’Aisne [16]. 2.2.3. Les véhicules du challenge EducEco L’Association pour le Développement d’Épreuves Éducatives sur l’Éco-mobilité (AD3E) propose une compétition automobile fondée sur la moindre consommation d’énergie [17]. Deux types de véhicules peuvent être conçus dans le cadre d’un règlement unique. Les véhicules PROTOTYPE, à 3 roues (cf. figure 9), sont destinés à établir la plus haute performance énergétique possible et les véhicules ÉCO-CITADIN à 4 roues (cf. figure 10) doivent, outre de réelles performances énergétiques, développer la notion d’utilisation avec les directives qui s’attachent aux notions de cycle de vie du produit et au développement durable. Fig. 9. Prototype 3 roues pour EducEco [17]. Fig. 10. Véhicule 4 roues éco-citadin présent au challenge EducEco [17]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 37 2.2.4. Moto électrique Au-delà de 4-5 kW de motorisation, le « 2 roues » électrique (e.g. scooter ou moto) est classé dans la catégorie des cyclomoteurs. L’intégration mécanique du moteur et de la batterie constitue le point important de cette réalisation. Une batterie Lithium permettra de réduire la masse et le volume, tout en assurant une autonomie « correcte » d’une centaine de kilomètres (cf. figure 11). Fig. 11. La moto électrique de Sébastien MAHUT, étudiant à l’IUT de l’Aisne [18] 2.3. Le kart électrique De par sa conception simple et un assemblage démontable d’un grand nombre de pièces, le kart est un support mécanique qui se prête bien au travail avec des étudiants et à l’adaptation à la motorisation électrique (cf. figure 12). Disposant de 4 roues et d’un centre de gravité très bas, c’est un véhicule très stable. De plus, les étudiants sont habitués à faire du karting sur une piste sécurisée (et pas sur la route) ce qui simplifie grandement l’homologation et l’assurance du véhicule. Fig. 12. Le kart électrique comme support pédagogique [19]. 3. Les principaux composants du kart électrique Cette section propose de passer en revue les composants nécessaires à l’électrification d’un châssis de kart et indique la répartition budgétaire du projet. 3.1. Châssis Le châssis est bien souvent le premier investissement qui déclenche le projet. Un châssis d’occasion de kart de location sans moteur thermique se négocie entre 0 € et quelques centaines d’euros. En revanche, un châssis de kart de compétition sans moteur, avec des freins à disques à l’avant et à l’arrière, peut être négocié entre 400 €–500€ pour un modèle d’occasion et 2000 €-3000 € pour un modèle neuf. 3.2. Planning et premiers calculs Le projet démarre en juin (en amont de l’année scolaire) par la négociation d’un budget pour l’achat des composants du kart électrique i.e. entre 2000 € et 5000 €. Les étudiants peuvent démarrer dès la rentrée de septembre par l’étude mécanique du mouvement du kart afin de déterminer la puissance du moteur électrique. La découverte du projet, des composants et les premiers calculs peuvent leur prendre quelques mois [7]. La fixation mécanique du moteur, de son variateur et des batteries constituent les principaux points critiques du projet. Une modélisation mécanique du châssis de kart peut être faite afin d’étudier différentes solutions. La société Kart Masters propose un kit de fixation du moteur qui s’adapte sur la majorité des châssis de kart. Il n’existe pas de solution « simple » pour la fixation des batteries. En fonction du châssis utilisé, il faudra ajouter des renforts pour maintenir et fixer correctement les batteries. La figure 13 montre qu’entre 40 et 60 km/h de vitesse de pointe, sur une piste plane (pente de 0%), il faut entre 2500 W et 4500 W pour vaincre les frottements de roulement et aérodynamique [7]. Fig. 13. Evolution de la puissance du moteur en fonction de la vitesse du kart, pour une pente de 0% et 5% [7]. Au-delà de cette valeur, la puissance (et donc le couple) supplémentaire servira pour l’accélération et la reprise du kart en sortie de virage. Pour un fonctionnement à 5kW, sous 48 V, pendant 10 min, il faudra disposer d’une énergie de 833 Wh et donc d’une capacité de batterie théorique de 17,4 Ah Puissance (W) Vitesse (km/h) Pente à 5% Pente à 0% Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 38 [7]. En considérant que cette énergie correspond à une décharge à 50% d’une batterie au plomb, un accumulateur d’une capacité supérieure à 34,7 Ah conviendra. Cette puissance de 5 kW correspond à des courants de 100 A sous 48 V et 200 A sous 24 V. Avec une densité de courant maximale de 10 A/mm2 , la section des câbles d’alimentation sera de 16 mm2 en 48 V et de 25 mm2 en 24 V. De nombreux exemples de schéma de câblage sont disponibles sur le site de l’association e- Kart [20]. En novembre, la liste du matériel peut être constituée afin de pouvoir en disposer dès la rentrée de janvier. L’assemblage peut alors commencer et peut, par exemple, être rapidement avancé en vue d’actions de promotion de l’établissement (e.g. Journées Portes Ouvertes de février-mars). Il est préférable que le kart soit terminé avant le départ en stage des étudiants courant avril, et qu’il ne reste que les essais et les derniers réglages avant le challenge e-Kart de Limoges qui se déroule fin mai- début juin [21]. 3.3. Moteur et variateur Une large variété d’ensemble moteur/variateur est disponible :  des moteurs à courant continu de 5 kW à 30 kW, avec des variateurs 1 ou 4 quadrants ;  des moteurs asynchrones triphasés basse tension de 1,1 kW à 28 kW associés à des variateurs triphasées de 275 A à 650 A par phase ;  des moteurs synchrones triphasés basse tension de 5 kW à 56 kW associés à des variateurs triphasés de 275 A à 650 A par phase. Le moteur et le variateur représentent à part égal environ les 2/3 du budget. 3.4. Batterie et chargeur Le dernier tiers du budget pourra être consacré à l’achat des batteries de stockage de l’énergie et de leur chargeur associé. 3.4.1. Batterie plomb ou cellules Lithium ? Un petit budget (en dessous de 4500 €) impliquera l’utilisation de batteries au plomb de 12 V de technologie spiralée OPTIMA (ou EXIDE). L’enroulement des plaques de plomb permet de réduire la résistance interne de la batterie (3,2 mΩ pour une OPTIMA, contre plusieurs dizaines de mΩ pour une batterie « classique »), ce qui la rend résistante au décharge importante (jusqu’à 600 A voire 900 A) et capable de supporter des courants de charge importants de 50 A à 100 A. Des modèles disposant de capacités de 38 Ah et 48 Ah sont disponibles (cf. figure 14). La batterie de 55 Ah est plus lourde et plus chère, pour un gain en autonomie assez faible [11]. Les cellules au Lithium de « faible densité » permettent de diviser par 2 la masse de la batterie et de multiplier par 2 ou 4 l’autonomie du kart. Ce type de technologie supporte des taux de décharge de 80% à 100%. Elles sont simples à mettre en série (cavalier en cuivre et vis M6 ou M8), mais nécessite une surveillance de chaque élément via un BMS (Battery Management System) qui augmente encore le coût de la batterie (environ 1000 € pour le BMS). Les cellules au Lithium de « forte densité » de type poche sont réservées au gros budget (environ 12 000 euros pour une batterie Lithium 72 V 86 Ah avec BMS), mais permettent de diviser par 4 la masse de la batterie par rapport à une batterie plomb, mais pour un coût hors BMS également multiplié par 4 ! 3.4.2. Chargeur d’entretien ou chargeur rapide ? Le cahier des charges des batteries utilisées dans ce type de projet pédagogique est typique. En particulier, le projet est en « sommeil » pendant presque une année et le véhicule n’est utilisé que quelques jours par an. Les batteries sont donc très souvent en mode « supervision ». Pour les batteries au plomb de la marque OPTIMA qui ont un niveau d’autodécharge important (plus de 50% de pertes en 1 ou 2 mois), les chargeurs CTEK 12 V 7 A sont tout à fait adaptés. Ils sont capables d’assurer une charge des batteries en quelques heures tout en garantissant la fonction de « charge d’entretien » ou « Floating » (cf. figure 14). De plus, ils redémarrent automatiquement en cas de coupure de l’alimentation électrique. Un chargeur individuel (un par batterie) est systématiquement conseillé à cause des déséquilibres de charge entre les batteries. Pour les cellules au Lithium, le problème est multiplié par le nombre de cellules. Il faut assurer l’équilibrage de la charge de chaque cellule. En effet, la charge de puissance est interrompue par le BMS qui détecte la cellule la plus chargée. Lorsque toutes les cellules sont équilibrées, avec des cellules de fortes capacités (supérieure à 40 Ah), il est préférable de déconnecter le circuit de surveillance qui tend à décharger la cellule. Lorsque la cellule n’est pas connectée, elle perd entre 5% et 10% de sa charge par an quand elle est neuve. Le chargeur de puissance représente un investissement conséquent. Par exemple, 4 chargeurs KINGPAN 12 V 80 A ou un chargeur 48 V 50 A coûtent 2500 euros. L’association e-Kart prête des chargeurs de puissance et lors du challenge, il est possible d’utiliser le chargeur de puissance des équipes présentes. Fig. 14. Exemple de la batterie au plomb OPTIMA JAUNE 12V 48Ah et du chargeur CTEK MXS 7.0 12V 7A [11]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 39 4. Progression du projet d’électrification d’un kart La progression présentée dans cette section s’appuie sur un exemple type. Les étapes peuvent être modifiées à souhait et de multiples possibilités s’offrent à chacun pour adapter le projet à son budget. L’accord négocié avec la société Kart Masters pour l’année 2017 prévoit la reprise du matériel avec une décote entre 30% et 40%, en fonction du matériel et de son état lors du retour. Une décote de reprise de 40% est appliquée ici dans les exemples chiffrés. 4.1. Année 1 : l’investissement minimal Les objectifs de cette première année sont : (1) Réaliser un kart électrique fonctionnel avant la fin de l’année scolaire. (2) Découvrir le domaine du kart électrique et acquérir les compétences spécifiques liées à ce projet (quelles soient techniques, économiques ou environnementales). (3) Impliquer au maximum les étudiants dans une démarche pédagogique motivante. (4) Respecter le budget initial. Le tableau 1 détaille le prix des principaux composants du projet avec une option visant à minimiser le coût et une solution offrant plus de performance. Il faut acquérir un châssis de kart sans moteur thermique, de préférence un kart de location qui sera plus robuste et qui possède généralement des bandes de protection périphérique. Pour le moteur, la solution la plus simple à mettre en œuvre est un moteur à courant continu qui pourra être alimenté de 0 V à 48 V. Le moteur de type ME0909 est le plus économique et généralement disponible sous quelques jours. Le modèle ME1004 est deux fois plus puissant et a la particularité de pouvoir être alimenté en direct sur les batteries pour des applications de type tondeuse car le couple de démarrage disparait rapidement au bout de quelques secondes. Le variateur ALLTRAX 4844 un quadrant est aussi très simple à mettre en œuvre. La plage de la tension d’alimentation s’étend de 24 V à 48 V. Le courant maximal dans le moteur est programmable de 0 A à 450 A. Afin de minimiser les coûts, la solution en 24 V avec 2 batteries de marque OPTIMA JAUNE 48Ah est retenue, avec 2 chargeurs CTEK 12 V 7 A. À ce stade de l’étude, il peut être judicieux de prévoir la fixation de 4 batteries pour le futur. Les chargeurs étant fournis avec des pinces de charge, il est possible de les raccorder directement aux batteries, même si elles sont installées sur le kart et reliées au variateur. L’option d’installer la prise de charge unitaire PK 63A 7 broches, avec les câbles de liaisons de 16 mm2 pour le socle, représente un surcoût de 261 € (cf. figure 15). Fig. 15. Socle et prise PK 63A 7 broches pour la charge unitaire de 1 à 4 batteries 12V [11]. Le kit de câblage comprend entre autre le capteur PB6 pour l’accélérateur, les câbles de puissances, les cosses de puissance à sertir, le fusible et l’arrêt d’urgence. L’interrupteur « Marche/arrêt » à clef 455, le coupe-circuit à fourchette et l’arrêt d’urgence forment la chaîne de sécurité pour la mise en marche du kart. Le kit de transmission mécanique comprend un support qui permet de fixer aisément les moteurs du constructeur « Motenergy » sur un châssis de kart par pincement des tubes. Un rapport de transmission typique est proposé : poulie de 22 dents du côté du moteur et une couronne de 75 dents du côté de l’arbre de roue. La longueur de la courroie de largeur 30mm devra elle aussi être adaptée à la configuration du châssis. La version minimale ne comporte que la poulie 22 dents et son « Taper Lock » en diamètre 7/8 pouces. Tab. 1. Fourchette de prix pour l’investissement initial en 24 V. Matériel Coût mini Coût maxi Châssis de kart 100 € 800 € Moteur CC ME0909 / ME1004 633 € 762 € Variateur ALLTRAX 4844 717 € 717 € 2 batteries OPTIMA 48Ah 547 € 547 € 2 chargeurs CTEK MXS 7.0 406 € 406 € Kit de câblage 542 € 542 € Prises PK63A + câbles 16mm2 0 € 261 € Kit transmission mécanique 66 € 410 € TOTAL TTC 3 021 € 4 455 € Le réglage du variateur se fait via une interface USB-RS232 et un logiciel gratuit disponible sur le site web de la société « Alltrac Inc. ». Après avoir adaptée la plage de tension de la batterie dans le variateur, il faut ajuster le courant dans le moteur à des valeurs raisonnables : le moteur ME0909 ne supporte 450 A que pendant seulement 30 s ! Avec une tension de 24 V, la vitesse de rotation du moteur ME0909 est d’environ 2 000 tr/min. La transmission de 22/75 donnera une vitesse maximale du kart de 30 km/h. 4.2. Année 2 : passage en 48V A ce stade du projet, le kart fonctionne et le premier objectif est atteint. Différentes études peuvent maintenant être menées : l’efficacité du freinage, l’impact de la modification de la transmission, le bilan de puissance Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 40 de la chaîne d’énergie « batterie-variateur-moteur », l’évolution de la température du moteur, la décharge de la batterie, la détermination du centre de gravité, etc. Les performances en termes d’accélération sont impressionnantes, mais la vitesse de pointe limite un peu le plaisir sur piste. Ceux qui ont opté pour un rapport de transmission de 32/65 pourront atteindre 50 km/h, mais l’accélération sera bien moindre (environ la moitié de ce que fournie la transmission avec un rapport de 22/75). Afin de profiter pleinement du moteur électrique (en doublant sa vitesse), il faut une alimentation en 48 V. Le variateur étant compatible, il faudra juste adapter les réglages pour la nouvelle tension. Le tableau 2 synthétise les coûts du matériel nécessaire au passage en 48 V. L’achat de chargeur rapide (colonne « Cout maxi ») implique un budget double par rapport à la solution économique (colonne « Cout mini »). Dans la version minimale, les 2 nouvelles batteries sont associées à 2 autres chargeurs CTEK MXS 7.0, mais la prise standardisée PK 63A est installée sur le kart. Elle permettra l’utilisation des chargeurs présents au Challenge e-Kart de Limoges. Il est possible également d’envisager une solution de charge plus rapide : 40 A ou 80 A en fonction du budget. L’avantage de conserver 4 chargeurs (un par batterie) est que les batteries seront rééquilibrées à chaque charge rapide de puissance. Dans tous les cas, les chargeurs disposent du mode « Floating » pour la charge d’entretien. Tab. 2. Fourchette de prix pour le passage en 48V. Matériel Coût mini Coût maxi 2 batteries OPTIMA 48Ah 547 € 547 € Cosses batteries 64 € 64 € 2 chargeurs CTEK MXS 7.0 406 € 0 € Avoir pour 2 chargeurs CTEK -244 € 4 chargeurs Kingpan 12V 40A 1 543 € (4 chargeurs Kingpan 12V 80A) (2 422 €) Prises PK63A + câbles 16mm2 261 € 261 € TOTAL TTC (avec l’option 80A) 1 278 € 2 577 € (3 456 €) Comme il est très facile de passer largement au-delà des réglages nominaux du moteur, il faudra impérativement surveiller l’élévation de la température du moteur. Avec un réglage à 48 V et 150 A, le kart dispose d’un couple à la roue de 50 Nm et une vitesse de pointe de 56 km/h. Le temps de recharge est de 15 min à 20 min pour 8 min-10 min de roulage (chargeur 40 A). Avec les chargeurs 80 A, le temps de charge est environ égal au temps de roulage. 4.3. Année 3 : la marche arrière Le variateur ALLTRAX ne permet pas la récupération d’énergie au freinage. En effet, c’est un hacheur série composé d’un transistor relié à la masse et une diode de roue libre reliée au « + » de la batterie (convertisseur 1 quadrant). Il n’existe pas sur le marché de variateur industriel 2 quadrants. Pour bénéficier du freinage, il faut utiliser le variateur « SEVCON Millipak » 4 quadrants. Le kart disposera alors de la marche arrière, ce qui est pratique pour les manœuvres et le stationnement dans les stands. L’inconvénient de ce variateur est qu’il nécessite une interface de programmation (« dongle ») aussi onéreuse que le variateur (cf. tableau 3). En accord avec la société SEVCON, le logiciel de paramétrage est gratuit pour les écoles membres de l’Association e- Kart. Le dongle de programmation est empruntable pour une courte durée auprès de l’Association e-Kart. L’échange du variateur 1Q ALLTRAX contre le variateur 4Q SEVCON n’est pas très onéreux (cf. tableau 3). Le kit de câblage supplémentaire indiqué dans le tableau 3 est composé d’un faisceau de câbles de commande avec une prise pour le branchement sur le variateur « SEVCON Millipak », d’un interrupteur « Avant / Neutre / Arrière » et d’un voyant de signalisation de l’état du variateur. Tab. 3. Fourchette de prix pour le passage en 4 quadrants. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir du variateur AXE 4844 -430 € -430 € Variateur SEVCON Millipak 4Q 639 € 639 € Dongle d’interface Millipak (en prêt) 645 € Kit câblage Millipak 4Q 95 € 95 € TOTAL TTC 304 € 949 € Le variateur « SEVCON Millipak 4Q » peut très bien fonctionner sous 24 V, 36 V ou 48 V. Il permet de limiter le courant du moteur jusqu’à 300 A. Il est entièrement paramétrable et dispose de sécurités logicielles de fonctionnement, comme le blocage du démarrage si l’accélérateur est actionné à la mise sous tension. La régénération de l’énergie est programmable et entrainera des questions sur la transmission mécanique. En effet, trop de freinage ajoute des contraintes supplémentaires sur la courroie. Le freinage électrique permet de diminuer la consommation lors du roulage et donc de diminuer le temps de recharge, mais provoque un échauffement supplémentaire du moteur. 4.4. Année 4 : passage en moteur synchrone La société « Motenergy » fabrique des moteurs synchrones basse tension « économique ». Ces moteurs sont tout à fait préconisés pour les véhicules électriques fonctionnant en basse tension. Afin d’obtenir suffisamment de puissance pour le kart, il est conseillé de les alimenter à partir de 36 V. Les 3 produits « phares » de la Boutique Kart Masters Shop sont : (1) Le moteur « ME0907 », 5 kW sous 48 V, 2 500 tr/min, à 689 €. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 41 (2) Le moteur « ME0913 », 12 kW sous 48 V, 3 600 tr/min, à 833 €. (3) Le moteur étanche « ME1304 », 20 kW sous 48 V, 4 000 tr/min, à 967 €. Ces moteurs nécessitent l’utilisation de variateurs triphasés basse tension fort courant. La société Kart Masters propose la gamme « GNE4 » du constructeur SEVCON en 24 V, 36 V, 48 V et 72 V pour des courants efficaces dans le moteur de 275 A, 350 A, 450 A, 550 A et 650 A, en fonction de la taille du variateur. La figure 16 présente les dimensions des 3 formats de variateurs de la gamme GEN4 utilisés pour les karts électriques. Fig. 16. Dimensions des variateurs SEVCON de la gamme GEN4 size 2 (en bas), size 4 (au milieu) et size 6 (en haut) [11]. Comme précédemment, le résumé du passage de la solution d’un moteur à courant continu vers un moteur synchrone est présenté dans le tableau 4. La version avec un moteur de 5 kW permet de minimiser le coût. Pour le moteur « ME0907 » de 5 kW, un variateur « size 2 » 48 V 275 A est suffisant, mais ce variateur est légèrement plus cher (874 € contre 810 €) que le modèle « size 4 » 48 V 450 A (car plus vendu) : c’est la solution proposée pour minimiser le coût. Les moteurs « ME0913 » et « ME1304 » s’accommoderont parfaitement d’un variateur « size 4 » 48 V 450 A, mais pour profiter de toute la puissance des moteurs, le modèle en « size 6 » 48 V 650 A pourra être utilisé. Les variateurs « SEVCON GEN4 » sont paramétrables via un bus CAN : il faut une interface spécifique « USB-to-CAN » et un nouveau logiciel (gratuit pour les écoles membres de l’Association e- Kart). Dans le kit de câblage pour variateur « GEN4 » est fourni le faisceau de câble de commande avec une prise 35 broches, du câble en 50 mm2 pour les liaisons moteur/variateur et un forfait de paramétrage et de test du variateur en usine. Tab. 4. Fourchette de prix pour le passage en moteur synchrone. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir mot. ME0909 / ME1004 -380 € -457 € Avoir du variateur Millipak 4Q -383 € -383 € Avoir dongle Millipak 4Q -0 € -387 € Moteur ME0907 / ME1304 689 € 967 € Variateur GEN4 4845 / 4865 837 € 1 197 € Interface « USB-to-CAN » (en prêt) 530 € Kit câblage GEN4 360 € 360 € TOTAL TTC 1 123 € 1 826 € Le variateur GEN4 est un peu plus difficile à mettre en œuvre : la problématique est transférée sur les aspects informatiques. Il faut pouvoir disposer d’un ordinateur (pas trop vieux), avec une liaison internet (assez rapide), installer le logiciel SEVCON DVT (et obtenir la licence) et installer le logiciel « Team Viewer » pour la prise en main à distance de l’ordinateur par le Service-Après-Vente afin de dépanner les problèmes. Par contre, les multiples possibilités de réglage et de configuration en font un vrai centre d’intérêts pour des exploitations pédagogiques. Comme le kart gagne en performance, une piste à explorer est la réduction de masse (du châssis et/ou des composants). Le passage en batterie au plomb d’une capacité de 38 Ah permettra de réduire la masse du kart (11,6 kg pour la batterie de 38 Ah contre 16,6 kg pour le modèle 48 Ah). L’accélération sera plus importante et la consommation électrique moindre [7]. 4.5. Année 5 : passage en 72 V L’action combinée du passage en batterie 38 Ah et de l’ajout de 2 batteries supplémentaires n’impacte la masse de batteries que de 3,2 kg (69,6 kg pour 6 x 38 Ah contre 66,4 kg pour 4 x 48Ah). L’augmentation de la tension d’alimentation permet aux moteurs électriques de développer plus de puissance grâce à une vitesse de rotation plus importante. Ceci permet également de réduire le courant dans la batterie pour une puissance donnée. Les moteurs « ME0913 » et « ME1304 » seront associés à un variateur « size 4 » (72 V 350 A 2,7 kg), ou le modèle en « size 6 » (72 V 550 A 4,6 kg). Le tableau 5 reprend des différentes modifications du projet précédent. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 42 Le câblage reste identique à la version 48 V. Il faut juste ajouter une prise de charge unitaire pour les 2 batteries supplémentaires (et leurs cosses) et 2 chargeurs de puissance (cf tableau 5). Tab. 5. Fourchette de prix pour le passage en 72 V. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir des 4 batteries 48Ah -656 € -656 € 6 batteries OPTIMA 38Ah 1 290 € 1 290 € 2 chargeurs 12V 40A / 80A 772 € 1 211 € Avoir var. GEN4 4845 / 4865 -502 € -718 € Variateur GEN4 8035 / 8055 837 € 1 197 € Kit câblage 72V 295 € 295 € TOTAL TTC 2 035 € 2 619 € Avec 20 kW (27 ch) ou 30 kW (40 ch) de puissance électrique, le niveau de performance atteint ici par un kart électrique est comparable à celui d’un kart thermique de compétition (125 cm³ sans boîte de vitesses d’une puissance de 15 ch à 35 ch) [23]. 4.6. Année 6 : les batteries Lithium Un avantage de la montée de la tension continue est la limitation du courant de la batterie à des valeurs de l’ordre de 200 A à 400 A. Cela convient bien aux batteries au Lithium : les pertes par effet Joule dans les câbles et dans la batterie en seront réduites de façon importante (car proportionnelles au carré du courant). Les cellules au Lithium permettront de réduire encore la masse de la batterie et d’augmenter l’autonomie du kart. Deux technologies sont disponibles sur la Boutique Kart Masters Shop : (1) Les cellules au Lithium « CALB CA » LiFePO4 « Low Density » (faible densité) 94 Wh/kg, prismatique. (2) Les cellules au Lithium polymère « LCO EPS » 156 Wh/kg, en poche. Afin d’avoir une masse de cellule Lithium inférieure à la masse des 6 batteries « OPTIMA » 38 Ah (qui est de 69,6 kg), 2 approches sont présentées dans le tableau 6 : (1) Le passage en 48 V avec 16 cellules « CALB » 100 Ah, pour une masse totale de 54,4 kg (5 956 €). (2) En 72V, avec 48 cellules « EPS » 43 Ah, 2 en série et 24 en parallèle (« 2P24S »), pour une masse de 49 kg et une capacité équivalente de 86 Ah. Le kit de cellules au Lithium comprend les éléments nécessaires à la mise en série (et en parallèle), un BMS et une télécommande pour superviser l’état de la batterie. L’offre de reprise en 48 V se base sur 4 batteries au plomb 12 V 48 Ah et 4 chargeurs 12 V 40 A. En 72 V, le calcul est effectué pour 6 batteries au plomb 12 V 38 Ah et 6 chargeurs 12 V 80 A. Tab. 6. Fourchette de prix pour le passage en Lithium. Matériel Coût en 48V LD Coût en 72V HD Avoir des 4 / 6 batteries 48Ah -656 € -774 € Batterie CALB 100Ah 48V LD 5 956 € Batterie EPS 86Ah 72V HD 11 922 € Avoir des 4 / 6 chargeurs 12V -926 € -2180 € Chargeur ZIVAN 48V 50A 1 361 € Chargeur ZIVAN 72V 85A 2 957 € TOTAL TTC 5 735 € 11 925 € Le passage en batterie au Lithium double le budget initial du kart électrique, mais permet d’optimiser la masse du véhicule et de passer de 200 kg-250 kg pour un kart au plomb à 110 kg-150 kg pour un kart au Lithium. De plus, l’autonomie est multipliée par 4 par rapport à la technologie plomb, pour atteindre environ 1 heure de roulage. Avec de telles performances, il faudra impérativement avoir un bon châssis de kart de compétition, avec de préférence des freins hydrauliques à l’avant (et à l’arrière). 5. Conclusion Dans la réalisation d’un projet d’électrification d’un véhicule, il est important que dès la première année le projet puisse aboutir, même avec des performances modestes. Le budget initial d’investissement étant relativement important, la hiérarchie qui finance sera sensible à cet argument et le véhicule pourra servir rapidement de support de communication lors des journées portes ouvertes et des différents salons pédagogiques de promotion de l’établissement. Avec le concours de l’Association e-Kart et à la société Kart Masters, il est possible de faire évoluer ce projet d’électrification sur plusieurs années, par l’échange et l’ajout de matériel plus performant (cf tableau 7). Le passage avec des batteries Lithium est possible mais double le budget du véhicule ! Autour de la réalisation du véhicule électrique, il est possible de proposer aux étudiants une multitude de projets, dans des domaines très variés [24][7]. Tab. 7. Bilan de l’évolution financière du kart électrique. Année Version mini Version haute 1) Investissement en DC 24 V 3 021 € 4 455 € 2) Passage en 48 V (1 quadrant) 1 278 € 3 396 € 3) Variateur 4 quadrants 304 € 949 € 4) Moteur synchrone en 48V 1 123 € 1 826 € 5) Moteur synchrone en 72V 2 035 € 2 619 € TOTAL TTC sur 5 années 7 761 € 13 305 € 6) Passage en batterie Lithium +5 735 € +11 925 € Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 43 6. Bibliographie [1] D. EYMARD, Le kart électrique : une application pédagogique, Revue Technologie, N° 120, mai-juin 2002, pp. 74-76. [2] P. LEBRUN, Conception et réalisation d’un véhicule électrique, Revue Technologie, N° 125, avril 2003, pp. 56-58. [3] P. LEBRUN, Conception et réalisation d’un véhicule électrique, Revue 3EI, N° 34, septembre 2003, pp. 16- 20. [4] M. CHAVES, L. PERRO, A. ROQUE, D. PRATA, J. MAIA, P. VERDELHO, J. ESTEVES, Control of an Electrical Kart With Two Independent Motors, EPE Proceedings, Septembre 1999. [5] J. Van MIERLO, J.-M. TIMMERMANS, P. LATAIRE, P. Van Den BOSSCHE, Project oriented education: Build your own electric go-kart, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2005, 9 pages. [6] T. LEQUEU, B. BIDOGGIA, A. SCHELLMANNS, Y. DERRIEN, N. GODEFROY, Exemples d’applications pédagogiques autour du kart électrique e-kart, CETSIS 2007, Bordeaux, 29-31 octobre 2007, 6 pages. [7] A. SIVERT, T. LEQUEU, Je construis mon véhicule électrique - Vélo, Kart, Moto, collection ETSF, Dunod, juillet 2013, 144 pages. [8] A. SIVERT, F. BETIN, T. LEQUEU, Réalisation d’un kart électrique performant : gestion de l’énergie embarquée et choix technologiques, CETSIS 2014, Besançon, 27-29 octobre 2014. [9] Le site web de l’Association e-Kart http://www.e- kart.fr/, consulté le 8 août 2016. [10] Le site web de la société Kart Masters http://www.kartmasters.fr/, consulté le 8 août 2016. [11] Le site web de la Boutique Kart Masters Shop http://www.kartmasters.fr/shop/, consulté le 8 août 2016. [12] J. MERDY, B. SOHIER, T. JORON, le site web AILEC (Aéro Innovation Loisir ÉleCtrique), http://www.ailec.fr/, consulté le 8 août 2016. [13] S. LELONG, le site web des pilotes d’ULM de type PULMA, http://appulma.org/, consulté le 8 août 2016. [14] B. ROBIN, Ride'n Touraine - Réalisation d'un treuil électrique pour la pratique du wakeboard, projet personnel, juillet 2013. [15] ElektorWheelie sur le site web de la revue Elektor, https://www.elektormagazine.fr/magazine/elektor- 200909/11389, consulté le 8 août 2016. [16] Le site web des engins électriques à l'IUT GEII de Cuffies-Soissons, http://aisne02geii.e-kart.fr/, consulté le 9 août 2016. [17] Le site web du challenge EducEco, http://www.educeco.net/, consulté le 9 août 2016. [18] Le site web du la moto électrique de Sébastien MAHUT, http://seb-moto.e-kart.fr/, consulté le 9 août 2016. [19] Le site web de l’association Kartelec, http://www.kartelec.com/, consulté le 9 août 2016. [20] T. LEQUEU, Exemple de câblage du circuit électrique d'un kart, https://e-kart.fr/documentation/trucs- astuces/279-exemple-de-cablage-du-circuit-electrique- d-un-kart.html, consulté le 11 août 2016. [21] Site web http://www.e-kart.fr/2017/, consulté le 10 août 2016. [22] Site web http://www.thierry-lequeu.fr/, consulté le 8 août 2016. [23] A. SIVERT, F. BETIN, J.-P. BECAR, T. LEQUEU, Do Electric Go-Karts Are Getting Better than Gas- Powered Ones?, EVER Monaco, 2012, 6 pages. [24] T. LEQUEU, Un support pédagogique pluritechnologique : le kart électrique, http://www.iutenligne.net, mise à jour du 21 janvier 2005.

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Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 44 Batteries de smartphone (applications, diagnostic) A.SIVERT1 , B.VACOSSIN1 , F.BETIN1 , N.DAMAY2 (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Laboratoire d’Electromécanique, 60203 Compiègne 1. Introduction Pour utiliser des appareils nomades, faut-il comprendre comment fonctionnent les batteries et quelles en sont les limites ? Evidement que non, mais quelques connaissances permettent de mieux comprendre la gestion de l’autonomie des smartphones. A la lecture du sujet « consommation énergétique d’un smartphone » dans Wikipédia [1], ainsi qu’aux vues de nombreux articles scientifiques [2], la consommation des smartphones semble représenter un enjeu crucial et un argument de vente important [3]. Or, tous les smartphones mesurent la tension, le courant, la capacité énergique de la batterie et la consommation de chaque application. Par conséquent, il est possible de les caractériser électriquement et de réaliser un diagnostic à l’aide de tests adaptés. En effet, le nombre de cycles, la résistance interne et la capacité énergétique de la batterie peuvent varier du simple au double en fonction de la chimie et du constructeur pour un même packaging. En 2016, la batterie est encore considérée comme un accessoire par tous les fabricants de smartphones et n’est garantie que 6 mois alors que le reste de l’appareil est garanti 2 ans. L’autonomie d’un smartphone va dépendre de son utilisation mais aussi de l’état de santé de sa batterie qui se dégrade plus ou moins vite. Mais comment tester et connaitre l’état santé de la batterie ? De nombreuses applications prétendent tester la batterie et re-calibrer la mesure de l’état de charge en pourcentage, mais elles ne dévoilent pas leur méthode. Cet article présente une partie du travail demandé aux étudiants sous la forme de questions corrigées qui peuvent être téléchargés via un lien [4]. A quel niveau d’études correspondent ces questions et quels sont les prérequis attendus des étudiants ? 2. Prérequis et niveau d’études L’étude présentée est proposée aux étudiants de deuxième année de DUT Génie Electrique et Informatique Industrielle (GEII), qui connaissent juste le modèle électrique d’une batterie (Thévenin) sans connaitre le vocabulaire ni les problématiques qui y sont associés. L’objectif est de leur faire découvrir la problématique proposée avec leur propre smartphone ou avec une tablette sous OS Android. Chaque compte- rendu sera donc différent évitant ainsi la recopie de résultats. Le retour d’expérience obtenu depuis 2 ans montre que les étudiants pensent faire l’étude en moins d’une heure mais, en réalité, qu'ils y passent environ cinq heures (bien que les réponses avec des exemples de copie d’écran du smartphone sont déjà données). On montre aussi que 80% d’étudiants découvrent les applications les plus énergivores de leur smartphone et que 75% d'entre eux comprennent pourquoi il y a des différences de temps de charge. Malgré ces résultats, les connaissances de beaucoup d’étudiants doivent être consolidés au cours d'une correction d'une heure effectuée pendant une séance de Travaux Dirigés d'un module traitant des énergies renouvelables. Dans tous les cas les batteries sont étudiées en tant que moyen de Résumé : pour faire comprendre aux étudiants le fonctionnement, le vocabulaire et la problématique des batteries et des chargeurs, leur smartphone constitue un excellent support pédagogique. Et les questions s'y rapportant sont nombreuses : quels sont les outils qui peuvent être utilisés pour faire l’étude et le diagnostic de la batterie ? Comment la capacité énergétique est-elle mesurée et donnée en pourcentage ? Comment peut-être estimée l’autonomie ? Quelles sont les applications les plus énergivores ? Combien de temps faut-il pour recharger le smartphone, à partir d’un port USB ou à partir de son chargeur via le secteur ? Est-ce que tous les chargeurs se valent ? Peut-on maximiser la durée de vie de la batterie ? Peut-on connaître le travail effectué par la batterie depuis le début de son utilisation ? Est-ce que les caractéristiques des batteries extérieures sont correctes ? Cet article va tenter de répondre à toutes ces questions en présentant les méthodes utilisées. Tant que l’autonomie est satisfaisante pour les usages quotidiens qu'il en a, l’utilisateur se soucie peu de sa batterie. Mais lorsque l’autonomie chute alors il manque souvent de connaissances pour comprendre d’où vient le problème. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 45 stockage. Evidemment, en fonction du cursus, les questions doivent être remaniées. En revanche, les exercices restent suffisamment faciles pour des lycéens en STI2D ainsi que pour des collégiens de troisième qui font l’étude des batteries en physique [9]. D’ailleurs, une partie de cette étude est effectuée lors de La Fête de la Science pour ce niveau d’études, en 35 minutes, dans le cadre d'un atelier exploitant les applications qui vont être présentées dans cet article. Ces applications évoluant sous Android et gratuites sont « Battery Monitor Widgets », ainsi que « Charge Cycle Battery Stats ». Elles sont mises en œuvre avec des smartphones de type Xperia Z3. 3. Questions sur les batteries de type Li-ion 1) A partir de la figure (1) suivante, indiquer quelle est la technologie et la tension maximale de cette batterie ? Donner sa capacité énergétique en A.h et W.h ? Figure 1 : caractéristiques d'une batterie Xperia Z3 Réponse : Li-Polymer, 4,35V, 3,1A.h, 11,8W.h 2) Pourquoi sur les informations de la batterie, le nombre de W.h ne correspond-il pas à la tension maximale multipliée par les A.h ? Quelle est alors la tension nominale de cette batterie ? Réponse : 11,8W.h/3,8V=3,1A.h car la tension varie de 4,35V à 3,4V lors de la décharge donc 3,8V est une valeur moyenne, c’est la tension nominale. 3) Pourquoi ne faut-il pas décharger une batterie lithium entièrement (soit 100% de DOD - Depth Of Discharge) ? Que se passerait-il si cette limite était atteinte ? Réponse : s’il y a une décharge très profonde la batterie se met en court-circuit (tension nulle). Donc, lors d’une décharge de 100%, le smartphone se met en veille automatiquement. En pratique, la batterie est utilisée jusqu'à 80% de ses possibilités. 4) Pourquoi la capacité énergétique indiquée par la batterie est-elle de 3,1 A.h alors que le smartphone indique 2,5A.h ? Réponse : il y a une réserve d’énergie de 20% gérée par l'OS Android : le smartphone se met en veille et cela à partir de 0% affiché. Maintenant, l’application de mesure de charge et décharge va être étudiée. 4. Questions à partir des graphiques produits par l’application L’application donne les courbes (figures 2 et 3) de la capacité énergétique restante, de la tension, du courant, de la puissance d’utilisation (milliwatts) et de la température de la batterie. Figure 2 : état de la batterie (% et tension) en fonction du temps Figure 3 :évolution du courant et de la température de la batterie en fonction du temps avec une température ambiante de 23°C 5) A quoi correspond le courant négatif donné par l’application ? Pourquoi la température augmente- t-elle fortement lorsque le courant est important ? Réponse : le courant négatif correspond à la charge (« plugged » = branché - en charge → ligne verte sur les graphiques). Etant donné que la batterie a une résistance interne, pour un courant relativement important le dégagement de chaleur (par effet joule) provoque une augmentation de la température. On peut aussi observer que la consommation est hachée relativement à l'utilisation des différentes applications. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 46 6) Lorsque le courant est positif, la résistance interne de la batterie provoque une chute de tension importante. Cette résistance varie en fonction de la DOD et de la température. Mais entre 10°C et 35°C et pour une DOD comprise entre 90% et 20% de la capacité énergétique, on considérera cette résistance comme constante. Déterminer alors la résistance interne en décharge et en charge à partir de l’équation (2) suivante et de la figure suivante (?) Résistance =ΔU(V)/ΔI (A) (2) Réponse : Résistance charge = (4,167-4,027)/(0,57)=0,24 Ω Résistance décharge = (4,204-4,062)/(0,38)=0,37 Ω Il y a une différence entre les résistances de charge et de décharge. D’où un incrément de température plus important en décharge pour la même valeur de courant. La tension à vide s’appelle OCV (Open-Circuit Voltage). Elle est difficilement mesurable sur un smartphone car il y a toujours un petit courant consommé. 5. Etude de la charge de la batterie Pour connaitre la capacité énergétique, on utilise généralement la méthode coulométrique. Celle-ci consiste à intégrer le courant en fonction du temps (numériquement) comme le décrit l’équation (3) : Capacitén=Idécharge.(ΔTemps)+ Capacitén-1 (3) Cependant, il faut faire une remise à 0 lors de la charge complète pour ne pas avoir de décalages dus aux erreurs de mesure [7]. Il y a deux solutions pour réaliser cette fonction :  l’application réalise l’intégration numérique à partir des données qu’elle enregistre ;  un circuit intégré réalise cette fonction avec une fréquence d’échantillonnage assez élevée ce qui permet d’améliorer la précision, ainsi qu’à l’application d’être libérée du calcul précédent. Avec l'OS Android, on peut observer que cette fonction est réalisée par un circuit intégré [5]. 7) Pourquoi, lors de la charge, le courant diminue lorsque la tension atteint 4.35V comme on peut l’observer sur la figure 4 suivante ? Réponse : lorsque la tension de l’élément atteint cette limite, alors la charge est dite à tension constante et le courant diminue jusqu’à être suffisamment proche de 0A. Avant, la charge est dite à courant constant, mais étant donnée l’utilisation possible du smartphone durant cette phase le courant fluctue légèrement. On peut remarquer sur la figure 5 que lorsque la charge est à courant constant, elle est rapide pour une jauge énergétique inférieure à 80%. Puis, il faut presque encore 1 heure pour compléter la charge jusqu’à 100% car le courant diminue. Par conséquent, la charge à courant constant est dépendante de la résistance interne et du courant de charge. Figure 4 :évolution du courant et de la tension en fonction de la charge de la batterie Figure 5 : évolution du courant et de la tension en fonction du temps pour une batterie (charge à courant constant, puis charge à tension constante) avec une charge à 1 C ou 0.5 C Toutes les batteries lithium sont prévues normalement pour être rechargées avec un taux de charge de 1C (1 heure), mais l’énergie perdue dans la résistance interne de la batterie doit être facilement évacuée pour ne pas atteindre 50°C car cette température accélère le vieillissement. Le courant de charge de la batterie va dépendre du courant que peut fournir le chargeur. En effet, le courant du chargeur est donné par l’équation (4) suivante : I chargeur =I batterie+I smartphone (4) 8) Examiner votre chargeur traditionnel. Indiquer son courant de sortie nominal sous 5V et déduisez-en son taux de charge qui se calcule en « ampère / Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 47 unité de capacité de la batterie ». Puis pour une tension bien inférieure à 4,3V, relever les courants de charge avec l’écran allumé puis éteint ? Réponse : le courant de charge est de 800 mA, donc le taux de charge est seulement de 0,25C=0,8A/3,1A.h. Lorsque l’écran du smartphone est allumé la charge est de 460 mA car l’écran nécessite 340mA. Mais si l’on éteint l’écran, la charge passe à 750mA (Cf. figure 3). Remarque : si l’on utilise le smartphone et qu'on le charge en même temps, la batterie est moins sollicitée. Mais si un chargeur de 2A avait été utilisé, alors la charge aurait été de 800 mA, car c’est le smartphone qui limite le courant de charge de la batterie. Donc, il est possible de prendre n’importe quel chargeur qui fournit un courant supérieur à celui préconisé par le constructeur. 9) Avec le maximum d’applications fermées, relever la mesure de la puissance maximale fournie par l’alimentation 5V des ports USB 2 et USB 3 [6] ? Réponse : le port USB 2 peut délivrer une puissance maximale de 2,5 Watt, donc un courant de 0,5A pour 5V. L'USB 3 délivre une puissance de 4,5 Watt donc un courant de 0,9 A. 10) Expliquer pourquoi le temps de charge est plus long avec un port USB 2 de PC qu'avec un chargeur branché sur le secteur. Donner le courant de charge ? Réponse : avec le port USB 2, le courant de charge du smartphone est seulement de -480mA (figure 7) sous 3.8V ce qui correspond à 1.8W alors qu’il aurait du être de : IchargeUSB (A)=(PUSB / tensionbatterie)*rendementcharge (5) IchargeUSB (A)=(2.5W /3.V8)*0.9=600 mA Remarques : les smartphones définissent la charge en fonction du type de chargeur qu’ils ont identifié et non en fonction des performances du chargeur connecté. Ce choix est effectué en fonction de la résistance mesurée sur les deux fils de données (data) de la connexion USB. Certains smartphones utilisent la technologie de charge rapide de la société Qualcomm qui est capable de charger un téléphone mais en utilisant uniquement les lignes de données (D+/D-) de la connexion USB. Il est donc impossible de charger rapidement et de vouloir utiliser la communication en même temps. Une alternative consiste alors à utiliser le câble VOOC, équipé de 7 conducteurs contre 4 pour un câble USB standard. Il existe actuellement bien d’autres solutions de recharge rapide [11], en fonction des constructeurs, en attendant des normalisations. Mais pourquoi faut-il recharger rapidement ? La consommation due à l'utilisation des applications serait-elle plus importante que la capacité énergétique de la batterie sur une journée ? 6. Etude de la consommation de la batterie La consommation de la batterie va dépendre de l’horloge du processeur (CPU, Central Processing Unit) du smartphone. La consommation du CPU est proportionnelle à la fréquence de fonctionnement choisie. D’ailleurs, l'ajustement dynamique de la fréquence est fortement utilisé sur les smartphones. Nous n’allons pas étudier cette partie dans cet article mais juste donner un ordre de grandeur de la consommation des différents organes du smartphone. 11) Quel est le courant de décharge de l’écran avec le Wi-fi ? Réponse : 340 mA sous 3,8V soit 1,29W. 12) Combien de temps la batterie pourra-elle tenir avec le courant précédent si la batterie est à 80% et que sa capacité utilisable est 2500 mA.h ? Réponse : ? 13) Quel est le courant de décharge de la DEL flash de votre smartphone (le déduire de la valeur de celui lié à l’écran) ? Réponse : 900 mA - 340mA = 560 mA sous 3,8 V. 14) Donner la valeur de l’incrément de température de la batterie pour un courant correspondant à l'alimentation de la DEL et de l’écran et ce, à partir d'une température ambiante et jusqu'à la stabilisation (régime permanent) ? Réponse : T=35°C-23°C=12°C (figure 3). Remarque : la DEL est assez éloignée de la batterie pour que son échauffement ne provoque pas une augmentation de celle de la batterie. 15) Quelle est la valeur du courant absorbé lors de l'utilisation du GPS du smartphone (la déduire de la valeur de celle liée à l’écran) ? Réponse : 420 mA-340 mA=80 mA. 16) Est-ce que le courant de décharge est constant quelle que soit l’utilisation ? Réponse : non, il est difficile d’estimer l’autonomie en fonction de l’utilisation et des applications qui tournent. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 48 L'OS Android va donner un pourcentage du niveau d’utilisation de la batterie : « paramètres / gestion de l’alimentation / utilisation de la batterie » (icône « camembert » de l’application « battery monitor »). 17) Pour connaitre l’état de santé (SOH, State of Health) de la batterie, décharger celle-ci jusqu'à 0%. Quelle est la tension minimale à partir de laquelle le smartphone s’est mis en veille (cut-off voltage) ? Réponse : 3,4 V (avec la réserve supplémentaire de 20 %). Il a fallu 3 heures pour recharger à 100% la batterie avec un courant de 0,78 A. Si l’on fait un calcul grossier de la capacité énergétique demandée à la question suivante, on retrouve la capacité énergétique utilisable de la batterie. 18) Quelle est la relation entre la capacité énergétique de la batterie en % et en A.h ? Pourrait-on connaitre la capacité énergétique en mesurant la tension de la batterie (justifier) ? Réponse : exemple à partir de la figure 2. Donc, si la valeur de la capacité nominale de la batterie n’est pas correcte alors la capacité indiquée restante ne correspondra à rien. On peut observer sur les figures 2 et 3 que la relation entre la tension et la capacité énergétique mesurée en A.h n’est pas linéaire. De plus, pour la tension maximale de 4,35 V cela ne correspond pas à 100% de la capacité énergétique. 7. Diagnostic de la batterie 19) Après l’avoir déchargée à 0 % et laissée refroidir (≈ 30 min), mettre le smartphone en charge. Est-ce que cette nouvelle capacité énergétique correspond à celle indiquée par le constructeur ? Réponse : à partir de la réponse fournie à la question 17, on peut dire que la capacité énergétique de la batterie obtenue correspond approximativement à celle indiquée. 20) Quel est l’écart maximal entre la température de la batterie et la température ambiante lors de la charge avec écran éteint ? Réponse : 5°C. En déduire la résistance thermique de la batterie à partir de l’équation (8) suivante : RTH(°C/W)=(Tatteinte-Tambiante)/(Rbatt*Icharge 2 ) Réponse : RTH(°C/W)=(Tatteinte-Tambiante)/(Rbatt*Icharge 2 ) =(5°C/0.25Ω*0.78A2 )=5°C/0.15W=33°C/W. Combien de temps a-t-il fallu pour atteindre 63% de la température finale en régime établi lors de la charge ? Réponse : ce temps correspond à la constante de temps thermique TH de la batterie : 780 secondes mesurées. En déduire la capacité thermique (9) : Réponse : CTH (J/°C)= TH (s) / RTH = 780/ 33 =23.6 J/°C Remarque : en décharge avec la DEL flash allumée et l’écran allumé, l’incrément de température est de 12°C comme on peut l’observer sur la figure 3. RTH=(12°C/0.35Ω*0.95A2 )=12°C/0.31W=39°C/W On retrouve approximativement la valeur de la résistance thermique lors de la charge. 21) Imaginons une charge avec un courant de 10 A. Quelle sera alors la température atteinte par la batterie si la température ambiante est de 25°C ? La température de la batterie est un facteur limitant puisque celle-ci ne doit pas excéder 50°C. Comment réduire alors l’impact de cette limitation (sachant, de plus, que dans l'environnement réduit d’un smartphone, le CPU et le GSM transmettent aussi leurs déperditions thermiques à la batterie) ? Réponse : La température étant un facteur limitant, on comprend pourquoi il n’est pas possible de charger très rapidement une batterie. La résistance de la batterie va dépendre de ses dimensions mais il n’est pas possible d’agrandir la batterie… En revanche, il serait possible de la refroidir avec une ventilation forcée. 22) L’application indique l’état de santé de la batterie. Comment ce diagnostic est-il réalisé ? Remarque : après un certain nombre de cycles la résistance interne de la batterie augmente et la capacité énergétique de la batterie diminue de 15% à 20% par rapport à la capacité d'origine. Réponse : après un cycle de décharge à 100% et de recharge, la méthode coulométrique permettra de déterminer la capacité énergétique qui peut ainsi être mise à jour. Pour une même consommation en courant, une augmentation de la résistance va provoquer une plus grande chute de tension. Ainsi, la limite basse en tension de la batterie sera atteinte plus rapidement ce qui diminue encore la capacité utilisable affichée. De plus, une résistance plus importante entraîne un échauffement supplémentaire qui peut également provoquer la mise en veille du smartphone. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 49 23) Après plus de 10 heures d'utilisation classique de votre smartphone, se rendre dans le menu « marques » et effectuer une copie d’écran du résumé statistique de l’utilisation passée. Interpréter ce relevé (ex. : figure 6). Réponse : l'application calcule la consommation moyenne en %/heure : sur 19 heures et 16 min d'utilisation, 1h et 31min a été consacrée à la charge avec un taux de 22.5%/h et 16 min à la charge avec un taux de 7.5%/h (tension constante). La décharge a duré 17h avec l’écran éteint consommant -1.41%/h. Une décharge de 22 min à -14.5%/h est également observée. Figure 6: valeurs moyennes de charge et décharge obtenues avec l’historique de l’application On peut observer sur la figure 7 le graphique présentant l'évolution du pourcentage par heure d’utilisation relative à la figure 2 ce qui permet de faire une estimation rapide du temps de décharge ou de charge. Figure 7 : Evolution du pourcentage par heure en fonction du temps 24) A partir de l’estimation de consommation avec un taux de 14%/h (écran allumé), effectuer le calcul du temps de décharge de 100 % de la capacité énergétique. Réponse : estimation de décharge : Temps décharge = 100%/14%/h=7.5h. C'est bien le temps donné sur les figures 8, tirées de l’application. D’où les deux pentes sur le graphique de la décharge ci-dessous : L’application indique aussi le temps de charge en fonction du type de recharge effectuée (figures 8). Figure 8 : estimateur décharge et charge en temps réel à partir de la capacité existante L’application précédente ne compte pas le nombre de charges et de décharges, ni la somme des A.h. ce qui permettrait de faire un bilan et une estimation statistique de la durée de vie de la batterie. 750 cycles de charge à 100% sont souvent annoncés par les constructeurs. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 50 L’application « charge cycle » (figure 9) donne les pourcentages de recharge cumulés : 12.48% depuis que l’on a téléchargé l’application (30 jours). Figure 9 : addition du travail de la batterie : 12.48% en 30 jours, avec gauge de la recharge journalière (22%) Figure 10 : historique de la recharge journalière avec une valeur moyenne de la consommation de 37%/semaine La jauge de la figure 10 indique le taux de recharge journalier. Entre 0% et 80%, celui-ci est considéré comme normal (en vert), puis il est considéré comme important jusqu’à 180% (en jaune), puis excessif (en rouge). Dans le menu historique, on peut observer la valeur de la recharge en % par jour ainsi que la valeur moyenne par semaine ce qui reflète l’utilisation. Cette application indique aussi le coût énergétique de l’utilisation du smartphone. Pour cela, il faut indiquer le coût du kW.h (0,12 €/kW.h) dans le menu “general settings” de l’application. 25) Calculer la consommation annuelle du smartphone pour une consommation moyenne de 100%/jour et une capacité énergétique de 9.5W.h/jour. Réponse : 26) Le coût de la consommation énergétique est négligeable mais il ne tient pas compte du rendement du chargeur qui est de l'ordre de 70% (5,6W sous 230V pour un facteur de puissance de 0,9 / 5V et 0,8A en sortie). Lorsque le smartphone est rechargé à 100% la consommation passe à 0.3W. Recalculer le coût total annuel. Réponse : Si on laisse le chargeur dans la prise continuellement, les 0,3W correspondent à une consommation quotidienne de : 0,3W x (24h-2h) = 6,6 W.h Pratiquement autant que la charge de la batterie ! Si on multiplie cette consommation par 30 millions de smartphones en France, on ne peut pas négliger ce résultat ! 27) Avec une consommation de 37% par jour, quelle est la durée de vie estimée de la batterie sachant qu’elle est censée pouvoir effectuer un cumul de 750 cycles de charges à 100% ? Réponse : Durée (jour)=750*100%/37%=2027 jours Mais ce calcul n’est pas valable car la durée de vie dépend de la température de la batterie (très froide ou très chaude), du temps où la batterie est restée à un niveau de charge affiché inférieur à 0%... En effet, la durée de vie de la batterie va dépendre des quantités d’énergie stockée et rendue mais aussi des profondeurs de décharge, de la tension maximale de charge, de la température d’utilisation et de la composition chimique adoptée par le constructeur de la batterie…. 28) Est-ce que diminuer la consommation de la batterie (donc fermer toutes les applications et notifications énergivores non directement utiles) permet d’augmenter la durée de vie de la batterie ? Réponse : Oui, car la batterie est moins sollicitée. Cependant, elle vieillit avec le temps même si elle n’est pas utilisée. C’est ce que l’on appelle le vieillissement calendaire. 8. Batteries et convertisseurs externes Le magazine « Que Choisir ?» de juin 2016 [10] montre que la capacité énergétique indiquée sur les batteries externes avec sortie USB est réellement d’environ 76% de celle indiquée (Cf. figure 11). De plus, on peut observer que pour ce magazine, la mesure de la résistance interne de la batterie, le taux d’auto- décharge, la masse, le volume sont également considérés comme des paramètres cruciaux pour un système nomade. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 51 Figure 11 : tableau comparatif de batteries externes avec USB 3.0 (magazine « Que choisir ? ») 29) Pourquoi y a-t-il une aussi grande différence entre la capacité annoncée en A.h et la capacité réelle de la batterie annoncée par le constructeur ? L’équation (9) ci-dessous permet-elle de justifier cet écart avec un rendement du convertisseur de 85%, une tension batterie de 3,7V et une sortie USB à 5V pour la batterie Sony CP-V5A de 5A.h (figure 11) ? Caréelle =Caannoncée*rendement*tensionbatterie/tensionUSB Faire l’application numérique pour la batterie Sony de 5A.h testée : Réponse : Capacité =5A.h*0,85*3,7V/5V = 3.145 A.h L'essai donne 3,125A.h ce qui est correct mais la recharge du smartphone sera bien de 5 A.h au rendement près du convertisseur et du chargeur. Donc l’écart de 76% entre la capacité énergétique de la batterie et celle indiquée correspond à la différence entre la valeur de la tension batterie et la valeur de la tension USB. 30) Vérifier la valeur de la capacité énergétique (14,9W.h) de cette batterie externe à partir de l’équation précédente et ce, avec un courant de décharge de 0,5A pendant 10 heures et une résistance de 0.4Ω (12) : Réponse : Ca=Caannoncée*tension batterie*rendement- Rbatterie*Idecharge^2*t Exemple : capacité = 5A.h*3.7V*0.84-0.4*0.52 = 15.5 W.h – 1W.h=14.5W.h, ce qui correspond à la mesure effectuée par le magazine « Que choisir ? ». Remarque : l’énergie perdue dans la résistance interne de la batterie est négligeable par rapport à l’énergie de la batterie. 31) Ces batteries externes sont essentiellement composées d’éléments de type 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de long et de masse 50 g) comme on peut l’observer sur la figure 12. Figure 12 :USB Power Bank avec éléments 18650 Or, il y a de grosses différences de capacité entre ces éléments [12] et les capacités énergétiques annoncées sur les sites de vente en ligne [13]. Rechercher quelle est la capacité énergétique approximative d’un élément 18650 ? Réponse : entre 1,5A.h et 3A.h, donc entre 7W.h et 11,4 W.h D’où la différence de capacité entre les éléments testés précédemment. 32) Par conséquent, à partir de la masse et du volume, il est possible de connaitre approximativement la capacité énergétique de la batterie externe. Quelle est la différence de masse entre les batteries Sony de capacités 5A.h et 3A.h ? Comparer ces masses par rapport à la masse de votre smartphone. Réponse : 137g pour la 5A.h (2 éléments) et 87 g pour la 3A.h (1 élément). Le boitier externe n’est pas négligeable. Le Xperia Z3 ne pèse que 152g. La batterie représente ¼ de son poids. 33) Au niveau de la connextique USB, des mesures peuvent être effectuées avec un « USB meter » (figure 13) qui ne coûte qu’une dizaine d’euros et qui permet de mesurer le courant, la tension et la capacité énergétique. Figure 13 : PowerJive USB Power Meter A partir de l’application « Battery Monitor » précédente, il est également possible de tester ces batteries externes. Mais, pourquoi faut-il que l’écran soit éteint lors de la mesure de la capacité de la batterie externe ? Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 52 Réponse : à cause de l’équation (4). En effet, l’application ne prend en compte que le courant qui va à la batterie et pas le courant utilisé par le smartphone. Il y aura donc une différence de capacité énergétique si l’écran consomme de l’énergie. 9. Conclusions Il faut un minimum de connaissances pour faire le diagnostic d’une batterie et faire des choix. Les 2 applications présentées ne sont pas compréhensibles par de simples utilisateurs de smartphone. Pourtant, même s’il n’est pas très compliqué de savoir si l’autonomie a baissé à cause d’une application énergivore ou si c’est la batterie qui « ne tient plus la charge », cela peut prendre du temps pour comprendre les éléments physiques mis en jeu. De plus, les applications manquent souvent d’explications malgré la présence de certains tutoriels. Ce sont souvent les passionnés et certains forums en ligne qui communiquent les informations utiles et non les constructeurs. Cependant, le manque de rigueur des exposés lus sur ces sites ne rend pas toujours l’information fiable. Quelque soient les types de batterie ou quelque soient les constructeurs, sous l'OS Android 6, le nombre de cycles n’est pas enregistré par un circuit intégré. Il en est de même pour le nombre d’A.h consommés, pour les profondeurs de décharge permettant d'effectuer un bilan, pour l’âge de la batterie et son état de santé. En revanche, sous l'OS Android, de nombreuses applications permettent de mieux gérer et d’augmenter la durée de vie d’une batterie mais elles ne sont généralement pas rigoureuses ni entièrement abouties. En revanche, sur un OS d'iPhone, toutes ces données sont conservées et envoyées à un gros serveur (surnommé « Big DATA »). La marque Apple réalise ainsi des études pour mieux gérer les batteries, en limiter la maintenance et mieux satisfaire ses clients. Notons d’ailleurs que la tension maximale sur ses iPhone est de 4.2V au lieu de 4.35V pour de nombreux systèmes sous OS Android. De plus, en fonction de la diversité des constructeurs et de la chimie utilisée, la résistance interne ainsi que la capacité énergétique peuvent varier du simple au double. La détérioration d’une batterie de 20 € (gonflage, échappement d’oxyde…) peut aussi détruire un smartphone qui coute 10 à 25 fois plus cher. Une durée de vie de la batterie de 2,5 ans est souvent largement suffisante car elle correspond généralement à un changement du smartphone en raison de sa soi- disante obsolescence. Cependant la directive européenne de 1999 et la loi française « Hamon » votée en 2014 et applicable en 2016 obligent les constructeurs à proposer désormais une garantie de 2 ans contractuelle sur tous les appareils numériques et leur batterie. Cette dernière loi oblige les constructeurs à revoir leurs contrats d’extension de garantie et à améliorer la fiabilité de leurs produits. En effet, l’objectif de cette loi est de limiter la surconsommation des consommables et l’accumulation des déchets. Les smartphones des étudiants sont ainsi un excellent support pédagogique pour comprendre techniquement le fonctionnement des batteries. L’étude de ce fonctionnement peut aussi les motiver à avoir un regard critique sur l’impact des batteries sur leur budget. Cette étude peut enfin leur permettre d’appréhender l’empreinte écologique de ces batteries sur notre planète. Références 1. https://fr.wikipedia.org/wiki/Consommation_%C3 %A9nerg%C3%A9tique_d%27un_smartphone 2. S.Tarkoma, M.Siekkinen,Y.Xiao “Smartphone Energy Consumption: Modeling and Optimization » Book Cambridge University Press. 2014 3. http://www.frandroid.com/actualites- generales/216462_batterie-devenue-choix-premier- lachat-dun-mobile 4. http://www.fichier-doc.fr/2016/08/09/smarthphone- mesure-et-gestion-batterie-android-v1/ 5. https://source.android.com/devices/tech/power/devi ce.html#maxim-fuel 6. https://fr.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus 7. A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, M.Bosson, T.Lequeu “Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique ” Revue 3EI N°, Avril 2016 11 pages. 8. A. Sivert, F.Betin, T. Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » Revue 3EI N°81, Juillet 2015 9. http://pccollege.fr/troisieme-2/chimie- 3eme/chapitre-vi-les-piles/ 10. https://www.quechoisir.org/guide-d-achat- batterie-externe-n10909/ 11. http://www.frandroid.com/produits- android/smartphone/279495_quick-charge-fast-charge- vooc-comparatif-des-solutions-de-rechargement-rapide 12. http://lygte- info.dk/review/batteries2012/Common18650Summary %20UK.html 13. http://velorizontal.bbfr.net/t21362-velomobile- electric-leiba-x-stream-iut-aisne-suite

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Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 53 Le numéro 0 de la Revue 3EI Jean-Michel GAY, Jean-Philippe ILARY et Franck LE GALL Pour La Revue 3EI 1. Première de couverture de la Revue 3EI n°0 Résumé : C’est en mai 1994, qu’un petit groupe de collègues a publié le numéro 0 de La Revue 3EI. Le début d’échanges techniques et pédagogiques demandés par un grand nombre d’enseignants commençait. En hommage à ces courageux pionniers, nous republions certains articles de ce premier numéro. Pour commencer, ci-dessous quelques pages comme la couverture, l’éditorial et le sommaire. Ensuite, pour débuter, l’article d’Alain CUNIERE et Jean-Luc EOUZAN qui décrivaient leur travail réalisé avec leur section de TS Electrotechnique, est réédité. Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 54 2. Deuxième de couverture UNE REVUE 3EI POURQUOI ? J'ai remarqué que dans les pays où l’industrie du génie électrique était dynamique, et génératrice d 'un solde très positif à l’exportation (exemple : Suisse- Allemagne- Suède), la formation de l'ensemble des acteurs de ces industries, et particulièrement celle des techniciens représentait un domaine essentiel. Dans ces pays le technicien a des Responsabilités notables, et il joue un rôle clef dans le développement industriel. Dans les pays où l'industrie est faible, il y a des ingénieurs avec une solide formation, mais pas ou peu de techniciens, et leur formation est négligée. Nous commençons à sentir la concurrence des pays d'Asie (Taiwan - Corée - Chine - Malaisie), et ce que nous voyons aujourd'hui ne représente qu'une petite partie de ce qui nous attend comme la face émergée de l'iceberg n'en représente pas le volume réel. Comment l’indusie française du Génie Electrique pourra-t- elle faire face à cette situation ? En augmentant notre potentiel de formation, (Enseignement et formation continue). La première richesse de l'industrie ce sont les hommes qui y travaillent, et c'est par eux que nous pourrons créer les emplois qui nous manquent. La création de la revue 3EI est donc un événement de première grandeur dans le paysage du Génie Electrique français. Je souhaite que ce soit une occasion d'échanges entre industriels et enseignants, mais aussi un outil de réflexion sur l'évolution de la formation. Nous sommes prêts à y collaborer activement. Jean - Marie PETER Président du club 13 SEE 3. Bulletin d’abonnement (page 59) présent dans la revue 3EI n°0 CONDITIONS D'ABONNEMENT Nous proposons la parution de trois numéros par année scolaire, en décembre, mars et juin. Chaque numéro se présentera sous un format A4 de 48 pages environ, dans une couverture bi-couleur d'un grain supérieur. Un devis d'imprimerie et de routage, basé sur une parution de 1000 exemplaires, et prenant compte des frais d'affranchissement, a conduit au tarif d'abonnement de 120F pour une année scolaire, soit trois numéros. Pour des raisons d'organisation avec l’imprimeur et le routeur, nous sommes contraints à l’aménagement suivant du principe d'abonnement. Il sera individuel et compté pour une année scolaire complète. La date butoir du premier novembre de l’année scolaire en cours clôturera la possibilité d'abonnement pour celle- ci. Tout bulletin d'abonnement reçu après cette date sera automatiquement considéré pour l'année scolaire suivante. La parution de cette revue est possible grâce au cercle thématique 13.01 du club 13 de la SEE. Les abonnements seront payés par chèque à l’ordre de SEE revue 3EI. BULLETIN D'ABONNEMENT Adressé à : lycée Pierre de Coubertin Revue 3EI Chaussée de Paris 77109 MEAUX l) bulletin d’abonnement accompagné d’un chèque de 120F à l’ordre de SEE Revue 3EI pour les numéros 1,2,3 de l’année scolaire 94/95. 2) pour des raisons techniques, passé la date du 1/11/1994, ce bulletin sera valable pour les numéros 4,5,6 de l’année scolaire 1995/1996. Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 55 4. Pages 1 et 2 de la revue n°0 : Editorial Chers futurs abonnés. Pourquoi cette " Revue 3EI ", quels en sont les objectifs ? Depuis une vingtaine d'années l’Electrotechnique subit une évolution très rapide. L'électronique de puissance fait son apparition d'abord dans le domaine des convertisseurs alternatif - continu puis continu - continu ; associée à une électronique de commande, les performances des systèmes sont accrues grâce aux asservissements. Les composants évoluent, en premier lieu avec le développement des transistors bipolaires puis MOS, aujourd'hui IGBT... Le domaine de l'électronique de puissance atteint celui des convertisseurs continu - alternatif ; la variation de vitesse est aussi le domaine des machines alternatives. Parallèlement, l'électronique numérique progresse, les micro-processeurs et micro-contrôleurs gagnent en rapidité et en puissance, avec pour effet la réalisation de commandes plus élaborées et par conséquent de rendre les commandes de machines plus performantes. Toute cette (r)évolution en quelques années ! Le professeur enseignant l'électrotechniques se heurte chaque jour à de nouvelles difficultés ; son domaine ne peut plus se limiter à l'étude de la machine, celle-ci ne pouvant plus être dissociée de son convertisseur, lui-même associé à son électronique de pilotage aujourd'hui numérique ! Le professeur formant des techniciens au niveau Bac + 2 doit faire évoluer son enseignement régulièrement et très vite. Comment peut-il assumer seul cette délicate mission ? L'objectif des journées "3EI" organisées par la SEE et les MAFPEN est de leur apporter une aide pédagogique grâce à la possibilité d'échange de méthodes de travail, aussi bien théoriques qu'expérimentales. En mars 93 pour la première fois, dans les locaux de l'école SUPELEC, sur la commande des machines asynchrones, plus de 400 participants se trouvèrent rassemblés ; en 95 le thème des machines synchrones dans ses divers domaines d'applications, technologie, commandes, devraient connaître un succès comparable. Un moyen supplémentaire favorisant les échanges pédagogiques entre les enseignants apparaît indispensable. La Revue "3EI", outil du cercle thématique 13-01de la SEE, a cet objectif ambitieux. Cette revue n'existera que grâce aux articles que fourniront leurs auteurs ; il est à souhaiter que ceux-ci soient nombreux. Il est important qu'Universitaires, Industriels, Professeurs de BTS et IUT participent ensemble à la fourniture de ces textes afin d'enrichir cet échange. Dès l’annonce du projet, nombre d'entre eux répondirent très vite, favorablement, les articles proposés dans ce n°0 en sont la preuve. Il faut faire connaître la Revue "3EI" dès sa naissance, au plus grand nombre. C'est pour cette raison qu'elle est envoyée gratuitement à 1000 professeurs ou personnes liées à l'enseignement de l'électrotechnique. Pour y parvenir il fallait de l'argent et nous tenons à remercier tous ceux qui ont contribué par leur aide financière à ce travail. Nous remercions Mme BICHON LHERMITTE, conseillère technologique pour l’Île de France du réseau NOVELECT, de la confiance et du soutien qu'elle nous a accordé. Carrefour permanent des entreprises, des laboratoires de recherche et des écoles confrontés aux technologies et applications nouvelles liées à l'électricité, NOVELECT agit pour le compte d'EDF et du ministère de l’enseignement et de la recherche. Nous remercions Mrs FOREST et GUILLOSSOU, professeurs responsables de la préparation au CAPET de génie électrique à l’IUFM de Cachan. Très concernés par l’enseignement du génie électrique, nos collègues ont également contribué à nous motiver davantage dans cet engagement. Nous remercions Mr LEMAIRE, proviseur du lycée Pierre de Coubertin à Meaux. Persuadé des retombées pour les étudiants, il a réussi, d 'un budget toujours insuffisant, à contribuer à la création de la revue. Nous espérons que cette revue devienne un véritable outil de communication entre enseignants, où chacun fera part de son expérience pédagogique et technique sur un sujet lié à l'électricité. Aussi, nous proposons le lancement de numéros à thème avec l’espoir de lire une leçon, un rapport d 'expérimentation, un compte-rendu d’étude, une expertise d 'un matériel industriel, ou toute forme écrite de nature à favoriser la compréhension du sujet étudié et ainsi en faciliter son enseignement. Néanmoins, dans un souci d’ouverture chaque numéro se verra enrichi des propositions de collègues souhaitant s’exprimer sur d'autres thèmes que ceux proposés. Certains d 'entre vous reconnaîtront par notre initiative, une ressemblance avec celle de notre collègue Mr BORNAND du Lycée Franklin à Orléans, fondateur en 1973 du bulletin de liaison des professeurs du technique supérieur en EEA. Pionnier en la matière, il coordonna seul jusqu'en 1984 la parution de ce bulletin. Reprise par Mme RIBIERE et Mr RICHARD du lycée Raspail de Paris, la parution cesse fin des années 80. Pour notre part, nous souhaitons nous restreindre à la science de l'électrotechnique et à l’incontournable électronique industrielle, moteur du développement continue de cette science. Si vous en manifestez le besoin, nous inclurons dès le n°1, une page" service lecteurs" sur laquelle nous publierons vos annonces de recherche du composant introuvable de dossiers techniques, de logiciels... L'avenir de cette revue est désormais entre vos mains. Fondée sur un principe mutualiste, elle ne vivra que grâce à celles et ceux qui, par leurs écrits contribueront à sa pérennité. Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 56 5. Sommaire de la revue 3EI n°0 Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 57 6. Appel à article présent dans le numéro 0

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Conversion continu/alternatif pour alimentation ininterruptible La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Revue 3EI n°0 58 CONVERSION CONTINU/ALTERNATIF POUR ALIMENTATION ININTERRUPTIBLE Alain CUNIERE – Jean-Luc EOUZAN En 1994 : Lycée Technique Pierre de Coubertin Chaussée de Paris - 77109 MEAUX 6. INTRODUCTION Évaluation d'un projet conçu et réalisé par trois étudiants dans le cadre de l'obtention du BTS électrotechnique de 1993. Chaine de conversion d'énergies proposée Architecture de la commande Technique de modulation : Nous avons retenu l'utilisation d'une table d'angles pré calculée, pour trois raisons. La première repose sur une meilleure compréhension de cette technique par nos étudiants. La justification mathématique du spectre de l'onde peut être menée par un calcul classique de séries de Fourier. Sous cet aspect, la MLI (porteuse triangulaire/modulante sinusoïdale) régulière est très difficile d'accès. La seconde, concerne la synthèse du problème par un micro- contrôleur. Aisée s’il s'agit d'une lecture de table ; difficile s'il s'agit de calculer en temps réel les instants correspondant aux intersections triangle/sinus, pour lesquels les problèmes de signe, d'arrondi, de débordement, de facteur d'échelle sont à résoudre numériquement. La troisième, pour l'exploitation des moyens informatiques mis à la disposition des étudiants, tels que:  un logiciel de maths pour le calcul des angles.  un logiciel d'analyse spectrale pour les tracés du spectre. 7. MLI PRÉ-CALCULÉE Schéma équivalent simplifié à l'échelle des commutations. Bilan des ampère-tours : N1 Il – N1I’l – N2I2 = 0  au moins un des deux interrupteurs doit être fermé à chaque instant. Bilan des tensions VT1=V1+E VT1=E – V1'  au plus un des deux interrupteurs doit être fermé à chaque instant. Les deux commandes sont donc exactement complémentaires. Résumé : Cet article, extrait du numéro 0 de la Revue 3EI, présente une activité de projet en STS Électrotechnique session 1993. Cette pratique du référentiel amenait un groupe d’étudiants (de 2 à 4) à réaliser dans son intégralité un produit d’électronique de puissance de type alimentation à découpage, variateur de fréquence etc… Lors de la réforme de 2008, l’approche en projet a changé, et il a été demandé aux étudiants d’avoir une démarche plus « d’assemblié » que de bureau d’étude. Filtre d’entrée Carte Micro contrôleur 80C196KC Interface protection adaptation T1 T’1 VTl+VT’1 = 2E + V1 - V1' = 2E Conversion continu/alternatif pour alimentation ininterruptible La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Revue 3EI n°0 59 On peut assimiler ces commandes à deux fonctions de modulation : Fm1(t) et Fm’1(t). Avec Fm’1(t) = 1- Fm1(t) On peut donc écrire : V2(t) = mE [Fml(t) – F’ml (t)] V2(t) = mE [2 Fm1(t) -1] D'autre part, la tension moyenne au secondaire du transformateur doit être nulle afin d'éviter la saturation de celui-ci : = mE [2 = 0  2 - 1 = 0  = 1/2 Si l'on décompose la fonction Fml(t) en une somme des fonctions fm1(t), et conservant la valeur moyenne, alors la fonction de modulation Fm1(t) s'écrit finalement:(biblio 1) : Fm1(t) = fm(t) + ∑ (−1)i fmi(t)M i=1 On appelle M le nombre de trous dans la fonction Fmi(t) par demi-période. Excepté pour le fondamental, la relation montre que M harmoniques du spectre peuvent être supprimés de la série. La résolution du système de M équations non linéaires nécessite un logiciel. Les étudiants ont obtenu sur Euréka pour M = 5 : α1 = 10,68° α2 = 26,39° α3 = 32,28° α4 = 52,39° α5 = 54,54° L'utilisation du logiciel d'analyse spectrale Fourier a ensuite permis aux étudiants de vérifier effectivement l'élimination du spectre de V2(t) des raies 3, 5, 7, 9, 11.

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La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Abonnement, Publicité (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél : 01 56 90 37 17 tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE………..40 € Pays hors UE………..50 € Collectivités : France et UE……….57 € Pays hors UE……....70 € Au numéro : France et UE……….12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne Siège social : 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Juillet 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 85 p. 2 Éditorial, p. 3 Bulletin d’abonnement, p. 5 La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx A. BOUDRIOUA Université PARIS 13 p. 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation P. LECOY ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE p.14 Les fibres optiques dans l’automobile J. M. MUR Société française d’optique p.21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application B. JOURNET, J.-B. DESMOULINS, S. CASSAN, N. CHI THANH, ENS Cachan – Université Paris Saclay CACHAN p.29 Régulation de température d’une cuve J. M. ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII CHATEAUROUX p.37 Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W A.SIVERT, B.VACOSSIN, S.CARRIERE, F.BETIN IUTde l’Aisne GEII, SOISSONS p.48 Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP) A.SIVERT1 , B. CAUQUIL2 , E. MOREL, F. BAILLY, F.BETIN1 1 IUTde l’Aisne GEII, SOISSONS 2 Université Paul Sabatier TARBES p.57 Annonces, Publications Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). La Revue 3EI publication trimestrielle de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 09 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Fibres optiques et Opto-électronique Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 2 En ouverture de cet éditorial, nous souhaitons remercier tous les participants de la journée 3EI dédiée à la mobilité électrique, journée qui s'est tenue au CNAM de Paris le 30 juin dernier. De l'avis de tous, cette journée a été un franc succès. Les conférences et les activités présentées ont permis de nombreux échanges entre collègues et nous ont donné l'envie de reproduire l'expérience l'année prochaine. Préparez-vous donc déjà à une journée 3EI en 2017. Tout est encore à définir ; la date, le lieu et surtout le thème mais quels que soient ces choix, vous pouvez déjà imaginer les activités pédagogiques que vous pourrez présenter sous la forme de posters ou de démonstrations. Pour ce numéro de juillet, nous avons choisi un thème lumineux : fibre optique et optoélectronique. Nous remercions vivement M. Boudrioua, responsable de l'équipe LUMEN de l'université Paris 13 et du club "fibre optique" de la Société Française d'Optique (Editeur de la revue "Photoniques - la lumière et ses applications"), d'avoir piloté la rédaction de la majorité des articles du thème. L'article introductif, écrit par M. Boudrioua, nous présente un état des lieux du développement des réseaux de fibres optiques dans nos sociétés. M. Lecoy fait le point sur les immenses avantages que revêtent les capteurs à fibres optiques dans les domaines de la compatibilité électromagnétique, des environnements difficiles mais aussi de la mise en réseau. Il apparaît ainsi que cette technologie devient aujourd'hui d'un intérêt majeur pour de nombreuses applications classiques du domaine du Génie Electrique. Dans le troisième article du thème, on pourra, grâce à M. Mur, comprendre l'intérêt croissant que porte le monde de l'automobile aux réseaux de fibres optiques. Déjà utilisés dès 1998, ces réseaux et les protocoles associés ne feront que prendre une place grandissante avec la perspective de la voiture sans conducteur. Pour clore le thème, M. Journet et ses collègues nous proposent une application pédagogique sur les photodiodes. Ils exposent une méthode de caractérisation et de modélisation ainsi qu'une application à la transmission d'un signal audio, qui pourront être utilisées à différents niveaux d'enseignements. Le hors thème rassemble trois articles : M. Roussel et M. Boudjelaba étudient de la régulation industrielle de température d'une cuve d'eau par les méthodes de Broïda ou de Ziegler Nichols. Cette régulation a été mise en œuvre avec des étudiants d'IUT GEII mais pourra aussi être utilisée avec des élèves de BTS Electrotechnique qui doivent aussi être formés à ces méthodes. M. Sivert, qui nous a enthousiasmé lors de la journée 3EI avec sa présentation de ses véhicules à assistance électrique, nous propose deux articles : Un premier texte, écrit en collaboration avec ses collègues de l'IUT de Soissons, traite de l'étude par des étudiants de l'IUT d'un convertisseur-régulateur de DEL blanche. Il donne ainsi des réponses utiles à ceux d'entre nous qui souhaiteraient se lancer dans l'étude de ces convertisseurs ou des DEL blanches. Le second article dans lequel il revient plus directement sur sa passion des véhicules électriques est dédié au challenge SUNTRIP bien connu de beaucoup de lecteurs de la revue 3EI. On constatera une nouvelle fois que ce genre de compétitions est un plus indéniable quand il s'agit de motiver les étudiants inscrits dans nos formations. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER

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La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Abonnement, Publicité (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél : 01 56 90 37 17 tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE………..40 € Pays hors UE………..50 € Collectivités : France et UE……….57 € Pays hors UE……....70 € Au numéro : France et UE……….12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne Siège social : 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Juillet 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 85 p. 2 Éditorial, p. 3 Bulletin d’abonnement, p. 5 La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx A. BOUDRIOUA Université PARIS 13 p. 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation P. LECOY ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE p.14 Les fibres optiques dans l’automobile J. M. MUR Société française d’optique p.21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application B. JOURNET, J.-B. DESMOULINS, S. CASSAN, N. CHI THANH, ENS Cachan – Université Paris Saclay CACHAN p.29 Régulation de température d’une cuve J. M. ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII CHATEAUROUX p.37 Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W A.SIVERT, B.VACOSSIN, S.CARRIERE, F.BETIN IUTde l’Aisne GEII, SOISSONS p.48 Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP) A.SIVERT1 , B. CAUQUIL2 , E. MOREL, F. BAILLY, F.BETIN1 1 IUTde l’Aisne GEII, SOISSONS 2 Université Paul Sabatier TARBES p.57 Annonces, Publications Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). La Revue 3EI publication trimestrielle de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 09 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Fibres optiques et Opto-électronique Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 2 En ouverture de cet éditorial, nous souhaitons remercier tous les participants de la journée 3EI dédiée à la mobilité électrique, journée qui s'est tenue au CNAM de Paris le 30 juin dernier. De l'avis de tous, cette journée a été un franc succès. Les conférences et les activités présentées ont permis de nombreux échanges entre collègues et nous ont donné l'envie de reproduire l'expérience l'année prochaine. Préparez-vous donc déjà à une journée 3EI en 2017. Tout est encore à définir ; la date, le lieu et surtout le thème mais quels que soient ces choix, vous pouvez déjà imaginer les activités pédagogiques que vous pourrez présenter sous la forme de posters ou de démonstrations. Pour ce numéro de juillet, nous avons choisi un thème lumineux : fibre optique et optoélectronique. Nous remercions vivement M. Boudrioua, responsable de l'équipe LUMEN de l'université Paris 13 et du club "fibre optique" de la Société Française d'Optique (Editeur de la revue "Photoniques - la lumière et ses applications"), d'avoir piloté la rédaction de la majorité des articles du thème. L'article introductif, écrit par M. Boudrioua, nous présente un état des lieux du développement des réseaux de fibres optiques dans nos sociétés. M. Lecoy fait le point sur les immenses avantages que revêtent les capteurs à fibres optiques dans les domaines de la compatibilité électromagnétique, des environnements difficiles mais aussi de la mise en réseau. Il apparaît ainsi que cette technologie devient aujourd'hui d'un intérêt majeur pour de nombreuses applications classiques du domaine du Génie Electrique. Dans le troisième article du thème, on pourra, grâce à M. Mur, comprendre l'intérêt croissant que porte le monde de l'automobile aux réseaux de fibres optiques. Déjà utilisés dès 1998, ces réseaux et les protocoles associés ne feront que prendre une place grandissante avec la perspective de la voiture sans conducteur. Pour clore le thème, M. Journet et ses collègues nous proposent une application pédagogique sur les photodiodes. Ils exposent une méthode de caractérisation et de modélisation ainsi qu'une application à la transmission d'un signal audio, qui pourront être utilisées à différents niveaux d'enseignements. Le hors thème rassemble trois articles : M. Roussel et M. Boudjelaba étudient de la régulation industrielle de température d'une cuve d'eau par les méthodes de Broïda ou de Ziegler Nichols. Cette régulation a été mise en œuvre avec des étudiants d'IUT GEII mais pourra aussi être utilisée avec des élèves de BTS Electrotechnique qui doivent aussi être formés à ces méthodes. M. Sivert, qui nous a enthousiasmé lors de la journée 3EI avec sa présentation de ses véhicules à assistance électrique, nous propose deux articles : Un premier texte, écrit en collaboration avec ses collègues de l'IUT de Soissons, traite de l'étude par des étudiants de l'IUT d'un convertisseur-régulateur de DEL blanche. Il donne ainsi des réponses utiles à ceux d'entre nous qui souhaiteraient se lancer dans l'étude de ces convertisseurs ou des DEL blanches. Le second article dans lequel il revient plus directement sur sa passion des véhicules électriques est dédié au challenge SUNTRIP bien connu de beaucoup de lecteurs de la revue 3EI. On constatera une nouvelle fois que ce genre de compétitions est un plus indéniable quand il s'agit de motiver les étudiants inscrits dans nos formations. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 3 Abonnement 3EI La Revue 3EI n°85 Juillet 20164 Abonnement REE La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 5 La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx Azzedine BOUDRIOUA Professeur à l’Université Paris 13 Vice-Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ La fibre optique est incontournable dans toute politique de développement Bien que le secteur des télécommunications a connu ces dernières années un ralentissement à l’instar de la situation économique globale, les professionnels du domaine prévoient un développement majeur dans les quelques années à venir. Cette croissance est notamment favorisée par le besoin croissant de communication, l’accès à tous aux sources de l’information : Internet, trafic audio et vidéo … Par ailleurs, même si le développement de réseaux de transport longue distance à base de fibres optiques a connu une pause, les applications dans les réseaux métropolitains et dans une certaine mesure dans l’accès, sont en augmentation. Dans ce contexte, l’industrie des composants optoélectronique s’oriente progressivement vers une production de volume, avec une baisse annuelle des prix importante (20 à 25 % sur ces dernières années). De même, alors que les composants actifs (sources, détecteurs et amplificateurs) étaient la partie la plus importante d’une liaison optique, la généralisation des systèmes WDM (Wavelength Division Multiplexing) et DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) a mis sur le devant de la scène les composants passifs de type filtres, multiplexeurs, compensateurs … De ce fait, la tendance actuelle est de vouloir intégrer pour des raisons de coût et d’efficacité le maximum de fonctions actives et passives ; d’où une approche hybride permettant au besoin d’associer des fonctions optoélectroniques. On note également, une migration de la part des fabricants vers les sous-systèmes. Par exemple, les éléments qui composent un amplificateur optique sont la fibre dopée, le laser de pompe, l’égalisateur de gain ainsi que d’autres composants passifs (filtres, isolateurs). Les besoins de composants intelligents, reconfigurables et commandables sont clairement exprimés, afin de rendre le réseau programmable et dynamique. Plus particulièrement, le déploiement du réseau de télécommunications à haut débit (10 Gb/s, 40 Gb/s et au- delà) nécessite le développement de nouveaux composants et architectures optoélectroniques adaptés à ces vitesses de transmission. L'extension de la bande passante utilisable est également un enjeu important et concerne à la fois, l'élargissement de la bande C (C++ ) et la couverture des bandes L et S par des amplificateurs adéquats. En optimisant les filtres d'égalisateur de gain, des bandes passantes dépassants 40 nm sont possibles avec un bruit en dessous de 6 dB. Les enjeux stratégiques et économiques de ces développements découlent notamment de la nécessité de disposer de composants et d’outils économiquement viables (en matière de bas coûts de production et d’utilisation). Résumé : Ces dernières décennies, les télécommunications optiques ont connu un développement sans précédent dû, notamment, à l'explosion de l'Internet. Ce développement est le fruit d'un grand effort de recherche et de développement dans le domaine de l'optique guidée qui a conduit à l'amélioration des performances des fibres optiques et la mise au point des composants optoélectroniques nécessaire pour générer la lumière, la détecter, la moduler ou la commuter. Les recherches et développement menés dans ces domaines ont permis de rendre disponible sur le marché des composants optoélectroniques de tout genre à des coûts faibles. De ce fait, d'autres applications dans des domaines divers ont vu le jour. En effet, de nos jours l'utilisation de l'optique touche des domaines stratégiques comme le spatial et le militaire ainsi que des domaines de la vie de tous les jours comme le stockage de données, la médecine et bientôt des secteurs jusque-là insoupçonnés comme l'automobile. La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 6 Dans ce contexte, on ne peut plus concevoir un développement économique sans réseaux à fibres optiques. La recherche d’aujourd’hui ce sont les emplois demain Le développement du réseau FTTx est une réalité L’énorme développement du FTTx (Fiber To The x : x peut signifier Home, Builing, Office, …) est sans doute le secteur le plus prometteur ces dernières années. Par exemple, en FTTH, le nombre d’abonnés ne cesse de croitre en France (plus de 2 millions d’abonnés) et dans le monde et plusieurs fournisseurs proposent des solutions à 1 Gbit/s depuis de nombreuses années. L'importance croissante du FTTA (Fiber to the antenna) tiré par la 4G montre qu'il y a convergence plus que concurrence entre les réseaux optiques et les réseaux de mobiles. En France, le déploiement des réseaux de nouvelle génération à Très Haut Débit représente un enjeu industriel et économique majeur dans le cadre du Plan France Très Haut Débit lancé par le gouvernement en 2013. L’objectif est de déployer le très haut débit sur l’ensemble du territoire d’ici 2022. Un grand chantier nécessitant un investissement de 20 Milliards €. Il est notamment prévu une augmentation de la demande de main d’œuvre qualifiée avec la montée en charge des travaux à partir de 2015. Les projections des volumes d’emplois et de formation à mobiliser d’ici 2020 se comptent par plusieurs dizaines de milliers : - la mobilisation de 20000 emplois (ETP) pour assurer le déploiement de la fibre dans le bâti (immeubles et maisons individuelles), - la réalisation de 31650 formations pour accompagner la montée en compétences de ces emplois. L’état s’appuie sur l’expertise des opérateurs et des industriels, structurés dans différents groupes de travail : Objectif Fibre, Interop, le CREDO, FIRIP …D’ors et déjà 9 centres de formation FTTH référencés par Objectifs Fibre cadrent le territoire national. Ces groupes de travail ont pour objectif de définir des référentiels techniques partagés, édités sous forme de guides pratiques de portée nationale, traitant de l’ensemble des règles de déploiement de la partie terminale d’un réseau en fibre optique. Ailleurs, la tendance est la même et certains pays ont pris une avance considérable par rapport à la France. De même, en 2014, les gouvernements allemand et italien annonçaient le déploiement de réseaux très haut débit En janvier 2015, Barak Obama (USA) souligne que le déploiement de la fibre optique dans les zones rurales est une priorité de la fin de son mandat. Les 9 centres de formation FFTN référencés par objectifs Fibre Le très haut débit et la fibre optique Le déploiement des réseaux de nouvelle génération à Très Haut Débit représente un enjeu industriel et économique majeur pour la France (Plan France Très Haut Débit) et pour le monde entier. Rappelons que généralement le très haut débit consiste à offrir aux usagers un débit supérieur à 30 Mbits/s (texte européen). Les besoins concernent aussi bien la transmission des données (voix, vidéo, la télévision l’Internet), les jeux en ligne et en réseaux, le téléchargement, la téléphonie mobile 4G, le télétravail, la télémédecine et la télé-sécurité pour ne citer que ces secteurs. Cependant, il est pratiquement impossible de transmettre du très haut débit (> 30 Mbits/s) sur la majorité des lignes existantes de la boucle locale cuivre. Cela est dû à l’augmentation des pertes en fonction de la fréquence et de la distance. Aussi, on assiste depuis de nombreuses années à un passage progressif sans ou avec mesures d’accélérations/incitations vers le très haut débit et la fermeture programmée et rapide du réseau cuivre avec incitation au passage du cuivre à la fibre. Au niveau européen, on note la recommandation for Next Generation Access qui prévoit un délai de prévenance de 5 ans pour les opérateurs historiques. La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 7 Cette étude, réalisée par les cabinets Ambroise Bouteille & associés et IDATE Une des voies prometteuses pour le développement de nouvelles générations de réseaux optiques concerne sans doute les réseaux tout-optiques ainsi que les réseaux optiques de données (paquets). Le remplacement dans les réseaux des transpondeurs par des régénérateurs optiques pourraient contribuer à réduire le coût du système. De plus, la réduction de l’intervention de l’électronique dans le système est plus favorable à une intégration et une miniaturisation. Cet avantage devrait être de plus en plus important au fur et à mesure que le débit augmente. Le “graal” serait bien évidemment de pouvoir disposer d’une ligne de transmission totalement optique où la lumière est manipulée par la lumière. En conclusion, Le déploiement du réseau optique FFTx est une réalité. Il constitue un phénomène durable et ce n’est que le début … Au niveau français, il y a incontestablement un retard relativement important à rattraper mais les chantiers lancés ces dernières années par les pouvoirs publics et l’implication des industriels du secteur sont en train de changer la donne. Il reste néanmoins à prendre des décisions audacieuses à temps pour répondre efficacement au besoin croissant et rapide de la demande en débit que la planète entière connaitra dans les quelques années à venir. Quelques références [1] R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical networks: practical perspective, second edition. [2] Zeno Toffano, composants photoniques et fibres optiques, Ellipse Edition Maketing 2001. [3] Paul Vaugel, Technology for next generation core and metro networks, Telscom version1, octobre 31th 2002. [4] Steven Gabarró, Maurice Khauv, Multiplexage en longueurs d’onde denses, EPITA, MMA 2002, pp 1-14. [5] FTTH. [6] N. M. SAAD, ‘Contribution à l'étude de l'application de la technique CDMA aux systèmes de transmission optique, thèse en télécommunications des hautes fréquences et optiques, université de Limoges, 2005. [7] S. Song, W. Laurier , An overview of DWDM networks IEEE Canadian Review- Spring / Printemps 2001, pp 15-18. [8] W.Laurier, Le DWDM et les réseaux à intégration de l'avenir, IEEE Canadian Review - Summer / Été 1999, pp 1-4. [9] Les Fibres optiques, Dossier technique, Thème d’autonomie 1999. Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation Pierre LECOY, Professeur à Centrale Supélec, chercheur au laboratoire ETIS (CNRS UMR 8051, ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE) Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ 1. Introduction Maîtrisées industriellement dès la fin des années 1970, les fibres optiques ont connu un développement spectaculaire en télécommunications et dans les réseaux, depuis les réseaux locaux et embarqués (voir l’article de Jean-Michel Mur sur les fibres optiques dans l’automobile) jusqu’aux réseaux longues distances et intercontinentaux, en passant par toutes les variantes du FTTx (fiber to the … home, building, office, etc… ). Au cœur de l’explosion d’Internet et de l’accès de plusieurs milliards d’êtres humains aux échanges numériques, y compris à travers les réseaux de mobiles dont elles constituent l’infrastructure fixe, les fibres optiques apportent leur contribution à la green IT grâce à une meilleure efficacité énergétique et à l’utilisation de matériaux disponibles et peu polluants. Mais la disponibilité à faible coût des technologies fibres optiques (et des composants associés) grâce au secteur des télécom, a ouvert la voie à d’autres utilisations, notamment dans les capteurs et l’instrumentation de mesure, qui ont fait l’objet de nombreux travaux théoriques et expérimentaux dès les années 1980. La principale motivation provenait des avantages spécifiques des fibres optiques, bien connus dans le domaine des communications, et qui sont particulièrement intéressants pour des applications instrumentales qui doivent fonctionner dans des conditions difficiles et/ou être intégrées dans des systèmes ou dans des structures :  la faible perturbation apportée par les fibres optiques qui sont légères, de petite taille, non sujettes à la corrosion, ne conduisant ni l’électricité ni la chaleur ;  leur sécurité intrinsèque (absence de courants électriques), cruciale dans les applications médicales ou industrielles, et leur insensibilité aux parasites électromagnétiques, leur permettant de fonctionner de façon fiable dans des milieux fortement perturbés ;  la possibilité qu’elles offrent d’analyser à distance, et avec une haute résolution spatiale, des milieux d’accès difficile ou dangereux (certains matériaux permettant le fonctionnement dans des environnements fortement radiatifs) ;  la possibilité d’alimenter électriquement le capteur par la fibre optique elle-même (ou une deuxième fibre dédiée) transportant une puissance lumineuse (fournie par un laser), convertie par un petit récepteur photovoltaïque (technique de l’opto- alimentation, permettant de faire des capteurs totalement isolés) ;  et enfin, la possibilité d’utiliser la fibre optique elle-même comme élément sensible à un certain nombre de grandeurs physiques. On peut ainsi constituer des capteurs distribués ou des réseaux de capteurs, dans lesquels la fibre optique sert à la fois d’élément sensible et de support de transmission. Cependant, après une phase de foisonnement dans les laboratoires dans les années 1980 – 1990, seuls certains capteurs à fibres optiques ont atteint la maturité technologique. C'est le cas de ceux où la fibre optique améliore un système de mesure existant sans modifier son principe, mais surtout lorsque la fibre optique permet d'instrumenter l'ensemble d'un système, d'une structure ou d'un matériau en s'y intégrant. Ce n'est plus alors un capteur au sens d'un composant isolé, mais un élément d'un véritable système intelligent. De plus, le développement de la photonique Résumé : Dès l’apparition des fibres optiques il y a près de 40 ans, leur utilisation dans le domaine des capteurs et de l’instrumentation a constitué un thème majeur et particulièrement inventif de la recherche aussi bien académique qu’industrielle. Sans atteindre le volume de marché des télécoms et des réseaux, les capteurs à fibres optiques n’en sont pas moins devenus une réalité industrielle dans des domaines très variés (génie civil, énergie, aéronautique, automobile, médical, sécurité, production industrielle …). Cet article expose les principes et les applications des capteurs à fibres optiques les plus utilisés. Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 9 sur silicium permet de réaliser des microsystèmes intégrant un capteur optique, les interfaces opto- électroniques et les circuits de traitement. 2. Instrumentation de mesure optique à fibres Il s’agit de mesures optiques faites à distance par l’intermédiaire de fibres optiques qui jouent un rôle passif, mais apportent de grands avantages de mise en œuvre : accessibilité, haute résolution spatiale, possibilité de cartographie par déplacement du point de mesure, sécurité ... Certains de ces concepts sont relativement anciens, mais ils ont bénéficié des progrès technologiques et des baisses de coût de l’optoélectronique. De nombreuses applications sont opérationnelles :  physico-chimie : mesure du pH, colorimétrie, réfractométrie, spectroscopie infrarouge et Raman, vélocimétrie Doppler, absorption infrarouge caractéristique d’une espèce chimique à détecter, fluorescence (temps de décroissance et spectre), avec de nombreuses applications industrielles et médicales ;  mesure de température par pyrométrie (analyse du rayonnement du corps noir): compte tenu du spectre de ce rayonnement, essentiellement situé dans l'infrarouge, on peut le transmettre par des fibres optiques de silice si la température est supérieure à 300°C, et par des fibres en verres fluorés dès la température ambiante ;  d’autres types de mesures de température par la réponse optique (absorption, réflexion, photoluminescence, fluorescence … ) d’un matériau placé en bout de fibre, depuis les températures cryogéniques (quelques milli-Kelvin) jusqu’à plusieurs centaines de degrés ;  sans oublier l’endoscopie utilisée depuis longtemps en médecine, mais aussi dans l’industrie, le génie civil, l'archéologie ... même si la miniaturisation des caméras fait reculer son marché. Des applications plus spectaculaires ont également été développées pour les détecteurs de particules, ou pour l’optique adaptative en astronomie, où la phase de la lumière peut être contrôlée dans les fibres optiques. 3. Les capteurs à fibres optiques Cette appellation correspond en principe aux capteurs où le phénomène physique agit directement sur la matière ou la structure de la fibre optique, qui peut avoir été modifiée pour être sensible à la grandeur à mesurer, ou au contraire être une fibre télécom standard. Les frontières ne sont bien entendu pas étanches entre ces catégories. Une première famille de capteurs, développée dans les années 1980, utilisait les défauts constatés dans les premières liaisons à fibres optiques, notamment leur sensibilité aux courbures et aux micro-courbures, ou aux défauts d’alignement dans les connecteurs. Leur avantage, essentiellement économique, est d’utiliser des fibres et des composants d’extrémité disponibles et peu coûteux, et d’être de principe très simple au niveau du traitement du signal, puisqu’il s’agit de détecter les variations de puissance lumineuse transmise. Ils ont trouvé des applications dans des systèmes industriels ou de sécurité, lorsqu’une haute précision n’est pas requise (détection, comptage ... ). Par exemple :  capteurs de micro-déplacements (longitudinaux ou angulaires) par des techniques de type filtrage spatial au raccordement de deux fibres, ou en réflexion à l'extrémité, pouvant être utilisés en capteurs de force ou transducteurs de vibrations ;  mesure d’indice du milieu extérieur par l’intermédiaire du coefficient de réflexion de Fresnel en bout de fibre, utilisée pour la mesure de niveau ou le comptage de bulles;  pertes sous courbure ou microcourbures dans une fibre optique soumise à des contraintes ; couplée à la réflectométrie temporelle (OTDR), cette méthode a permis la localisation de contraintes dans les structures où la fibre est intégrée, mais n’étant pas très fidèle et fragilisant la fibre, elle a disparu au profit des capteurs Bragg et Brillouin décrits plus loin. 4. Capteurs de type interférométrique Ces capteurs sont, eux, basés sur des techniques cohérentes : analyse de la phase, de la fréquence ou de la polarisation de la lumière, principalement dans les fibres optiques monomodes (des capteurs utilisant les interférences entre modes dans les fibres multimodes ont été expérimentés mais sont restés à l’état de prototypes). Ils sont beaucoup plus sensibles que les précédents et ne compromettent pas la fiabilité de la fibre optique, mais sont de mise en œuvre plus délicate et nécessitent des traitements du signal pour obtenir des Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 10 mesures absolues (et non relatives) et séparer les effets des différentes grandeurs physiques d’influence (notamment la température). Un des plus anciens capteurs de cette catégorie est basé sur l'interféromètre de Mach-Zehnder constitué de deux bras qui sont deux fibres monomodes (ou deux guides en optique intégrée) de longueurs L identiques (figure 1). Le déphasage  entre bras de mesure et bras de référence va être dû à l’allongement d'un bras ou à la variation d'indice n, elle-même due le plus souvent à la variation de température T ou à une pression différentielle P (par photoélasticité). Dans le montage classique à fibres et à deux coupleurs, le récepteur reçoit une intensité modulée par cos2  ; la phase est mesurée à π près et on doit lever l'ambiguïté (par une mesure à deux longueurs d'onde par exemple). Le deuxième montage, qui peut être fait en optique intégrée, crée des franges d'interférence entre les faisceaux sortant des deux guides qui défilent ; on peut ainsi les compter et surtout détecter leur sens de variation. La principale application qui a été développée est le capteur acoustique, de grande bande passante, utilisé dans les hydrophones. Il s'agit là d'une mesure dynamique et différentielle. Des capteurs chimiques de ce type ont également été réalisés, surtout en optique intégrée, en utilisant la variation de l'indice effectif dans le bras de mesure, sous l'effet d'un corps chimique à son contact. L'interféromètre de Michelson, construit sur un coupleur en X à fibres monomodes ou en optique intégrée sur silicium, permet les mêmes mesures, mais est surtout intéressant pour les mesures de déplacements micrométriques relatifs, par interférométrie en lumière non cohérente. L'interféromètre de Fabry Pérot est constitué de deux miroirs parallèles espacés de L intégrés entre deux fibres optiques, ou face à une fibre optique (dont la face de sortie constitue l’autre miroir de la cavité ce qui permet d’exploiter le capteur en réflexion, facilitant l’accessibilité du point de mesure. Par résonance de la cavité Fabry-Pérot, la puissance est maximale pour un peigne de longueurs d'onde vérifiant : = 2 n.L/p où p est entier, et n l’indice de la fibre (ou du matériau entre les fibres). La source est donc non cohérente et fonctionne en continu. L’analyse du spectre, qui peut être faite dans un interféromètre de Fizeau comme dans la technologie WLPI d’Opsens (figure 2), permet d’en déduire le déplacement (ou la variation de pression externe qui l’a provoqué), ou, pour d’autres applications, la variation de l’indice du matériau séparant la fibre et le miroir, et d’en déduire suivant le cas, les variations de température ou de composition chimique. Comme dans les interféromètres précédents, il s’agit d’une mesure indirecte, et le conditionnement du capteur doit être conçu et étalonné pour remonter sans ambiguïté à la grandeur à mesurer. Figure 2. Interféromètre de type Fabry-Pérot utilisé par la technologie WLPI de la socitété Opsens. (Document FTMesures) Figure 1. Interféromètre de Mach Zehnder à fibres ou guides optiques (P. Lecoy) Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 11 L’interféromètre de Sagnac ou interféromètre en anneau est principalement utilisé dans le gyroscope à fibre optique, qui est le plus ancien des capteurs à fibres optiques (le premier démonstrateur date de 1976), à la source d'une intense activité scientifique et industrielle. Il s’agit à la base d’un gyromètre (mesure d'une vitesse de rotation), qui mesure par interférométrie le déphasage entre les deux sens de propagation sur la même fibre optique montée en anneau. L’influence de la température est alors compensée et seuls les effets non réciproques sont détectés. Si le montage tourne autour d'un axe perpendiculaire au plan de la fibre, le déphasage  est proportionnel à la vitesse de rotation Ω :  = c .NS.8   où S est la surface de la boucle et N est le nombre de tours, qui peut être très grand, ce qui permet des précisions et des fidélités qui atteignent 10-5 degrés/h. En assemblant 3 capteurs selon 3 axes, on peut faire un gyroscope (mesure et conservation d'une direction) beaucoup plus compact et robuste que les centrales inertielles. Enfin, d’autres capteurs interférométriques sont basés sur la variation de polarisation dans la fibre optique, qui peut être provoquée par des contraintes non isotropes (biréfringence due à la photoélasticité) ou à un champ magnétique longitudinal (effet Faraday, à la base notamment de capteurs de courant). Du fait de leur complexité et de la difficulté de les exploiter à distance, ils n’ont pas été très développés. Capteurs à réseaux de Bragg Un des capteurs à fibres optiques les plus répandus actuellement est le capteur à réseau de Bragg (FBG, Fiber Bragg Grating), photoinscrit dans la matière du cœur de la fibre. Cette technologie, apparue dans les années 1990, consiste en une modulation périodique et longitudinale de l'indice de réfraction du cœur d’une fibre monomode, de période spatiale , qui provoque la réflexion de la longueur d’onde  correspondant à des interférences constructives entre les ondes réfléchies (figure 3) :  = 2 .n1eff où n1eff est l’indice effectif moyen du cœur de la fibre Cette technologie a été développée pour les communications sur fibres optiques, où elle permet de réaliser des filtres, des multiplexeurs en longueur d’onde, ou encore des compensateurs de dispersion chromatique avec des réseaux chirpés (c'est-à-dire de pas variant lentement le long de la fibre). Elle est maintenant bien maîtrisée et les réseaux photoinscrits présentent une longue durée de vie sous illumination. Très rapidement, elle a fait l’objet de développements pour les capteurs, notamment en France au CEA. En effet, lorsque la fibre subit un allongement relatif , qui augmente , on observe une variation de la longueur d'onde réfléchie :   = K. + T, où le coefficient K, voisin de 0,8, est dû à la photoélasticité qui diminue légèrement neff, et T est la variation de température qui fait aussi varier l’indice et dilate le verre (d’où le coefficient  de l’ordre de 6.10-6 /°C). Ceci constitue un effet parasite qu’il faut compenser, mais on peut aussi mesurer la température par cet intermédiaire. On peut mesurer cette variation de longueur d’onde à distance avec une parfaite fidélité : la longueur d'onde de la lumière réfléchie, contrairement à son intensité ou à sa polarisation, n’est pas modifiée par sa propagation sur la fibre optique. Une mesure de la longueur d’onde à 1 pm près correspond à un allongement relatif de 0,8.10-6 ou à une variation de température de 0,1°. Une méthode simple pour séparer ces grandeurs consiste à utiliser deux capteurs soumis à la même température, seul l’un d’eux subissant l’allongement. Figure 3. Principe du réseau de Bragg. Document Xblue, projet HOBAN Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 12 Ces capteurs, exploités en réflexion, se prêtent bien à une mise en série en décalant les plages de longueur d’onde des différents FBG, et en les interrogeant par réflectométrie avec une source large spectre ou un laser à balayage rapide en longueur d’onde. On réalise ainsi un capteur multipoints (ou distribué) pouvant associer plusieurs dizaines de capteurs élémentaires le long d’une fibre unique. Leur intérêt essentiel est leur facilité d'intégration le long de la fibre, ainsi que leur cadence de lecture élevée (plusieurs kHz). Ils sont très employés pour la surveillance des structures aéronautiques et nucléaires, machines électriques, bâtiments (même des monuments historiques grâce à leur caractère peu invasif), ouvrages de génie civil, digues, mines, ouvrages souterrains ... 5. Capteurs répartis Raman et Brillouin Cette dernière catégorie de capteurs a pour particularité d’utiliser comme élément sensible la fibre optique elle-même, et d’en faire un capteur continûment sensible donnant un profil de température et/ou de contraintes le long de son parcours, avec l’équivalent de plusieurs milliers de points de mesure élémentaires, ce nombre dépendant en fait de la résolution de la technique d’interrogation. En contrepartie, ils sont plus complexes à exploiter que les réseaux de Bragg, et le temps d’interrogation est plus long (de l’ordre de la minute). Ils sont basés sur les phénomènes de diffusion (scattering) Raman et Brillouin, habituellement classés dans l’optique non linéaire, qui sont en fait des interaction photon - phonon, c'est à dire un échange d'énergie entre une onde optique et les vibrations des liaisons moléculaires du matériau (figure 4). Figure 4. Diffusion Raman et Brillouin (cité par P. Ferdinand) Dans l’effet Raman, lorsqu'une onde pompe de fréquence p interagit avec un matériau, certains photons perdent une partie de leur énergie hp au profit d'un phonon, particule associée à la vibration de fréquence  qui apparaît dans la matière. Ils sont alors diffusés avec une énergie plus faible, autrement dit une longueur d'onde plus élevée, et constituent une onde Stokes de fréquence : s = p -. Le décalage de fréquence  ne dépend que du matériau, et pas de la longueur d'onde pompe. Le spectre de l’onde Stockes est caractéristique de la composition chimique et du caractère ordonné ou désordonné de la matière, ce qui en fait une méthode d’analyse chimique connue et pratiquée depuis longtemps. La silice présente ainsi un spectre continu relativement large, avec un pic caractéristique à 490 cm-1 . En sens inverse, quelques phonons créés par agitation thermique vont céder leur énergie à des photons, qui vont diffuser sous forme d'une onde anti- Stokes de fréquence : a = p +  donc une longueur d'onde plus faible. Le rapport d’amplitude entre les raies Stokes et anti-Stokes vaut : exp h. kT Il ne dépend que de la température, ce qui permet d'utiliser ce phénomène pour connaître la température de la fibre au point de mesure avec une très grande fidélité et une précision de l’ordre de 0,1°C. La localisation de ce point est faite par la classique réflectométrie temporelle (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry basée sur le décalage temporel entre l’impulsion émise et la réponse, mesurée simultanément aux 2 longueurs d’ondes Stokes et anti- Stokes) ou, pour une plus haute résolution (mais une portée plus courte), par réflectométrie fréquentielle (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) où le laser est modulé en longueur d'onde (sous forme d'une rampe ou chirp) au lieu d'émettre des impulsions. C’est le décalage de longueur d’onde entre la lumière émise et la lumière rétrodiffusée qui permet de connaître la distance. Cette méthode est maintenant utilisée industriellement pour détecter et localiser des points chauds (ou froids, en cas de fuite de gaz par exemple) le long des lignes d’énergie ou de tubes transportant des fluides. La diffusion Brillouin suit un mécanisme de même nature que la diffusion Raman, mais l'interaction se fait avec des phonons acoustiques, c'est à dire des vibrations du matériau provoquées par l’intensité de la lumière, et s'y propageant avec la vitesse Va des ondes acoustiques, de plusieurs milliers de m/s dans le verre. On observe principalement une rétrodiffusion Brillouin (en sens inverse) avec un changement de fréquence B Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 13 déterminé par l'accord de phase entre les ondes optique et acoustique : B = 2p c n Va qui est de l’ordre de 10 à 13 GHz dans les fibres de silice. Ce phénomène est principalement utilisé en capteurs, où la variation du décalage de fréquence B, de 10 à 100 MHz, est due aux variations de température ou aux contraintes qui modifient Va. Pour séparer ces deux causes, le câble contient en général deux fibres soumises à la même température, mais l’autre est soumise aux contraintes et l’autre non. Ces variations de fréquence sont mesurées à distance et localisées par une technique de réflectométrie adaptée (battement entre la rétrodiffusion Rayleigh, qui n’est pas décalée en fréquence, et la rétrodiffusion Brillouin). Récemment de nombreux capteurs répartis de ce type ont été installés le long d’ouvrages d’art, de réseaux de transport d’électricité ou de gazoducs, de sites industriels, d’enceintes de confinement nucléaire ... 6. Conclusion Les capteurs à fibres optiques ont démontré leurs avantages : immunité électromagnétique, faible intrusivité, fonctionnement en environnement difficiles, aptitude à la mise en réseau et aux concepts de capteurs distribués et répartis. 40 ans après l’apparition du gyromètre à fibres optiques, grâce aux progrès des technologies optiques mais aussi électroniques (traitement du signal), et sont devenus une réalité industrielle dans de nombreux domaines : surveillance des structures, transport, énergie, sécurité, contrôle industriel … dans un contexte économique mondial qui a fortement évolué, la Chine et l’Asie en général rattrapant les acteurs historiques (Europe, Amérique du nord et Japon). 7. Quelques références H. Lefèvre, The Fiberoptic gyroscope, Artech, A993 E. Udd, Fiberoptic sensors, CRC Press, 2006 P. Ferdinand, Réseaux de capteurs à fibres optiques, Mesures et multiplexage, Techniques de l’Ingénieur, R 460v2, mars 2008 P. Ferdinand, Réseaux de capteurs à fibres optiques, Applications, Techniques de l’Ingénieur, R 461, sept. 2008 P. Ferdinand, La saga des Capteurs à Fibres Optiques depuis 35 ans, Colloque 2013 du Club CMOI « Contrôles et Mesures Optiques pour l’Industrie » de la Société Française d’Optique, 18-21 nov. 2013, Orléans P. Lecoy, Communications sur fibres optiques, Lavoisier-Hermès, 2014 Laboratoires et entreprises impliquées http://www.ifsttar.fr/ (université de Marne la Vallée) http://www.xlim.fr/ (université de Limoges) http://laboratoirehubertcurien.fr/ (université de St Etienne) http://www-leti.cea.fr/ https://www.ixblue.com/ https://www.hbm.com/fr/ http://www.ftmesures.com/ http://www.cementys.com/ http://www.idil-fibres-optiques.com/ Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 14 Les fibres optiques dans l’automobile Jean-Michel MUR Président d’honneur du Club fibres optiques & réseaux Société française d’optique Jm.mur@orange.fr Proche de nous mais déjà loin le temps où le premier réseau en fibre optique en plastique prenait place dans nos automobiles. C’était en 1998, via le réseau D2B (domestic dual bus) qui a équipé nombre de véhicules luxueux avec le constructeur pionnier Mercedes suivi par Jaguar, Peugeot 604, etc. Ce réseau largement installé est désormais obsolète. L’aventure a connu, en 2001, byteflight, le réseau exclusif de BMW, créé en partenariat avec Motorola et Infineon. Byteflight, qui a commencé par équiper les BMW Série 7, a tiré sa révérence, lui aussi. Dans le même temps, sont arrivés les premiers réseaux MOST 25 (media oriented systems transport) à 25 Mbit/s. Puis l’industrie automobile a installé les MOST 50 à 50 Mbit/s et, en parallèle, l’IDB-1394 (intelligent transportation system data bus) qui, via le port Customer convenience port (CCP), est la version pour l’automobile du standard 1394 de l’association américaine IEEE. Plusieurs amendements plus tard sur ce standard, en 2008, a été avalisée la nouvelle version « 1394-2008 - IEEE Standard for a High-Performance Serial Bus ». Et les évolutions s’ensuivirent… 1. De nos jours, quels protocoles ? Trois protocoles principaux sont présents sur ce marché : le MOST 150, l’IDB-1394 et Ethernet ; le leader étant MOST avec plus de 200 modèles d’automobiles différents et plus de 200 millions de nœuds livrés depuis 2001. En 2012, est arrivée la version MOST 150 qui doit son nom à son débit de transmission de 150 Mbit/s. C’est l’évolution des premiers réseaux en anneau MOST 25 puis MOST 50, avec deux apports clés : un canal pour Ethernet et la montée en débits. MOST 150 intègre un canal Ethernet avec une largeur de bande variable – MOST Ethernet Packet (MEP) – pour supporter les trames Ethernet en sus des trois canaux classiques pour le contrôle des messages, les données en flux continu et les données en paquets. La demande de débits de plus en plus élevé provient de l’inflation des applications dont celles en vidéo avec multi-écrans qui sont très gourmandes en bande passante. Cette montée en débits semble un point positif pour le MOST 150. En fait, c’est une course pour rattraper les 200 à 800 Mbit/s de l’IDB-1394 – avec un maximum futur de 3,2 Gbit/s – et la montée du 100 Mbit/s de l’Ethernet vers l’attendu 1 Gbit/s du Gigabit Ethernet (GbE). Un point noir supplémentaire pour le MOST 150, la nécessité de faire appel à des Codec – et aux coûts associés – pour la compression et décompression des informations multimédia. Pour les réseaux IDB-1394, l’automobile n’est qu’un des marchés couverts car on rencontre IEEE 1394 aussi en audio-vidéo, avionique, défense, capteurs… à un point tel qu’en octobre 2015, le groupement d’industriels intitulé 1394 Trade Association a été dissous en estimant que les marchés et le protocole étaient devenus matures. IDB-1394 a comme principales caractéristiques la transmission des données dans les modes asynchrone et isochrone, soit en temps réel, sur des bus en transmission parallèle à 32 ou 64 bits ; les débits, du simple 100 Mbit/s au très haut débit de 3,2 Gbit/s ; le support physique qui peut être en paires torsadées blindées (shielded twisted pair – STP), en quatre paires (shieldedt wisted quad – STQ), en coaxial en cuivre ou en fibre optique en plastique ou en silice. Ce protocole gère, bien évidemment, la notion de multiples canaux de transmission et de multi-utilisateurs, le tout en simultané sur le même bus ou sur une topologie en arbre, en étoile ou en anneau. À noter, que cette norme IEEE 1394-2008 devrait évoluer en 2016. Quant à la pieuvre Ethernet, avec ses ramifications dans tous les types de réseaux, elle se devait de se créer une place dans l’automobile. Le démarrage a été poussif et peu de constructeurs sont friands de ce protocole pour trois raisons : le débit limité à 100 Mbit/s, le câblage en paires torsadées catégorie 5, lourd et onéreux, et la qualité de service (QoS), autre point noir car nécessitant du logiciel et des mémoires- tampons supplémentaires. Après diverses remises en question, certains annoncent qu’il se pourrait que l’année 2016 soit celle où « Automotive Ethernet » puisse prendre la forme d’une dorsale pour les réseaux des véhicules grâce à l’arrivée du 1 GbE sur une simple paire torsadée. D’autres experts sont dubitatifs pour deux raisons : la norme définissant le GbE sur fibre optique plastique est en cours de développement par le groupe de travail IEEE P802.3bv « Gigabit Ethernet over plastic optical fiber tasktorce », elle n’est attendue Résumé : Présente dans nos véhicules depuis une bonne quinzaine d’années, la fibre optique en plastique puis en silice tisse ses réseaux. Protocoles, applications et produits, où en sommes-nous aujourd’hui ? Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 15 que pour le premier trimestre 2017 et, par ailleurs, lors de la 16e conférence de connexité MOST en Asie, en novembre 2015, deux annonces clés ont porté sur Linux et le 1 Gbit/s pour MOST. Côté Linux, il a été présenté le fait que le noyau Linux principal intégrera un pilote Linux MOST pour accéder à toutes les données de MOST et prendre en charge les interfaces USB, Media LB et I2C, ALSA (audio), V4L2 (vidéo) et la communication basée sur IP, protocole Internet cf. fig.1 Pour les industriels impliqués dans le MOST, c’est d’autant plus important que le cabinet d’études de marché IHS prévoit que d’ici 2020, la plateforme Open source Linux, avec plus de 40% de part de marché, dominera le marché de l’info-divertissement embarqué, d’où un plan de développement ambitieux cf. fig.2. Fig.1 : Architecture des pilotes Linux (Source : Microchip) Fig.2 : Plan de développement de Linux pour l’automobile (Source : Linux Foundation) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 16 2. Pour quelles applications ? Le vocable associé au mariage fibre optique plastique – automobile est « Technologie multimédia » soit, plus largement, tous les équipements et systèmes qui touchent à l’aide à la conduite, aux diagnostics, à la communication interne au véhicule ou avec l’extérieur ainsi que pour le domaine des loisirs. Sans être exhaustif, on y trouve aussi bien les équipements audio de radio ou CD et haut-parleurs surdimensionnés, lecteurs MP3, équipements vidéo de TV ou DVD avec écrans incorporés aux sièges, de radiotéléphonie GSM, de systèmes de positionnement GPS et de navigation avec voix et images animées, d’aide à la vision avec les radars et caméras de recul, de stockage de données avec la connectique pour les clés USB, d’applications Bluetooth et bien d’autres comme la connexion à Internet. À noter que le standard IEEE 1394:2008 a prévu la protection des contenus transitant par le réseau et des supports type DVD (digital transmission content protection – DTCP). En MOST 150, cette fonctionnalité est complétée, depuis octobre 2015, par la protection supplémentaire apportée par la norme CI+. En américain, l’ensemble du réseau, des équipements et des fonctions est regroupé sous les deux quasi-synonymes in-car entertainement (ICE) ou in-vehicle infotainment(IVI) et, plus globalement, sous le nom in-vehicle network (IVN) faisant ainsi le parallèle avec ce qui se passe dans le domaine de l’aviation commerciale avec in-flight network (IFN) et ses déclinaisons pour le personnel navigant et pour les passagers. Fujitsu va plus loin en considérant le véhicule comme un des éléments du système global d’information cf. fig.3. Fig.3 : Système de transport intelligent (intelligent transport system – ITS) vu par Fujitsu (Source : Fujitsu) 3. Et le cloud ? L’informatique en nuage ou du moins le stockage de données et leurs accès intéressent fortement les constructeurs automobiles mais aussi leurs sous- traitants. Ainsi, l’équipementier Robert Bosch, qui propose déjà aux industriels des offres comme les services eCall ou conciergerie, a annoncé, fin 2015, la mise à disposition de services pour les automobiles connectées tels que les informations, en temps réel, sur les conditions de circulation, le trafic automobile, les conditions climatiques, etc. Il prend exemple sur son concurrent Continental qui a l’offre e-Horizon (electronic horizon) construite en collaboration avec IBM et Cisco cf. fig.4 ou sur l’offre de Delphi qui propose l’application Delphi Connect en s’appuyant sur Azure, la plateforme cloud de Microsoft. Bosch irait même jusqu’à indiquer la localisation exacte de bornes de recharges de véhicules électriques en fonction du niveau de la batterie. Il propose deux modes d’accès pour connecter le véhicule au nuage : le premier, c’est l’intégration de la solution My Spin, qui utilise le smartphone comme pilote, aussi bien sous Apple iOS que sous Android, et qui permet Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 17 aux applications installées sur le téléphone d’être actives sur la console centrale ; le second, c’est l’établissement d’une liaison entre la voiture et le cyberespace via le Connectivity control unit (CCU) de Bosch, un équipement qui contient un module de radiocommunications et qui requiert une carte SIM. 4. Avec quels produits ? Côté support physique, la fibre optique s’implante de plus en plus au détriment des câbles en cuivre grâce à ses qualités intrinsèques : aucun risque d’interférence électromagnétique et insensibilité aux perturbations électromagnétiques, ainsi un cheminement parallèle aux câbles électriques ou proche des moteurs électriques (sièges, vitres, rétroviseurs…) est possible et il n’y a pas cette contrainte pour la conception des faisceaux de câbles ; poids plus faible, environ neuf grammes par mètre contre soixante-dix pour le cuivre ; souplesse d’installation car le diamètre du câble est inférieur à trois millimètres ; débits de transmission plus élevés allant à 1 Gbit/s voire à plus de 3 Gbit/s ; large gamme d’émetteurs-récepteurs, etc. Dès l’origine, la seule fibre optique qui était installée dans l’automobile était une fibre en plastique standard, avec un cœur en PMMA (poly méthacrylate de méthyle) de 970 microns de diamètre et une gaine d’un millimètre (fibre 970/1000) en polymère. Elle est résistante jusqu’à 95 °C, a un affaiblissement linéique d’environ 0,2 dB par mètre lors de transmissions à 650 nanomètres et un rayon de courbure de l’ordre de quinze millimètres. Mais, les fibres optiques en silice unimodales ou multimodales ont leurs supporteurs. Ainsi, en janvier 2009, la norme IEEE 1394 a été complétée par les spécifications pour la fibre optique unimodale en silice, document intitulé « IEEE 1394 Single-mode Fiber PMD Specification », pour des transmissions à 1 500 nanomètres et un affaiblissement linéique maximum de 0,35 dB/km. Et, depuis juin 2011, la révision 1.0 de la norme IEEE 1394:2008 intitulée « 1394 Automotive Glass Fiber Specification (Supplement to IDB-1394) » considère deux types de fibres optiques multimodales en silice : la fibre multimodale à gradient d’indice de 50 microns de diamètre de cœur et 125 microns de diamètre de gaine, fibre 50/125 bien connue dans les réseaux locaux d’entreprise, et la fibre construite avec une gaine en polymère renforcé (hard polymer cladding silicafiber – HPCF) à saut d’indice qui a un cœur de 200 microns de diamètre et une gaine de 230 microns (HPCF 200/230). Les deux doivent respecter la plage de températures de -40 °C à +105 °C et, pour les transmissions à 850 nanomètres, avoir un affaiblissement linéique maximum de 10dB/km pour la fibre 50/125 et 20 dB/km pour la fibre 200/230. Fig.4 : Les quatre couches de l’application e-Horizon (Source : Continental) Fig.5 : Barrières technologiques de la fibre en plastique et des diodes à 650 nm (Source : JM. Mur) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 18 Même tendance pour les réseaux MOST car les industriels travaillent sur le saut des débits au-dessus du 1 Gbit/s. Là, les diodes électroluminescentes et la fibre en plastique à saut d’indice devront laisser leur place aux lasers VCSEL et aux fibres en silice à gradient d’indice. C’est, entre autres, le point de vue des équipementiers qui travaillent sur les liaisons optiques pour la future montée du MOST vers le 5 Gbit/s cf. fig.5. 5. Câbles de fibres optiques Dans ce domaine des réseaux internes aux véhicules, les câbles sont de deux types : d’une part, ceux qui ne contiennent qu’une ou deux fibres optiques et sont relativement simples à fabriquer et, d’autre part, ceux qui transportent les fibres et l’alimentation électrique pour les équipements desservis. Cependant, la difficulté consiste à concevoir la composition des enveloppes car les fabricants doivent faire face à beaucoup plus de contraintes que pour les réseaux locaux. En effet, la barrière qu’ils constituent, entre les fibres et l’environnement, doit résister à la fois à des contraintes physiques et à des attaques de fluides. Les contraintes physiques sont dues aux tensions venant des courbures, torsions, compressions, étirements, trépidations… Les attaques des fluides proviennent des fluides propres au véhicule – essence, diesel, acide des batteries, glycol, liquide de freins, etc. – et à ceux apportés par les passagers comme les détachants de sièges ou de plastiques divers, les boissons café, coca, alcool… Et tout cela, sans oublier de prévoir une forte résistance à l’humidité et aux sels de déneigement. 6. Connectique optique La connectique optique constituée de fiches optiques, raccords, traversées de cloisons, embases… se compose de deux grandes familles : la connectique classique des applications des fibres optiques et la connectique assurant à la fois les liaisons optiques et des liaisons électriques cf. fig.6 et fig.7. Fig.6 : Connectique automobile pour deux fibres en plastique (Source : TE Connectivity) Côté fibre optique plastique et IEEE 1394, la connectique est définie dans le document « PMD for FiberOptic Wake-on-LAN » Fig.7 : Connectique automobile pour quatre fibres en plastique et quarante contacts électriques (Source : TE Connectivity) de juillet 2006. Il y est précisé, annexe C, que pour distinguer les séquences d’assemblage des câbles dans le véhicule, quatre différentes clés de détrompage ont été définies pour les fibres en plastique. Chaque clé est identifiée par une couleur : blanc, noir, gris et marron. Quant aux fibres en silice, l’IEEE 1394 préconise le double LC. Pour prévenir les conséquences d’une inadvertance de connexion entre les types de fibres, il sera utilisé la couleur bleue pour les fibres unimodales et la couleur noire pour les multimodales cf. fig.8. Fig.8 : Connectique pour fibre optique du réseau IEEE 1394 (Source : Molex) Quant à la connectique du futur, un aperçu de ce qui pourrait s’écrire MOST à 5 Gbit/s, a été présenté par TE Connectivity en novembre 2015 à Tokyo cf. fig.9. Pour les liens, les tests et mesures sont effectués par des équipements tels des testeurs dotés d’une source lumineuse et d’un puissance-mètre cf. fig.10. Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 19 Fig.9 : Aperçu de la connectique optique pour le futur MOST à 5 Gbit/s (Source : TE Connectivity) Fig.10 : Appareil de test pour les liens en fibre optique en plastique (Source : Comoss) 7. Composants actifs Pour les composants actifs, comme dans tous les autres domaines de la photonique, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée. Parmi ceux-ci, on trouve les émetteurs-récepteurs pour fibres optiques (fibe roptic transceivers– FOT) qui, comme pour les câbles à fibres optiques, doivent avoir des caractéristiques physiques leur permettant d’être opérationnels dans des environnements difficiles. Avec le support fibres optiques en plastique, la transmission des signaux se fait sur des distances très courtes, via une diode électroluminescente (DEL) à 650 nanomètres, la réception se fait via une photodiode PIN cf. fig.11. Fig.11 : Exemple d’émetteur et récepteur pour fibre optique en plastique (Source : Hamamatsu) La prochaine arrivée des débits supérieurs à 1 Gbit/s verra l’émergence des FOT à base de VCSEL travaillant à 850 nanomètres sur les fibres en silice et de photodiodes à sensibilité améliorée. Présents également, des composants divers tels des contrôleurs d’interfaces avec le réseau, des codecs vidéo pour les caméras embarquées, des processeurs pour la protection DTCP, etc. L’intégration se fait aussi au niveau des sociétés puisque, le 4 décembre 2015, Avago Technologies est devenu propriétaires des actifs du domaine d’activité fibre optique en plastique dont les cordons optiques actifs, les convertisseurs, etc. de l’américaine Electronic Links International, Inc. Bien évidemment, le marché de la fibre optique dans l’automobile se développe pour d’autres véhicules tels les autocars et les camions cf. fig.12. Enfin, en attendant un avenir de la voiture sans conducteur, vous pourrez être informés sur les domaines audio-vidéo- Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 20 télématique-navigation-etc. lors d’événements spécialisés comme la réunion AGL All members meeting, prévue les 7 et 8 septembre à Munich, la 9eme Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède), la 19eme International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016.Bonnes découvertes et bonne route… Fig.12 : La fibre optique dans les autocars (Source : KDPOF) Pour en savoir plus… http://automotivelinux.org Pour tout savoir sur la présence de Linux dans le domaine automobile à travers Automotive Grade Linux(AGL), ensemble de solutions logicielles pour les systèmes in-vehicle infotainement (IVI) et leur prochain événement : AGL All members meeting, les 7 et 8 septembre 2016 à Munich. www.autosar.org Site d’Automotive open system architecture (AUTOSAR), groupement d’industriels œuvrant au niveau mondial pour le développement de protocoles, produits et systèmes compatibles pour l’automobile et leur prochain événement : 9e Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède). www.ieee802.org/3/bv/ Site du groupe de travail sur le projet de norme P802.3bv concernant le Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique. http://sites.ieee.org/itss/ Site de l’IEEE spécialisé dans les systèmes de transport intelligent (intelligent transport systems society – ITSS) ; infos sur le congrès19th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC 2016) qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016. https://www.jaspar.jp/english/index_e.php Site de l’association d’industriels japonais concernés par le développement des applications dans les véhicules : Japan automotive software platform and architecture (JASPAR). www.mostcooperation.com/ Pour tout savoir sur la technologie Most (media oriented systems transport), les principaux acteurs impliqués dans le développement, pour télécharger les spécifications Most. www.opensig.org/ Site de l’OPEN alliance (one-pair EtherNet alliance) qui a été créée pour le développement d’Ethernet sur paire torsadée en cuivre dans l’automobile et qui, désormais, milite pour la fibre optique en plastique. www.opensig.org/tech-committees/tc7/ Comité technique n°7 de l’OPEN alliance qui est dédié au développement du Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique dans l’automobile. www.pofto.org/home/ Site de l’association d’industriels POFTO (plastic optical fiber trade organization) entièrement dédié aux fibres optiques en plastique (FOP). Pour télécharger des documents et articles de vulgarisation et trouver des liens vers les conférences ou expositions professionnelles dédiées aux FOP. Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application Bernard JOURNET, Jean-Baptiste DESMOULINS, Stéphanie CASSAN, Nguyên CHI THANH Bernard.JOURNET@ens-cachan.fr ENS Cachan – Université Paris Saclay, 61 avenue du Président Wilson, 94230 Cachan Mots clés : photodiode, sensibilité, comportement dynamique, capacité de jonction, modélisation. 1. Introduction Le but de cet article est de présenter ce qu’il est possible de faire à partir d’un montage relativement simple en optoélectronique afin de montrer les propriétés d'une photodiode à la fois sous l'aspect dynamique et statique, et de présenter une application de ce montage à la transmission d'un signal audio. Le sujet d’étude est donc une photodiode PIN [1], de surface relativement grande et facile à mettre en œuvre compte tenu de sa connectique BNC. Pour « éclairer » cette photodiode nous utilisons des diodes électroluminescentes (DEL) de couleurs différentes mais de longueurs d’onde connues, montées dans un boitier lui-même relié à la maquette par un cordon multibrins. Ces DEL sont alimentées du point de vue électronique par une source de courant réglable finement. Un photomètre étalon permet de connaître la puissance optique reçue par la photodiode et donc en quelque sorte d'étalonner les sources lumineuses. Une étude dynamique est possible grâce à une entrée modulation sur la source de courant alimentant les DEL. Cela permet d’étudier le comportement fréquentiel d’un montage à amplificateur de transconductance et de mesurer des caractéristiques fines de la photodiode. Cette entrée permet aussi d'appliquer un signal audio à transmettre par le biais d'une porteuse optique. 2. Le système expérimental 2.1. Émetteur Le schéma du montage de l'émetteur est donné Figure 1. Figure1 Montage émetteur permettant de commander au choix une des diodes électroluminescentes. Le circuit électronique est une source de courant associant un amplificateur opérationnel (U1) à un transistor PNP (T1) qui fournit le courant aux DEL. L'amplificateur opérationnel (U2) réalise la somme entre la tension de référence 0V , réglable entre +5V et +10V par le potentiomètre de précision (P0), et une tension de modulation, notée Vmod . La tension V0 permet de régler le point de fonctionnement des DEL et donc côté récepteur celui de la photodiode. L'intensité du courant traversant une DEL est donnée par 0 11 R VV I C F   où . modVVV  01 2.2. Récepteur La photodiode est montée sur le banc optique ; elle est reliée par un cordon BNC au circuit électronique. Ce dernier peut consister soit en un montage photoconducteur (photodiode en série avec une résistance, ici de k30 ) soit à un amplificateur de transimpédance comprenant un amplificateur opérationnel et une résistance (ici aussi de k30 ). La tension polV réglable de 0 V à +15 V permet R0 = 200 Ω (1%) TrVC1 = 10 V Popt U1 P0 1 kΩ R1 = 15 kΩ Vmod V0 - + + - U2 R1 R1 R1 VC2 = 5 V VC1 = 10 V Rin = 51 Ω V2 V1 VF IF A Résumé : L'étude des photodiodes peut être abordée dans des enseignements sur les capteurs optiques, la conversion d'énergie, voire sous l'angle des télécommunications optiques. Les caractéristiques d'une photodiode sont d'ordre statique et dynamique, leur sensibilité étant le paramètre fondamental à mettre en évidence pour tous les domaines d'application. Les propriétés dynamiques vont concerner davantage les aspects de télécommunications ou d'instrumentation. Il y a moyen de trouver ici des expériences adaptables à tout niveau de l'enseignement supérieur voire de l'enseignement secondaire si l'on voulait bien considérer l'importance que revêt de nos jours l'optoélectronique. Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 22 d'ajuster la tension inverse aux bornes de de la photodiode (a) (b) Figure 2. Montages récepteurs : photodiode en mode photoconducteur à gauche (a) et associée à un amplificateur de transimpédance à droite (b). On dispose aussi d'un photorécepteur étalon Thorlabs PM100 que l'on peut monter à la place de la photodiode, sur le banc optique. Sur la Figure 2(b) on note la présence d'un condensateur Cr . Son rôle est d'assurer la stabilité du montage récepteur ce qui se justifierait ferait à partir du modèle qui sera introduit dans la partie 4. 2.3. Banc optique Le banc optique permet d'aligner le boitier contenant les DEL avec le photodétecteur employé, en assurant la focalisation par une lentille convergente (ici de focale égale à 30 mm). La toute première étape de l'étude expérimentale consiste donc en un réglage optique des composants sur le banc. Les critères de réglage sont d'assurer une transmission maximale de la puissance émise sur les photorécepteurs et une focalisation du faisceau optique de façon à ce que la taille du faisceau soit plus petite que le plus petit des deux détecteurs. Il faut en cours de manipulation cacher les éléments sur le banc de la lumière ambiante, en particulier de l'éclairage artificiel apportant une composante à assez importante (mais ce qui est aussi une source de questions). 3. Étude statique 3.1. Émetteur Les caractéristiques des émetteurs sont obtenues ici par méthode volt-ampère-métrique (montage "courte dérivation"). Les multimètres employés sont des modèles de précision. Figure 3. Caractéristique courant-tension des diodes électroluminescentes Sur cette figure on peut observer les tensions seuils des DEL, dépendant du semi-conducteur employé. Pour la LED rouge la tension seuil est d'environ 1,8 V ; pour la DEL bleue elle vaut environ 3,2 V et pour la verte 3,5 V. Ces tensions seuils très différentes de celle d'une diode de signal ou de redressement au silicium sont en général "troublantes" pour les étudiants, d'où l'intérêt de cette mesure ! Elles sont à relier au matériau semi-conducteur utilisé. La puissance optique est mesurée par le photomètre étalon. Cette mesure n'est pas celle de la puissance émise par la DEL mais celle qui sera reçue dans les mêmes conditions expérimentale par la photodiode étudiée. Les trois DEL étant montées sur une ligne verticale du boitier les contenants il faut refaire le réglage optique pour chaque DEL. Figure 4. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct IF dans la DEL Iph K A Popt Vpol Vm RT = 30 kΩ - + RT = 30 kΩ Vpol CT = 22pF Popt Vs Iph 43210 Tension (V) 25 20 15 10 5 0 Courant(mA) 'DEL rouge' 'IDEL verte' 'DEL bleue' 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Puissanceoptique(mW) 2520151050 Courant direct (mA) 'DEL rouge' 'DEL verte' 'DEL-bleue' Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 23 Sur cette figure on observe que le comportement puissance optique émise en fonction du courant direct dans la DEL est plus ou moins bien linéaire. Les données constructeurs font état pour ces DEL d'une puissance d'environ 1000 mcd pour un courant de 20 mA. Compte tenu de la sensibilité de l'œil cela entraine des puissances émises nettement plus fortes pour le rouge et le bleu correspondant à de faibles sensibilités de l'œil. Il est donc possible d'introduire ici l'unité candela, et la sensibilité de l'œil. 3.2. Récepteur Les mesures sont effectuées ici en plaçant un ampèremètre directement en série avec la photodiode, celle-ci étant polarisée sous une tension réglable. Figure 5. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct dans la DEL Les mesures du courant photonique en fonction de la tension de polarisation montrent une totale indépendance du courant vis-à-vis de la tension. D'après les résultats obtenus le comportement de la photodiode est bien linéaire pour chaque longueur d'onde utilisée ; les pentes des courbes donnent la sensibilité de la photodiode. Les résultats correspondants sont donnés dans le Tableau 1. λ (nm) 470 525 660 Sensibilité (A/W) 0,17 0,25 0,49 Table 1. : Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde La courbe correspondante est donnée Figure 6. La formule théorique de la sensibilité est la suivante  hc qe R [1]. La courbe expérimentale est à peu près linéaire, en accord avec la formule théorique (mais ici nous n'avons que trois points). Néanmoins cette fonction n'a pas une ordonnée à l'origine égale à zéro. La pente de cette courbe est de /nmA.W1074,1 13  . La sensibilité d'environ 0,5 A/W mesurée pour la longueur d'onde de 660 nm est d'un ordre de grandeur satisfaisant conduisant à une efficacité quantique de 0,93. Figure 6.Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde 4. Étude dynamique L'étude dynamique peut être conduite avec les deux montages présentés au début (voir Figure 2). Le courant dans une DEL (le choix n'a pas vraiment d'importance ici) est modulé par la tension modV . On peut montrer au départ la modulation à très faible fréquence pour faire prendre conscience aux étudiants qu'il s'agit d'une modulation de l'intensité lumineuse. La porteuse est constituée du signal optique. 4.1. Montage transimpédance : réponse en fréquence La photodiode est associée à un amplificateur opérationnel et la conversion tension-courant est effectuée par la résistance  k30TR (voir Figure 2b). Figure 7. Photographie du montage lors du tracé des digrammes de Bode. Configuration avec Vpol = 11 V et IF=10mA . 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Courantphotonique(mA) 3.02.52.01.51.00.50.0 Puissance optique reçue (mW) '470 nm' '660 nm' '525 nm' 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Sensibilité(A/W) 700650600550500450 Longueur d'onde (nm) Sensibilité fit Sensibilité Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 24 Figure 8. Interface utilisateur pour le tracé des diagrammes de Bode On peut donc tracer, pour différentes valeurs de la tension de polarisation ( polV ) de la photodiode, le diagramme de Bode pour la fonction de transfert mod out V V H  . Le tracé des diagrammes de Bode a été automatisé grâce à un programme élaboré avec le logiciel Keysight-Vee. Une copie d'écran de l'interface utilisateur est fournie sur la figure suivante (Fig. 8), donnant une idée des possibilités offertes à l'utilisateur. Trois diagrammes obtenus pour des tensions de polarisation en inverse de 0,5 V, 2 V et 12 V sont donnés sur la Figure 9. On constate que la fonction de transfert H est du type passe-bas, présentant un phénomène de résonnance. De plus il y a une forte dépendance de cette fonction de transfert vis-à-vis de la tension polV : la fréquence de résonance et le facteur de surtension dépendent de la tension de polarisation. Compte tenu de l'aspect des courbes on peut imaginer que les fonctions de transfert puissent être modélisées par des fonctions du second ordre, du moins pour une certaine gamme de fréquences. D'après les courbes de phase l'ordre deux n'est pas suffisant au-delà de 400 kHz. 2 0 22 0 0 21 )(                                f f m f f H fH Pour mettre en œuvre cette modélisation nous avons utilisé le logiciel Igor. La Figure 10 présente aussi, en trait plein, les "fits" correspondant où l'on voit qu'ils donnent satisfaction jusqu'à environ 400 kHz. On obtient donc par ce "fit" le gain en basse fréquence, la fréquence propre et le coefficient d'amortissement (ou bien le facteur de qualité mQ 2/1 ). On peut conduire une étude plus détaillée vis-à-vis de l'influence de la tension de polarisation polV en faisant varier celle-ci de 0,25 V à 15 V, en enregistrant à chaque fois le diagramme de Bode puis en réalisant le fit par le logiciel Igor. Cela conduit à la courbe de la Figure 10, donnant les variations de la fréquence propre 0f et du coefficient d'amortissement m . Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 25 Figure 9. Fonction de transfert pour trois valeurs de Vpol qui est donc ici la tension de polarisation de la photodiode Figure 10. Fréquence propre et coefficient d'amortissement représentés en fonction de la tension de polarisation, en inverse, de la photodiode 4 3 2 1 0 Gain 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Gain Vpol=12 V fit_Gain Vpol=12 V Gain Vpol=2 V fit_GainVpol=2 V Gain Vpol=0,5 V fit_Gain Vpol=0,5 V -200 -100 0 100 Phase(degrés) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Phase Vpol=12 V Phase Vpol=2 V Phase Vpol=0,5 V 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 Coefficientd'amortissement,m 1412108642 Tension de polarisation (V) 280x10 3 260 240 220 200 180 160 Fréquencepropre,f0(Hz) m f0 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 26 Les deux courbes montrent des comportements tout-à-fait identiques à un coefficient multiplicateur près. Le modèle de la photodiode en régime dynamique, faisant intervenir la capacité de jonction, notée JC , de la photodiode (relativement grande pour une polarisation en inverse, d'autant plus ici que la photodiode choisie a un diamètre de 1 cm) associé à un modèle simple de l'amplificateur opérationnel prenant en compte une fonction de transfert du premier ordre et une capacité entre les deux entrées dites inverseuse et non-inverseuse (voir Figure 11) permet d'obtenir une fonction de transfert du second ordre pour le photodétecteur. En fait pour être plus précis il faut aussi tenir compte de la capacité équivalente du câble coaxial, notée cC , reliant la photodiode au montage électronique qui s'ajoute à la capacité d'entrée iC de l'amplificateur opérationnel JC et à (on note alors icJp CCCC  ). Figure 11. Modélisation de la photodiode associée à l'amplificateur de transconductance. On note ici A V s  et 1 0 1   j A A   avec comme ordres de grandeur 5 0 10A et 1 1 rad.s8,62   . Le calcul de la fonction de transfert, avec l'hypothèse conduit au résultat suivant.   2 10010 1 1     A CCR A CR A CRj R I V pTTpT TT T ph s           On obtient alors la fréquence propre et le coefficient d'amortissement  pTT CCR A f   10 0 2 1          010 0 1 . A CR A CRfm pT TT   Les variations du coefficient d'amortissement sont, selon la Figure 8, tout à fait similaires à celles de la fréquence propre, ce que l'on retrouve, compte tenu de ce que 1105 0 A , même si était une centaine de fois plus grand que TC ( pF22TC et pF50 cp CC ).        10 0 1 .   A CRfm TT 4.2. Montage photoconducteur Compte tenu de l'ensemble des capacités parasites présentes dans le montage de transconductance il est tentant d'étudier un montage plus simple, dans lequel on minimise les condensateurs. C'est celui de la Figure 2(a) où la photodiode débite directement dans une résistance de 30 kΩ. Dans ce cas, en négligeant le temps de réponse de la LED et du convertisseur tension/courant, le temps de réponse du système est égal au produit de la capacité de jonction de la photodiode par la résistance de mesure. Le défaut de ce circuit, est que la polarisation de la photodiode fluctue comme la tension aux bornes de la résistance de mesure. On fera donc en sorte de travailler avec une photodiode dont la tension aux bornes présente une composante continue suffisamment grande devant la fluctuation. On choisit une tension V5,90 V pour le convertisseur tension courant au niveau de l'émetteur, ce qui va permettre de travailler autour d’un éclairage moyen assez faible. Pour la tension de modulation on prend une tension carrée dont la valeur crête à crête provoque, en sortie, une fluctuation crête à crête de la tension aux bornes de la résistance de mesure de 60 mV. On est donc alors en mesure de dire que la tension aux bornes de la photodiode est pratiquement constante pour une polarisation inverse moyenne comprise entre 0,254 V et 10,25 V. Par ailleurs, la photodiode étant raccordée à la maquette par un câble coaxial, on fera en sorte de retirer 100pF de la valeur de capacité obtenue, afin de ne représenter que la capacité de la photodiode. En considérant le modèle de la jonction PN abrupte on peut chercher une expression du type 21 1 1 0 )( )( diode diodea VV C CVC   pour interpréter les mesures. Expérimentalement, on obtient la courbe suivante (Figure 12) pour la capacité de jonction et la fonction de "fit". La modélisation avec le logiciel Igor conduit aux valeurs suivantes, données en fonction d'un écart-type : pF12830 C pF327901 C et V06,058,01 V . Les écart-types fournis par le logiciel sont assez importants, le modèle obtenu n'est qu'une indication. On peut imaginer d'autres formes de Vs =A Iph IJ IT RT CT  - + PD AO Ii CJ CiCc Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 27 courbes qui cadreraient plus ou moins avec les points expérimentaux obtenus. Néanmoins l'ordre de grandeur de correspond assez bien à la capacité de 60 pF du cordon BNC de 60 cm de long utilisé pour raccorder la photodiode à la maquette. Cette capacité est associée à la capacité d'entrée de l'amplificateur, celle-ci serait donc d'environ 22 pF ce qui semble un peu surestimé. Mais compte tenu de l'incertitude sur la modélisation il est difficile de tirer des conclusions précises. La valeur de 1V représente un bon ordre de grandeur pour la tension biV d'une jonction PN à base de silicium. La capacité 1C dépendant elle du dopage des deux parties P et N, il est difficile d'estimer un ordre de grandeur. 5. Application : transmission d'un signal audio Sur l'entrée modV du circuit "émetteur" on peut brancher un lecteur de signal audio, lecteur de cassette d'autrefois, lecteur MP3 ou smartphone (attention selon le type de source choisie il peut y avoir des problèmes d'adaptation d'impédance). Le signal audio vient donc moduler la puissance optique émise par la DEL et la photodiode assure la démodulation. On constate ici la simplicité de la démodulation assurée par la seule photodiode. Un petit amplificateur branché à la sortie et débitant sur un haut-parleur permet alors d'écouter le message transmis. La Figure 13 permet de comparer le signal audio en entrée du circuit émetteur et le signal audio en sortie de l'amplificateur de transimpédance. Les signaux sont tout à fait similaires, on dénote un très léger filtrage du bruit sur le signal démodulé. Figure 13. Copie d'écran montrant une acquisition du signal audio en entrée (voie 1) et en sortie (voie 2). La voie 2 est en mode AC pour ne voir que le signal démodulé et son amplification verti-cale a été ajustée pour arriver à des signaux de même amplitude sur l'écran de l'oscilloscope Figure 12. Détermination de la capacité de jonction de la photodiode ne fonction de la tension inverse à ses bornes. 1.0x10 -3 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Capacité(µF) 1086420 Tension inverse aux bornes de la photodiode (V) Coefficient values ± one standard deviation C0 =8.254e-005 ± 1.2e-005 C1 =0.00078674 ± 3.19e-005 V1 =0.57857 ± 0.0554 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 28 On peut changer de couleur de DEL pour montrer que la transmission ne dépend pas de la longueur d'onde (mais selon la puissance émise par la DEL le niveau sonore peut varier). En coupant le faisceau lumineux la transmission du signal sonore est stoppée, ce qui est bien explicite pour les étudiants. Il est relativement facile, à ce stade, d'introduire auprès des étudiants les notions de fibre optique, de multiplexage en longueur d'onde et plus généralement de transmissions optiques. 6. Conclusion Nous avons présenté ici un ensemble de manipulations autour de l'utilisation de composants optoélectroniques, la photodiode étant l'élément central. Outre l'étude statique des émetteurs de lumière et de la photodiode, il a été présenté une étude dynamique dont les résultats sont explicables par une bonne modélisation des éléments du système ici la photodiode et l'amplificateur opérationnel utilisé avec le récepteur. Un circuit plus simple, mais moins facile à utiliser permet de mettre finement en évidence la dépendance de la capacité de jonction de la photodiode vis-à-vis de la tension de polarisation en inverse : on "vit en direct" la variation de l'épaisseur de la zone de charge d'espace au niveau de la jonction PN ! Globalement les mesures faites en régime dynamique sont en accord avec des modélisations classiques des différents composants. Une étude possible à proposer aux étudiants après avoir fait cette manipulation de façon complète concernerait la stabilité du montage à transimpédance et donc la justification du rôle de la capacité TC dans le montage. 7. Bibliographie [1] E. Rosencher, B. Vinter, Optoélectronique, Dunod, 2ème Édition, 2002. [2] H. Mathieu, H. Fanet, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Dunod, 6ème Édition, 2009. Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 29 Régulation de température d’une cuve JM ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII, 2 avenue François Mitterrand 36000 CHATEAUROUX Courriel : jean-marc.roussel@univ-orleans.fr kamal.boudjelaba@univ-orleans.fr 1. Introduction Dans le cadre du module M3102 (asservissement et régulation) du semestre 3 du DUT GEII, une série de travaux pratiques doit être proposée aux étudiants. Afin d’être proche des applications industrielles, nous avons développé, dans le cadre de projets, une cuve régulée en température. Cette cuve est représentative d’un élément de chaîne de traitement de surface simulant le trempage de pièces. Au niveau pédagogique, cette maquette permet la réalisation de deux travaux pratiques : un premier sur l’identification d’un système évolutif et un second sur la régulation de température. Nous allons dans un premier temps, détailler le système développé. Dans un second temps, les résultats d’identification et de régulation obtenue seront présentés. 2. Présentation du procédé 2.1. Descriptif du système étudié La partie matérielle du système est composée d’une cuve en inox pouvant contenir 40 litres de liquide. La cuve est équipée d’une sonde Pt100 (permettant la mesure de la température), d’un thermoplongeur monophasé de 3 kW (afin de chauffer le liquide) et d’un circulateur de chauffage afin d’uniformiser la température du liquide. La figure 1 montre une photo du système, la figure 2 montre le schéma fonctionnel du système. La partie régulation est assurée par un régulateur UT55A de la société Yokogawa. Ce régulateur est entièrement configurable et permet de disposer d’une régulation PID (8 fonctions de régulation intégrées, 8 algorithmes de régulation intégrés), d’une régulation à séquence Ladder ou d’une régulation à logique floue. Une centrale de mesures permet de récupérer les relevés des différentes grandeurs via un réseau Ethernet. Cette centrale est également utilisée par d’autres maquettes de la salle. Figure 1 : Photo système de régulation de température La puissance de chauffe est apportée par le thermoplongeur commandé par un relais statique lui- même piloté par la sortie discontinue du régulateur. Le système complet a été conçu dans le cadre d’un projet étudiant de seconde année. La réalisation de la partie opérationnelle a été sous traitée. L’armoire électrique a été réalisée en interne par les étudiants. Le coût d’une telle maquette est 15 k€ euros auprès d’une société de matériel didactique alors que notre coût est de 6 k€ euros, soit un gain de 9 k€ euros ! 2.2. Modélisation du bain et de la cuve On souhaite disposer d’un modèle thermique simplifié. On exprime l’évolution de chaleur Q absorbée ou cédée par un corps de masse m dont la température évolue selon l’équation suivante : dQ= mCdq (1) Où m est la masse d’eau à chauffer en kg, C la chaleur massique de l’eau en J/Kg.°C (C = 4180 J /kg.°C pour l’eau) et  la température de l’eau. Résumé : L’article propose un système de régulation de température industriel basé sur l’utilisation d’une cuve inox calorifugée de 40 litres remplie d’eau (dont on cherche à maintenir la température) et d’un régulateur de la société Yokogawa. L’identification du système est réalisée en boucle ouverte suite à un échelon sous la forme d’un système évolutif. Deux correcteurs sont proposés et comparés par rapport à un échelon de température ou à l’ajout d’une perturbation. Mots clés : modélisation, régulateur PID, méthode de Ziegler Nichols Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 30 Figure 2 : Système de régulation de température La puissance à fournir pour augmenter la température de l’eau de la valeur d est : P= dQ dt = mC dq dt (2) On doit toutefois tenir compte des déperditions thermiques qui peuvent s’exprimer selon la loi de Fourier sous la forme : P= dQ dt = mC dq dt + KS q -q0( ) (3) Avec K coefficient faisant intervenir les coefficients de convection et conduction thermique, et S la surface d’échange en m2 . Afin de réaliser un procédé de type intégrateur, on dote la cuve d’une double paroi avec un isolant. Les déperditions thermiques peuvent être négligées. On conservera pour la suite de l’étude l’équation (2). L’équation qui régit alors le procédé en prenant la température ambiante comme origine et la puissance constante est la suivante : q(t) = P mC t +q0 (4) La montée en température est linéaire. C’est le cas d’un système parfaitement calorifugé mais aussi le cas des régimes adiabatiques (l’échange de chaleur avec le milieu ambiant n’a pas le temps de se faire). Il est à noter qu’il faut 2508 s ( 42 mn) pour atteindre une variation de température de 30°C pour 40 litres d’eau avec une puissance de chauffe de 3 kW. En passant dans le domaine de Laplace, l’équation (2) permet d’établir la fonction de transfert ci-dessous : Hbain_cuve (s) = P(s) q(s) Hbc (s) = 1 mCs (5) 2.3. Modélisation de la résistance de chauffe et du relais statique Une résistance électrique assure le chauffage à l’intérieur de la cuve, un relais statique permet de moduler la puissance dissipée dans l’eau. Le relais statique est un gradateur monophasé qui laisse passer la tension pendant un nombre entier de périodes p et il bloque ensuite la tension pendant p’ – p périodes cf figure (3). Les intervalles de conduction se répètent périodiquement. La période de conduction est égale ou supérieure à une période du réseau. La valeur efficace du courant est alors donnée par : I 2 = 1 2p p' i2 (q)dq 0 2p p ò I 2 = 1 2p p' V 2 R sinq æ è ç ö ø ÷ 2 dq 0 2p p ò (6) Soit son expression finale : I = V R p p' = V R a = Imax a (7) On appelle tc = Tc la durée de fermeture du relais statique. Tc étant la période des trains d’ondes envoyés à la résistance de chauffe.  égal à p/p’, appelé le rapport cyclique, varie entre 0 et 1. Sonde Pt100 - P(s) Correcteur Sortie PWM Température Bain + Consigne Température Résistance Yr(s) Régulateur YOKOGAWA Process Relais statique Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 31 Figure 3 : Tension aux bornes de la résistance de chauffe Si P est la puissance active fournie à la résistance chauffante et Pmax la puissance maximale fournie à celle-ci, donc quand le gradateur fonctionne pleine onde, soit pour  = 1, il vient : P= RI 2 = aPmax (8) La sortie du régulateur délivre une tension continue Uc grâce à laquelle le relais statique règle la valeur de tc et telle que : Uc = btc (9) L’expression de la fonction de transfert modélisant le relais statique monophasé en fonction de , Pmax et Tc est donnée par l’équation (8) : Hrelais_statique (s) = Hrs (s) = Pmax bTc (10) 2.4. Modélisation de la chaîne de retour La chaîne de retour est constituée d’un capteur et d’un transmetteur qui permet d’élaborer un signal image de la mesure. La mesure de la température s’effectue par une sonde PT100 qui est très utilisée dans l’industrie. La sonde PT100 utilise comme principe physique la variation de résistance du platine pur en fonction de la température. Sa plage d’utilisation est de – 260°C à 1400°C. La fonction de transfert de la chaîne de retour peut être mise sous la forme : Hcapteur _transmetteur = Hct (s) = Kct e -sLct (11) Avec Lct retard pur et Kct gain statique capteur- transmetteur. 2.5. Fonction de transfert en boucle ouverte La fonction de transfert en boucle ouverte non corrigée est le produit des fonctions de transfert. Hbo (s) = Hbc (s)Hrs (s)Hct (s) (12) 3. Identification La cuve est remplie de 40 litres d’eau à température ambiante. L’identification en boucle ouverte du système se fait à partir de la réponse temporelle avec une entrée échelon de 0 à 20%, la réponse du système est assimilable à un système intégrateur. Un système intégrateur est caractérisé par le fait que sa sortie augmente jusqu’à saturation, alors que l’entrée reste constante (figure 4). On constate que la réponse du système ne démarre pas en même temps que l’entrée, mais elle possède un retard. Figure 4 : Réponse indicielle en boucle ouverte avec en rouge l’entrée échelon et en bleu la température On retient alors deux modèles : celui proposé par Broïda ou Ziegler Nichols rappelé dans [1] Hbo = ke-sL s (13) et celui proposé par Strejc-Davoust Hbo = ke-sL s(1+ sT)n (14) Où k est le gain dynamique et L le temps mort. L’identification par le modèle de Broïda ou Ziegler Nichols consiste à tracer l’asymptote quand t . La pente de l’asymptote vaut K.y et elle coupe l’axe des abscisses à t = L. La recherche d’un modèle de Ziegler Nichols conduit alors à la fonction de transfert suivante :

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La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 5 La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx Azzedine BOUDRIOUA Professeur à l’Université Paris 13 Vice-Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ La fibre optique est incontournable dans toute politique de développement Bien que le secteur des télécommunications a connu ces dernières années un ralentissement à l’instar de la situation économique globale, les professionnels du domaine prévoient un développement majeur dans les quelques années à venir. Cette croissance est notamment favorisée par le besoin croissant de communication, l’accès à tous aux sources de l’information : Internet, trafic audio et vidéo … Par ailleurs, même si le développement de réseaux de transport longue distance à base de fibres optiques a connu une pause, les applications dans les réseaux métropolitains et dans une certaine mesure dans l’accès, sont en augmentation. Dans ce contexte, l’industrie des composants optoélectronique s’oriente progressivement vers une production de volume, avec une baisse annuelle des prix importante (20 à 25 % sur ces dernières années). De même, alors que les composants actifs (sources, détecteurs et amplificateurs) étaient la partie la plus importante d’une liaison optique, la généralisation des systèmes WDM (Wavelength Division Multiplexing) et DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) a mis sur le devant de la scène les composants passifs de type filtres, multiplexeurs, compensateurs … De ce fait, la tendance actuelle est de vouloir intégrer pour des raisons de coût et d’efficacité le maximum de fonctions actives et passives ; d’où une approche hybride permettant au besoin d’associer des fonctions optoélectroniques. On note également, une migration de la part des fabricants vers les sous-systèmes. Par exemple, les éléments qui composent un amplificateur optique sont la fibre dopée, le laser de pompe, l’égalisateur de gain ainsi que d’autres composants passifs (filtres, isolateurs). Les besoins de composants intelligents, reconfigurables et commandables sont clairement exprimés, afin de rendre le réseau programmable et dynamique. Plus particulièrement, le déploiement du réseau de télécommunications à haut débit (10 Gb/s, 40 Gb/s et au- delà) nécessite le développement de nouveaux composants et architectures optoélectroniques adaptés à ces vitesses de transmission. L'extension de la bande passante utilisable est également un enjeu important et concerne à la fois, l'élargissement de la bande C (C++ ) et la couverture des bandes L et S par des amplificateurs adéquats. En optimisant les filtres d'égalisateur de gain, des bandes passantes dépassants 40 nm sont possibles avec un bruit en dessous de 6 dB. Les enjeux stratégiques et économiques de ces développements découlent notamment de la nécessité de disposer de composants et d’outils économiquement viables (en matière de bas coûts de production et d’utilisation). Résumé : Ces dernières décennies, les télécommunications optiques ont connu un développement sans précédent dû, notamment, à l'explosion de l'Internet. Ce développement est le fruit d'un grand effort de recherche et de développement dans le domaine de l'optique guidée qui a conduit à l'amélioration des performances des fibres optiques et la mise au point des composants optoélectroniques nécessaire pour générer la lumière, la détecter, la moduler ou la commuter. Les recherches et développement menés dans ces domaines ont permis de rendre disponible sur le marché des composants optoélectroniques de tout genre à des coûts faibles. De ce fait, d'autres applications dans des domaines divers ont vu le jour. En effet, de nos jours l'utilisation de l'optique touche des domaines stratégiques comme le spatial et le militaire ainsi que des domaines de la vie de tous les jours comme le stockage de données, la médecine et bientôt des secteurs jusque-là insoupçonnés comme l'automobile. La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 6 Dans ce contexte, on ne peut plus concevoir un développement économique sans réseaux à fibres optiques. La recherche d’aujourd’hui ce sont les emplois demain Le développement du réseau FTTx est une réalité L’énorme développement du FTTx (Fiber To The x : x peut signifier Home, Builing, Office, …) est sans doute le secteur le plus prometteur ces dernières années. Par exemple, en FTTH, le nombre d’abonnés ne cesse de croitre en France (plus de 2 millions d’abonnés) et dans le monde et plusieurs fournisseurs proposent des solutions à 1 Gbit/s depuis de nombreuses années. L'importance croissante du FTTA (Fiber to the antenna) tiré par la 4G montre qu'il y a convergence plus que concurrence entre les réseaux optiques et les réseaux de mobiles. En France, le déploiement des réseaux de nouvelle génération à Très Haut Débit représente un enjeu industriel et économique majeur dans le cadre du Plan France Très Haut Débit lancé par le gouvernement en 2013. L’objectif est de déployer le très haut débit sur l’ensemble du territoire d’ici 2022. Un grand chantier nécessitant un investissement de 20 Milliards €. Il est notamment prévu une augmentation de la demande de main d’œuvre qualifiée avec la montée en charge des travaux à partir de 2015. Les projections des volumes d’emplois et de formation à mobiliser d’ici 2020 se comptent par plusieurs dizaines de milliers : - la mobilisation de 20000 emplois (ETP) pour assurer le déploiement de la fibre dans le bâti (immeubles et maisons individuelles), - la réalisation de 31650 formations pour accompagner la montée en compétences de ces emplois. L’état s’appuie sur l’expertise des opérateurs et des industriels, structurés dans différents groupes de travail : Objectif Fibre, Interop, le CREDO, FIRIP …D’ors et déjà 9 centres de formation FTTH référencés par Objectifs Fibre cadrent le territoire national. Ces groupes de travail ont pour objectif de définir des référentiels techniques partagés, édités sous forme de guides pratiques de portée nationale, traitant de l’ensemble des règles de déploiement de la partie terminale d’un réseau en fibre optique. Ailleurs, la tendance est la même et certains pays ont pris une avance considérable par rapport à la France. De même, en 2014, les gouvernements allemand et italien annonçaient le déploiement de réseaux très haut débit En janvier 2015, Barak Obama (USA) souligne que le déploiement de la fibre optique dans les zones rurales est une priorité de la fin de son mandat. Les 9 centres de formation FFTN référencés par objectifs Fibre Le très haut débit et la fibre optique Le déploiement des réseaux de nouvelle génération à Très Haut Débit représente un enjeu industriel et économique majeur pour la France (Plan France Très Haut Débit) et pour le monde entier. Rappelons que généralement le très haut débit consiste à offrir aux usagers un débit supérieur à 30 Mbits/s (texte européen). Les besoins concernent aussi bien la transmission des données (voix, vidéo, la télévision l’Internet), les jeux en ligne et en réseaux, le téléchargement, la téléphonie mobile 4G, le télétravail, la télémédecine et la télé-sécurité pour ne citer que ces secteurs. Cependant, il est pratiquement impossible de transmettre du très haut débit (> 30 Mbits/s) sur la majorité des lignes existantes de la boucle locale cuivre. Cela est dû à l’augmentation des pertes en fonction de la fréquence et de la distance. Aussi, on assiste depuis de nombreuses années à un passage progressif sans ou avec mesures d’accélérations/incitations vers le très haut débit et la fermeture programmée et rapide du réseau cuivre avec incitation au passage du cuivre à la fibre. Au niveau européen, on note la recommandation for Next Generation Access qui prévoit un délai de prévenance de 5 ans pour les opérateurs historiques. La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 7 Cette étude, réalisée par les cabinets Ambroise Bouteille & associés et IDATE Une des voies prometteuses pour le développement de nouvelles générations de réseaux optiques concerne sans doute les réseaux tout-optiques ainsi que les réseaux optiques de données (paquets). Le remplacement dans les réseaux des transpondeurs par des régénérateurs optiques pourraient contribuer à réduire le coût du système. De plus, la réduction de l’intervention de l’électronique dans le système est plus favorable à une intégration et une miniaturisation. Cet avantage devrait être de plus en plus important au fur et à mesure que le débit augmente. Le “graal” serait bien évidemment de pouvoir disposer d’une ligne de transmission totalement optique où la lumière est manipulée par la lumière. En conclusion, Le déploiement du réseau optique FFTx est une réalité. Il constitue un phénomène durable et ce n’est que le début … Au niveau français, il y a incontestablement un retard relativement important à rattraper mais les chantiers lancés ces dernières années par les pouvoirs publics et l’implication des industriels du secteur sont en train de changer la donne. Il reste néanmoins à prendre des décisions audacieuses à temps pour répondre efficacement au besoin croissant et rapide de la demande en débit que la planète entière connaitra dans les quelques années à venir. Quelques références [1] R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical networks: practical perspective, second edition. [2] Zeno Toffano, composants photoniques et fibres optiques, Ellipse Edition Maketing 2001. [3] Paul Vaugel, Technology for next generation core and metro networks, Telscom version1, octobre 31th 2002. [4] Steven Gabarró, Maurice Khauv, Multiplexage en longueurs d’onde denses, EPITA, MMA 2002, pp 1-14. [5] FTTH. [6] N. M. SAAD, ‘Contribution à l'étude de l'application de la technique CDMA aux systèmes de transmission optique, thèse en télécommunications des hautes fréquences et optiques, université de Limoges, 2005. [7] S. Song, W. Laurier , An overview of DWDM networks IEEE Canadian Review- Spring / Printemps 2001, pp 15-18. [8] W.Laurier, Le DWDM et les réseaux à intégration de l'avenir, IEEE Canadian Review - Summer / Été 1999, pp 1-4. [9] Les Fibres optiques, Dossier technique, Thème d’autonomie 1999.

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Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation Pierre LECOY, Professeur à Centrale Supélec, chercheur au laboratoire ETIS (CNRS UMR 8051, ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE) Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ 1. Introduction Maîtrisées industriellement dès la fin des années 1970, les fibres optiques ont connu un développement spectaculaire en télécommunications et dans les réseaux, depuis les réseaux locaux et embarqués (voir l’article de Jean-Michel Mur sur les fibres optiques dans l’automobile) jusqu’aux réseaux longues distances et intercontinentaux, en passant par toutes les variantes du FTTx (fiber to the … home, building, office, etc… ). Au cœur de l’explosion d’Internet et de l’accès de plusieurs milliards d’êtres humains aux échanges numériques, y compris à travers les réseaux de mobiles dont elles constituent l’infrastructure fixe, les fibres optiques apportent leur contribution à la green IT grâce à une meilleure efficacité énergétique et à l’utilisation de matériaux disponibles et peu polluants. Mais la disponibilité à faible coût des technologies fibres optiques (et des composants associés) grâce au secteur des télécom, a ouvert la voie à d’autres utilisations, notamment dans les capteurs et l’instrumentation de mesure, qui ont fait l’objet de nombreux travaux théoriques et expérimentaux dès les années 1980. La principale motivation provenait des avantages spécifiques des fibres optiques, bien connus dans le domaine des communications, et qui sont particulièrement intéressants pour des applications instrumentales qui doivent fonctionner dans des conditions difficiles et/ou être intégrées dans des systèmes ou dans des structures :  la faible perturbation apportée par les fibres optiques qui sont légères, de petite taille, non sujettes à la corrosion, ne conduisant ni l’électricité ni la chaleur ;  leur sécurité intrinsèque (absence de courants électriques), cruciale dans les applications médicales ou industrielles, et leur insensibilité aux parasites électromagnétiques, leur permettant de fonctionner de façon fiable dans des milieux fortement perturbés ;  la possibilité qu’elles offrent d’analyser à distance, et avec une haute résolution spatiale, des milieux d’accès difficile ou dangereux (certains matériaux permettant le fonctionnement dans des environnements fortement radiatifs) ;  la possibilité d’alimenter électriquement le capteur par la fibre optique elle-même (ou une deuxième fibre dédiée) transportant une puissance lumineuse (fournie par un laser), convertie par un petit récepteur photovoltaïque (technique de l’opto- alimentation, permettant de faire des capteurs totalement isolés) ;  et enfin, la possibilité d’utiliser la fibre optique elle-même comme élément sensible à un certain nombre de grandeurs physiques. On peut ainsi constituer des capteurs distribués ou des réseaux de capteurs, dans lesquels la fibre optique sert à la fois d’élément sensible et de support de transmission. Cependant, après une phase de foisonnement dans les laboratoires dans les années 1980 – 1990, seuls certains capteurs à fibres optiques ont atteint la maturité technologique. C'est le cas de ceux où la fibre optique améliore un système de mesure existant sans modifier son principe, mais surtout lorsque la fibre optique permet d'instrumenter l'ensemble d'un système, d'une structure ou d'un matériau en s'y intégrant. Ce n'est plus alors un capteur au sens d'un composant isolé, mais un élément d'un véritable système intelligent. De plus, le développement de la photonique Résumé : Dès l’apparition des fibres optiques il y a près de 40 ans, leur utilisation dans le domaine des capteurs et de l’instrumentation a constitué un thème majeur et particulièrement inventif de la recherche aussi bien académique qu’industrielle. Sans atteindre le volume de marché des télécoms et des réseaux, les capteurs à fibres optiques n’en sont pas moins devenus une réalité industrielle dans des domaines très variés (génie civil, énergie, aéronautique, automobile, médical, sécurité, production industrielle …). Cet article expose les principes et les applications des capteurs à fibres optiques les plus utilisés. Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 9 sur silicium permet de réaliser des microsystèmes intégrant un capteur optique, les interfaces opto- électroniques et les circuits de traitement. 2. Instrumentation de mesure optique à fibres Il s’agit de mesures optiques faites à distance par l’intermédiaire de fibres optiques qui jouent un rôle passif, mais apportent de grands avantages de mise en œuvre : accessibilité, haute résolution spatiale, possibilité de cartographie par déplacement du point de mesure, sécurité ... Certains de ces concepts sont relativement anciens, mais ils ont bénéficié des progrès technologiques et des baisses de coût de l’optoélectronique. De nombreuses applications sont opérationnelles :  physico-chimie : mesure du pH, colorimétrie, réfractométrie, spectroscopie infrarouge et Raman, vélocimétrie Doppler, absorption infrarouge caractéristique d’une espèce chimique à détecter, fluorescence (temps de décroissance et spectre), avec de nombreuses applications industrielles et médicales ;  mesure de température par pyrométrie (analyse du rayonnement du corps noir): compte tenu du spectre de ce rayonnement, essentiellement situé dans l'infrarouge, on peut le transmettre par des fibres optiques de silice si la température est supérieure à 300°C, et par des fibres en verres fluorés dès la température ambiante ;  d’autres types de mesures de température par la réponse optique (absorption, réflexion, photoluminescence, fluorescence … ) d’un matériau placé en bout de fibre, depuis les températures cryogéniques (quelques milli-Kelvin) jusqu’à plusieurs centaines de degrés ;  sans oublier l’endoscopie utilisée depuis longtemps en médecine, mais aussi dans l’industrie, le génie civil, l'archéologie ... même si la miniaturisation des caméras fait reculer son marché. Des applications plus spectaculaires ont également été développées pour les détecteurs de particules, ou pour l’optique adaptative en astronomie, où la phase de la lumière peut être contrôlée dans les fibres optiques. 3. Les capteurs à fibres optiques Cette appellation correspond en principe aux capteurs où le phénomène physique agit directement sur la matière ou la structure de la fibre optique, qui peut avoir été modifiée pour être sensible à la grandeur à mesurer, ou au contraire être une fibre télécom standard. Les frontières ne sont bien entendu pas étanches entre ces catégories. Une première famille de capteurs, développée dans les années 1980, utilisait les défauts constatés dans les premières liaisons à fibres optiques, notamment leur sensibilité aux courbures et aux micro-courbures, ou aux défauts d’alignement dans les connecteurs. Leur avantage, essentiellement économique, est d’utiliser des fibres et des composants d’extrémité disponibles et peu coûteux, et d’être de principe très simple au niveau du traitement du signal, puisqu’il s’agit de détecter les variations de puissance lumineuse transmise. Ils ont trouvé des applications dans des systèmes industriels ou de sécurité, lorsqu’une haute précision n’est pas requise (détection, comptage ... ). Par exemple :  capteurs de micro-déplacements (longitudinaux ou angulaires) par des techniques de type filtrage spatial au raccordement de deux fibres, ou en réflexion à l'extrémité, pouvant être utilisés en capteurs de force ou transducteurs de vibrations ;  mesure d’indice du milieu extérieur par l’intermédiaire du coefficient de réflexion de Fresnel en bout de fibre, utilisée pour la mesure de niveau ou le comptage de bulles;  pertes sous courbure ou microcourbures dans une fibre optique soumise à des contraintes ; couplée à la réflectométrie temporelle (OTDR), cette méthode a permis la localisation de contraintes dans les structures où la fibre est intégrée, mais n’étant pas très fidèle et fragilisant la fibre, elle a disparu au profit des capteurs Bragg et Brillouin décrits plus loin. 4. Capteurs de type interférométrique Ces capteurs sont, eux, basés sur des techniques cohérentes : analyse de la phase, de la fréquence ou de la polarisation de la lumière, principalement dans les fibres optiques monomodes (des capteurs utilisant les interférences entre modes dans les fibres multimodes ont été expérimentés mais sont restés à l’état de prototypes). Ils sont beaucoup plus sensibles que les précédents et ne compromettent pas la fiabilité de la fibre optique, mais sont de mise en œuvre plus délicate et nécessitent des traitements du signal pour obtenir des Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 10 mesures absolues (et non relatives) et séparer les effets des différentes grandeurs physiques d’influence (notamment la température). Un des plus anciens capteurs de cette catégorie est basé sur l'interféromètre de Mach-Zehnder constitué de deux bras qui sont deux fibres monomodes (ou deux guides en optique intégrée) de longueurs L identiques (figure 1). Le déphasage  entre bras de mesure et bras de référence va être dû à l’allongement d'un bras ou à la variation d'indice n, elle-même due le plus souvent à la variation de température T ou à une pression différentielle P (par photoélasticité). Dans le montage classique à fibres et à deux coupleurs, le récepteur reçoit une intensité modulée par cos2  ; la phase est mesurée à π près et on doit lever l'ambiguïté (par une mesure à deux longueurs d'onde par exemple). Le deuxième montage, qui peut être fait en optique intégrée, crée des franges d'interférence entre les faisceaux sortant des deux guides qui défilent ; on peut ainsi les compter et surtout détecter leur sens de variation. La principale application qui a été développée est le capteur acoustique, de grande bande passante, utilisé dans les hydrophones. Il s'agit là d'une mesure dynamique et différentielle. Des capteurs chimiques de ce type ont également été réalisés, surtout en optique intégrée, en utilisant la variation de l'indice effectif dans le bras de mesure, sous l'effet d'un corps chimique à son contact. L'interféromètre de Michelson, construit sur un coupleur en X à fibres monomodes ou en optique intégrée sur silicium, permet les mêmes mesures, mais est surtout intéressant pour les mesures de déplacements micrométriques relatifs, par interférométrie en lumière non cohérente. L'interféromètre de Fabry Pérot est constitué de deux miroirs parallèles espacés de L intégrés entre deux fibres optiques, ou face à une fibre optique (dont la face de sortie constitue l’autre miroir de la cavité ce qui permet d’exploiter le capteur en réflexion, facilitant l’accessibilité du point de mesure. Par résonance de la cavité Fabry-Pérot, la puissance est maximale pour un peigne de longueurs d'onde vérifiant : = 2 n.L/p où p est entier, et n l’indice de la fibre (ou du matériau entre les fibres). La source est donc non cohérente et fonctionne en continu. L’analyse du spectre, qui peut être faite dans un interféromètre de Fizeau comme dans la technologie WLPI d’Opsens (figure 2), permet d’en déduire le déplacement (ou la variation de pression externe qui l’a provoqué), ou, pour d’autres applications, la variation de l’indice du matériau séparant la fibre et le miroir, et d’en déduire suivant le cas, les variations de température ou de composition chimique. Comme dans les interféromètres précédents, il s’agit d’une mesure indirecte, et le conditionnement du capteur doit être conçu et étalonné pour remonter sans ambiguïté à la grandeur à mesurer. Figure 2. Interféromètre de type Fabry-Pérot utilisé par la technologie WLPI de la socitété Opsens. (Document FTMesures) Figure 1. Interféromètre de Mach Zehnder à fibres ou guides optiques (P. Lecoy) Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 11 L’interféromètre de Sagnac ou interféromètre en anneau est principalement utilisé dans le gyroscope à fibre optique, qui est le plus ancien des capteurs à fibres optiques (le premier démonstrateur date de 1976), à la source d'une intense activité scientifique et industrielle. Il s’agit à la base d’un gyromètre (mesure d'une vitesse de rotation), qui mesure par interférométrie le déphasage entre les deux sens de propagation sur la même fibre optique montée en anneau. L’influence de la température est alors compensée et seuls les effets non réciproques sont détectés. Si le montage tourne autour d'un axe perpendiculaire au plan de la fibre, le déphasage  est proportionnel à la vitesse de rotation Ω :  = c .NS.8   où S est la surface de la boucle et N est le nombre de tours, qui peut être très grand, ce qui permet des précisions et des fidélités qui atteignent 10-5 degrés/h. En assemblant 3 capteurs selon 3 axes, on peut faire un gyroscope (mesure et conservation d'une direction) beaucoup plus compact et robuste que les centrales inertielles. Enfin, d’autres capteurs interférométriques sont basés sur la variation de polarisation dans la fibre optique, qui peut être provoquée par des contraintes non isotropes (biréfringence due à la photoélasticité) ou à un champ magnétique longitudinal (effet Faraday, à la base notamment de capteurs de courant). Du fait de leur complexité et de la difficulté de les exploiter à distance, ils n’ont pas été très développés. Capteurs à réseaux de Bragg Un des capteurs à fibres optiques les plus répandus actuellement est le capteur à réseau de Bragg (FBG, Fiber Bragg Grating), photoinscrit dans la matière du cœur de la fibre. Cette technologie, apparue dans les années 1990, consiste en une modulation périodique et longitudinale de l'indice de réfraction du cœur d’une fibre monomode, de période spatiale , qui provoque la réflexion de la longueur d’onde  correspondant à des interférences constructives entre les ondes réfléchies (figure 3) :  = 2 .n1eff où n1eff est l’indice effectif moyen du cœur de la fibre Cette technologie a été développée pour les communications sur fibres optiques, où elle permet de réaliser des filtres, des multiplexeurs en longueur d’onde, ou encore des compensateurs de dispersion chromatique avec des réseaux chirpés (c'est-à-dire de pas variant lentement le long de la fibre). Elle est maintenant bien maîtrisée et les réseaux photoinscrits présentent une longue durée de vie sous illumination. Très rapidement, elle a fait l’objet de développements pour les capteurs, notamment en France au CEA. En effet, lorsque la fibre subit un allongement relatif , qui augmente , on observe une variation de la longueur d'onde réfléchie :   = K. + T, où le coefficient K, voisin de 0,8, est dû à la photoélasticité qui diminue légèrement neff, et T est la variation de température qui fait aussi varier l’indice et dilate le verre (d’où le coefficient  de l’ordre de 6.10-6 /°C). Ceci constitue un effet parasite qu’il faut compenser, mais on peut aussi mesurer la température par cet intermédiaire. On peut mesurer cette variation de longueur d’onde à distance avec une parfaite fidélité : la longueur d'onde de la lumière réfléchie, contrairement à son intensité ou à sa polarisation, n’est pas modifiée par sa propagation sur la fibre optique. Une mesure de la longueur d’onde à 1 pm près correspond à un allongement relatif de 0,8.10-6 ou à une variation de température de 0,1°. Une méthode simple pour séparer ces grandeurs consiste à utiliser deux capteurs soumis à la même température, seul l’un d’eux subissant l’allongement. Figure 3. Principe du réseau de Bragg. Document Xblue, projet HOBAN Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 12 Ces capteurs, exploités en réflexion, se prêtent bien à une mise en série en décalant les plages de longueur d’onde des différents FBG, et en les interrogeant par réflectométrie avec une source large spectre ou un laser à balayage rapide en longueur d’onde. On réalise ainsi un capteur multipoints (ou distribué) pouvant associer plusieurs dizaines de capteurs élémentaires le long d’une fibre unique. Leur intérêt essentiel est leur facilité d'intégration le long de la fibre, ainsi que leur cadence de lecture élevée (plusieurs kHz). Ils sont très employés pour la surveillance des structures aéronautiques et nucléaires, machines électriques, bâtiments (même des monuments historiques grâce à leur caractère peu invasif), ouvrages de génie civil, digues, mines, ouvrages souterrains ... 5. Capteurs répartis Raman et Brillouin Cette dernière catégorie de capteurs a pour particularité d’utiliser comme élément sensible la fibre optique elle-même, et d’en faire un capteur continûment sensible donnant un profil de température et/ou de contraintes le long de son parcours, avec l’équivalent de plusieurs milliers de points de mesure élémentaires, ce nombre dépendant en fait de la résolution de la technique d’interrogation. En contrepartie, ils sont plus complexes à exploiter que les réseaux de Bragg, et le temps d’interrogation est plus long (de l’ordre de la minute). Ils sont basés sur les phénomènes de diffusion (scattering) Raman et Brillouin, habituellement classés dans l’optique non linéaire, qui sont en fait des interaction photon - phonon, c'est à dire un échange d'énergie entre une onde optique et les vibrations des liaisons moléculaires du matériau (figure 4). Figure 4. Diffusion Raman et Brillouin (cité par P. Ferdinand) Dans l’effet Raman, lorsqu'une onde pompe de fréquence p interagit avec un matériau, certains photons perdent une partie de leur énergie hp au profit d'un phonon, particule associée à la vibration de fréquence  qui apparaît dans la matière. Ils sont alors diffusés avec une énergie plus faible, autrement dit une longueur d'onde plus élevée, et constituent une onde Stokes de fréquence : s = p -. Le décalage de fréquence  ne dépend que du matériau, et pas de la longueur d'onde pompe. Le spectre de l’onde Stockes est caractéristique de la composition chimique et du caractère ordonné ou désordonné de la matière, ce qui en fait une méthode d’analyse chimique connue et pratiquée depuis longtemps. La silice présente ainsi un spectre continu relativement large, avec un pic caractéristique à 490 cm-1 . En sens inverse, quelques phonons créés par agitation thermique vont céder leur énergie à des photons, qui vont diffuser sous forme d'une onde anti- Stokes de fréquence : a = p +  donc une longueur d'onde plus faible. Le rapport d’amplitude entre les raies Stokes et anti-Stokes vaut : exp h. kT Il ne dépend que de la température, ce qui permet d'utiliser ce phénomène pour connaître la température de la fibre au point de mesure avec une très grande fidélité et une précision de l’ordre de 0,1°C. La localisation de ce point est faite par la classique réflectométrie temporelle (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry basée sur le décalage temporel entre l’impulsion émise et la réponse, mesurée simultanément aux 2 longueurs d’ondes Stokes et anti- Stokes) ou, pour une plus haute résolution (mais une portée plus courte), par réflectométrie fréquentielle (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) où le laser est modulé en longueur d'onde (sous forme d'une rampe ou chirp) au lieu d'émettre des impulsions. C’est le décalage de longueur d’onde entre la lumière émise et la lumière rétrodiffusée qui permet de connaître la distance. Cette méthode est maintenant utilisée industriellement pour détecter et localiser des points chauds (ou froids, en cas de fuite de gaz par exemple) le long des lignes d’énergie ou de tubes transportant des fluides. La diffusion Brillouin suit un mécanisme de même nature que la diffusion Raman, mais l'interaction se fait avec des phonons acoustiques, c'est à dire des vibrations du matériau provoquées par l’intensité de la lumière, et s'y propageant avec la vitesse Va des ondes acoustiques, de plusieurs milliers de m/s dans le verre. On observe principalement une rétrodiffusion Brillouin (en sens inverse) avec un changement de fréquence B Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 13 déterminé par l'accord de phase entre les ondes optique et acoustique : B = 2p c n Va qui est de l’ordre de 10 à 13 GHz dans les fibres de silice. Ce phénomène est principalement utilisé en capteurs, où la variation du décalage de fréquence B, de 10 à 100 MHz, est due aux variations de température ou aux contraintes qui modifient Va. Pour séparer ces deux causes, le câble contient en général deux fibres soumises à la même température, mais l’autre est soumise aux contraintes et l’autre non. Ces variations de fréquence sont mesurées à distance et localisées par une technique de réflectométrie adaptée (battement entre la rétrodiffusion Rayleigh, qui n’est pas décalée en fréquence, et la rétrodiffusion Brillouin). Récemment de nombreux capteurs répartis de ce type ont été installés le long d’ouvrages d’art, de réseaux de transport d’électricité ou de gazoducs, de sites industriels, d’enceintes de confinement nucléaire ... 6. Conclusion Les capteurs à fibres optiques ont démontré leurs avantages : immunité électromagnétique, faible intrusivité, fonctionnement en environnement difficiles, aptitude à la mise en réseau et aux concepts de capteurs distribués et répartis. 40 ans après l’apparition du gyromètre à fibres optiques, grâce aux progrès des technologies optiques mais aussi électroniques (traitement du signal), et sont devenus une réalité industrielle dans de nombreux domaines : surveillance des structures, transport, énergie, sécurité, contrôle industriel … dans un contexte économique mondial qui a fortement évolué, la Chine et l’Asie en général rattrapant les acteurs historiques (Europe, Amérique du nord et Japon). 7. Quelques références H. Lefèvre, The Fiberoptic gyroscope, Artech, A993 E. Udd, Fiberoptic sensors, CRC Press, 2006 P. Ferdinand, Réseaux de capteurs à fibres optiques, Mesures et multiplexage, Techniques de l’Ingénieur, R 460v2, mars 2008 P. Ferdinand, Réseaux de capteurs à fibres optiques, Applications, Techniques de l’Ingénieur, R 461, sept. 2008 P. Ferdinand, La saga des Capteurs à Fibres Optiques depuis 35 ans, Colloque 2013 du Club CMOI « Contrôles et Mesures Optiques pour l’Industrie » de la Société Française d’Optique, 18-21 nov. 2013, Orléans P. Lecoy, Communications sur fibres optiques, Lavoisier-Hermès, 2014 Laboratoires et entreprises impliquées http://www.ifsttar.fr/ (université de Marne la Vallée) http://www.xlim.fr/ (université de Limoges) http://laboratoirehubertcurien.fr/ (université de St Etienne) http://www-leti.cea.fr/ https://www.ixblue.com/ https://www.hbm.com/fr/ http://www.ftmesures.com/ http://www.cementys.com/ http://www.idil-fibres-optiques.com/

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Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 14 Les fibres optiques dans l’automobile Jean-Michel MUR Président d’honneur du Club fibres optiques & réseaux Société française d’optique Jm.mur@orange.fr Proche de nous mais déjà loin le temps où le premier réseau en fibre optique en plastique prenait place dans nos automobiles. C’était en 1998, via le réseau D2B (domestic dual bus) qui a équipé nombre de véhicules luxueux avec le constructeur pionnier Mercedes suivi par Jaguar, Peugeot 604, etc. Ce réseau largement installé est désormais obsolète. L’aventure a connu, en 2001, byteflight, le réseau exclusif de BMW, créé en partenariat avec Motorola et Infineon. Byteflight, qui a commencé par équiper les BMW Série 7, a tiré sa révérence, lui aussi. Dans le même temps, sont arrivés les premiers réseaux MOST 25 (media oriented systems transport) à 25 Mbit/s. Puis l’industrie automobile a installé les MOST 50 à 50 Mbit/s et, en parallèle, l’IDB-1394 (intelligent transportation system data bus) qui, via le port Customer convenience port (CCP), est la version pour l’automobile du standard 1394 de l’association américaine IEEE. Plusieurs amendements plus tard sur ce standard, en 2008, a été avalisée la nouvelle version « 1394-2008 - IEEE Standard for a High-Performance Serial Bus ». Et les évolutions s’ensuivirent… 1. De nos jours, quels protocoles ? Trois protocoles principaux sont présents sur ce marché : le MOST 150, l’IDB-1394 et Ethernet ; le leader étant MOST avec plus de 200 modèles d’automobiles différents et plus de 200 millions de nœuds livrés depuis 2001. En 2012, est arrivée la version MOST 150 qui doit son nom à son débit de transmission de 150 Mbit/s. C’est l’évolution des premiers réseaux en anneau MOST 25 puis MOST 50, avec deux apports clés : un canal pour Ethernet et la montée en débits. MOST 150 intègre un canal Ethernet avec une largeur de bande variable – MOST Ethernet Packet (MEP) – pour supporter les trames Ethernet en sus des trois canaux classiques pour le contrôle des messages, les données en flux continu et les données en paquets. La demande de débits de plus en plus élevé provient de l’inflation des applications dont celles en vidéo avec multi-écrans qui sont très gourmandes en bande passante. Cette montée en débits semble un point positif pour le MOST 150. En fait, c’est une course pour rattraper les 200 à 800 Mbit/s de l’IDB-1394 – avec un maximum futur de 3,2 Gbit/s – et la montée du 100 Mbit/s de l’Ethernet vers l’attendu 1 Gbit/s du Gigabit Ethernet (GbE). Un point noir supplémentaire pour le MOST 150, la nécessité de faire appel à des Codec – et aux coûts associés – pour la compression et décompression des informations multimédia. Pour les réseaux IDB-1394, l’automobile n’est qu’un des marchés couverts car on rencontre IEEE 1394 aussi en audio-vidéo, avionique, défense, capteurs… à un point tel qu’en octobre 2015, le groupement d’industriels intitulé 1394 Trade Association a été dissous en estimant que les marchés et le protocole étaient devenus matures. IDB-1394 a comme principales caractéristiques la transmission des données dans les modes asynchrone et isochrone, soit en temps réel, sur des bus en transmission parallèle à 32 ou 64 bits ; les débits, du simple 100 Mbit/s au très haut débit de 3,2 Gbit/s ; le support physique qui peut être en paires torsadées blindées (shielded twisted pair – STP), en quatre paires (shieldedt wisted quad – STQ), en coaxial en cuivre ou en fibre optique en plastique ou en silice. Ce protocole gère, bien évidemment, la notion de multiples canaux de transmission et de multi-utilisateurs, le tout en simultané sur le même bus ou sur une topologie en arbre, en étoile ou en anneau. À noter, que cette norme IEEE 1394-2008 devrait évoluer en 2016. Quant à la pieuvre Ethernet, avec ses ramifications dans tous les types de réseaux, elle se devait de se créer une place dans l’automobile. Le démarrage a été poussif et peu de constructeurs sont friands de ce protocole pour trois raisons : le débit limité à 100 Mbit/s, le câblage en paires torsadées catégorie 5, lourd et onéreux, et la qualité de service (QoS), autre point noir car nécessitant du logiciel et des mémoires- tampons supplémentaires. Après diverses remises en question, certains annoncent qu’il se pourrait que l’année 2016 soit celle où « Automotive Ethernet » puisse prendre la forme d’une dorsale pour les réseaux des véhicules grâce à l’arrivée du 1 GbE sur une simple paire torsadée. D’autres experts sont dubitatifs pour deux raisons : la norme définissant le GbE sur fibre optique plastique est en cours de développement par le groupe de travail IEEE P802.3bv « Gigabit Ethernet over plastic optical fiber tasktorce », elle n’est attendue Résumé : Présente dans nos véhicules depuis une bonne quinzaine d’années, la fibre optique en plastique puis en silice tisse ses réseaux. Protocoles, applications et produits, où en sommes-nous aujourd’hui ? Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 15 que pour le premier trimestre 2017 et, par ailleurs, lors de la 16e conférence de connexité MOST en Asie, en novembre 2015, deux annonces clés ont porté sur Linux et le 1 Gbit/s pour MOST. Côté Linux, il a été présenté le fait que le noyau Linux principal intégrera un pilote Linux MOST pour accéder à toutes les données de MOST et prendre en charge les interfaces USB, Media LB et I2C, ALSA (audio), V4L2 (vidéo) et la communication basée sur IP, protocole Internet cf. fig.1 Pour les industriels impliqués dans le MOST, c’est d’autant plus important que le cabinet d’études de marché IHS prévoit que d’ici 2020, la plateforme Open source Linux, avec plus de 40% de part de marché, dominera le marché de l’info-divertissement embarqué, d’où un plan de développement ambitieux cf. fig.2. Fig.1 : Architecture des pilotes Linux (Source : Microchip) Fig.2 : Plan de développement de Linux pour l’automobile (Source : Linux Foundation) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 16 2. Pour quelles applications ? Le vocable associé au mariage fibre optique plastique – automobile est « Technologie multimédia » soit, plus largement, tous les équipements et systèmes qui touchent à l’aide à la conduite, aux diagnostics, à la communication interne au véhicule ou avec l’extérieur ainsi que pour le domaine des loisirs. Sans être exhaustif, on y trouve aussi bien les équipements audio de radio ou CD et haut-parleurs surdimensionnés, lecteurs MP3, équipements vidéo de TV ou DVD avec écrans incorporés aux sièges, de radiotéléphonie GSM, de systèmes de positionnement GPS et de navigation avec voix et images animées, d’aide à la vision avec les radars et caméras de recul, de stockage de données avec la connectique pour les clés USB, d’applications Bluetooth et bien d’autres comme la connexion à Internet. À noter que le standard IEEE 1394:2008 a prévu la protection des contenus transitant par le réseau et des supports type DVD (digital transmission content protection – DTCP). En MOST 150, cette fonctionnalité est complétée, depuis octobre 2015, par la protection supplémentaire apportée par la norme CI+. En américain, l’ensemble du réseau, des équipements et des fonctions est regroupé sous les deux quasi-synonymes in-car entertainement (ICE) ou in-vehicle infotainment(IVI) et, plus globalement, sous le nom in-vehicle network (IVN) faisant ainsi le parallèle avec ce qui se passe dans le domaine de l’aviation commerciale avec in-flight network (IFN) et ses déclinaisons pour le personnel navigant et pour les passagers. Fujitsu va plus loin en considérant le véhicule comme un des éléments du système global d’information cf. fig.3. Fig.3 : Système de transport intelligent (intelligent transport system – ITS) vu par Fujitsu (Source : Fujitsu) 3. Et le cloud ? L’informatique en nuage ou du moins le stockage de données et leurs accès intéressent fortement les constructeurs automobiles mais aussi leurs sous- traitants. Ainsi, l’équipementier Robert Bosch, qui propose déjà aux industriels des offres comme les services eCall ou conciergerie, a annoncé, fin 2015, la mise à disposition de services pour les automobiles connectées tels que les informations, en temps réel, sur les conditions de circulation, le trafic automobile, les conditions climatiques, etc. Il prend exemple sur son concurrent Continental qui a l’offre e-Horizon (electronic horizon) construite en collaboration avec IBM et Cisco cf. fig.4 ou sur l’offre de Delphi qui propose l’application Delphi Connect en s’appuyant sur Azure, la plateforme cloud de Microsoft. Bosch irait même jusqu’à indiquer la localisation exacte de bornes de recharges de véhicules électriques en fonction du niveau de la batterie. Il propose deux modes d’accès pour connecter le véhicule au nuage : le premier, c’est l’intégration de la solution My Spin, qui utilise le smartphone comme pilote, aussi bien sous Apple iOS que sous Android, et qui permet Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 17 aux applications installées sur le téléphone d’être actives sur la console centrale ; le second, c’est l’établissement d’une liaison entre la voiture et le cyberespace via le Connectivity control unit (CCU) de Bosch, un équipement qui contient un module de radiocommunications et qui requiert une carte SIM. 4. Avec quels produits ? Côté support physique, la fibre optique s’implante de plus en plus au détriment des câbles en cuivre grâce à ses qualités intrinsèques : aucun risque d’interférence électromagnétique et insensibilité aux perturbations électromagnétiques, ainsi un cheminement parallèle aux câbles électriques ou proche des moteurs électriques (sièges, vitres, rétroviseurs…) est possible et il n’y a pas cette contrainte pour la conception des faisceaux de câbles ; poids plus faible, environ neuf grammes par mètre contre soixante-dix pour le cuivre ; souplesse d’installation car le diamètre du câble est inférieur à trois millimètres ; débits de transmission plus élevés allant à 1 Gbit/s voire à plus de 3 Gbit/s ; large gamme d’émetteurs-récepteurs, etc. Dès l’origine, la seule fibre optique qui était installée dans l’automobile était une fibre en plastique standard, avec un cœur en PMMA (poly méthacrylate de méthyle) de 970 microns de diamètre et une gaine d’un millimètre (fibre 970/1000) en polymère. Elle est résistante jusqu’à 95 °C, a un affaiblissement linéique d’environ 0,2 dB par mètre lors de transmissions à 650 nanomètres et un rayon de courbure de l’ordre de quinze millimètres. Mais, les fibres optiques en silice unimodales ou multimodales ont leurs supporteurs. Ainsi, en janvier 2009, la norme IEEE 1394 a été complétée par les spécifications pour la fibre optique unimodale en silice, document intitulé « IEEE 1394 Single-mode Fiber PMD Specification », pour des transmissions à 1 500 nanomètres et un affaiblissement linéique maximum de 0,35 dB/km. Et, depuis juin 2011, la révision 1.0 de la norme IEEE 1394:2008 intitulée « 1394 Automotive Glass Fiber Specification (Supplement to IDB-1394) » considère deux types de fibres optiques multimodales en silice : la fibre multimodale à gradient d’indice de 50 microns de diamètre de cœur et 125 microns de diamètre de gaine, fibre 50/125 bien connue dans les réseaux locaux d’entreprise, et la fibre construite avec une gaine en polymère renforcé (hard polymer cladding silicafiber – HPCF) à saut d’indice qui a un cœur de 200 microns de diamètre et une gaine de 230 microns (HPCF 200/230). Les deux doivent respecter la plage de températures de -40 °C à +105 °C et, pour les transmissions à 850 nanomètres, avoir un affaiblissement linéique maximum de 10dB/km pour la fibre 50/125 et 20 dB/km pour la fibre 200/230. Fig.4 : Les quatre couches de l’application e-Horizon (Source : Continental) Fig.5 : Barrières technologiques de la fibre en plastique et des diodes à 650 nm (Source : JM. Mur) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 18 Même tendance pour les réseaux MOST car les industriels travaillent sur le saut des débits au-dessus du 1 Gbit/s. Là, les diodes électroluminescentes et la fibre en plastique à saut d’indice devront laisser leur place aux lasers VCSEL et aux fibres en silice à gradient d’indice. C’est, entre autres, le point de vue des équipementiers qui travaillent sur les liaisons optiques pour la future montée du MOST vers le 5 Gbit/s cf. fig.5. 5. Câbles de fibres optiques Dans ce domaine des réseaux internes aux véhicules, les câbles sont de deux types : d’une part, ceux qui ne contiennent qu’une ou deux fibres optiques et sont relativement simples à fabriquer et, d’autre part, ceux qui transportent les fibres et l’alimentation électrique pour les équipements desservis. Cependant, la difficulté consiste à concevoir la composition des enveloppes car les fabricants doivent faire face à beaucoup plus de contraintes que pour les réseaux locaux. En effet, la barrière qu’ils constituent, entre les fibres et l’environnement, doit résister à la fois à des contraintes physiques et à des attaques de fluides. Les contraintes physiques sont dues aux tensions venant des courbures, torsions, compressions, étirements, trépidations… Les attaques des fluides proviennent des fluides propres au véhicule – essence, diesel, acide des batteries, glycol, liquide de freins, etc. – et à ceux apportés par les passagers comme les détachants de sièges ou de plastiques divers, les boissons café, coca, alcool… Et tout cela, sans oublier de prévoir une forte résistance à l’humidité et aux sels de déneigement. 6. Connectique optique La connectique optique constituée de fiches optiques, raccords, traversées de cloisons, embases… se compose de deux grandes familles : la connectique classique des applications des fibres optiques et la connectique assurant à la fois les liaisons optiques et des liaisons électriques cf. fig.6 et fig.7. Fig.6 : Connectique automobile pour deux fibres en plastique (Source : TE Connectivity) Côté fibre optique plastique et IEEE 1394, la connectique est définie dans le document « PMD for FiberOptic Wake-on-LAN » Fig.7 : Connectique automobile pour quatre fibres en plastique et quarante contacts électriques (Source : TE Connectivity) de juillet 2006. Il y est précisé, annexe C, que pour distinguer les séquences d’assemblage des câbles dans le véhicule, quatre différentes clés de détrompage ont été définies pour les fibres en plastique. Chaque clé est identifiée par une couleur : blanc, noir, gris et marron. Quant aux fibres en silice, l’IEEE 1394 préconise le double LC. Pour prévenir les conséquences d’une inadvertance de connexion entre les types de fibres, il sera utilisé la couleur bleue pour les fibres unimodales et la couleur noire pour les multimodales cf. fig.8. Fig.8 : Connectique pour fibre optique du réseau IEEE 1394 (Source : Molex) Quant à la connectique du futur, un aperçu de ce qui pourrait s’écrire MOST à 5 Gbit/s, a été présenté par TE Connectivity en novembre 2015 à Tokyo cf. fig.9. Pour les liens, les tests et mesures sont effectués par des équipements tels des testeurs dotés d’une source lumineuse et d’un puissance-mètre cf. fig.10. Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 19 Fig.9 : Aperçu de la connectique optique pour le futur MOST à 5 Gbit/s (Source : TE Connectivity) Fig.10 : Appareil de test pour les liens en fibre optique en plastique (Source : Comoss) 7. Composants actifs Pour les composants actifs, comme dans tous les autres domaines de la photonique, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée. Parmi ceux-ci, on trouve les émetteurs-récepteurs pour fibres optiques (fibe roptic transceivers– FOT) qui, comme pour les câbles à fibres optiques, doivent avoir des caractéristiques physiques leur permettant d’être opérationnels dans des environnements difficiles. Avec le support fibres optiques en plastique, la transmission des signaux se fait sur des distances très courtes, via une diode électroluminescente (DEL) à 650 nanomètres, la réception se fait via une photodiode PIN cf. fig.11. Fig.11 : Exemple d’émetteur et récepteur pour fibre optique en plastique (Source : Hamamatsu) La prochaine arrivée des débits supérieurs à 1 Gbit/s verra l’émergence des FOT à base de VCSEL travaillant à 850 nanomètres sur les fibres en silice et de photodiodes à sensibilité améliorée. Présents également, des composants divers tels des contrôleurs d’interfaces avec le réseau, des codecs vidéo pour les caméras embarquées, des processeurs pour la protection DTCP, etc. L’intégration se fait aussi au niveau des sociétés puisque, le 4 décembre 2015, Avago Technologies est devenu propriétaires des actifs du domaine d’activité fibre optique en plastique dont les cordons optiques actifs, les convertisseurs, etc. de l’américaine Electronic Links International, Inc. Bien évidemment, le marché de la fibre optique dans l’automobile se développe pour d’autres véhicules tels les autocars et les camions cf. fig.12. Enfin, en attendant un avenir de la voiture sans conducteur, vous pourrez être informés sur les domaines audio-vidéo- Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 20 télématique-navigation-etc. lors d’événements spécialisés comme la réunion AGL All members meeting, prévue les 7 et 8 septembre à Munich, la 9eme Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède), la 19eme International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016.Bonnes découvertes et bonne route… Fig.12 : La fibre optique dans les autocars (Source : KDPOF) Pour en savoir plus… http://automotivelinux.org Pour tout savoir sur la présence de Linux dans le domaine automobile à travers Automotive Grade Linux(AGL), ensemble de solutions logicielles pour les systèmes in-vehicle infotainement (IVI) et leur prochain événement : AGL All members meeting, les 7 et 8 septembre 2016 à Munich. www.autosar.org Site d’Automotive open system architecture (AUTOSAR), groupement d’industriels œuvrant au niveau mondial pour le développement de protocoles, produits et systèmes compatibles pour l’automobile et leur prochain événement : 9e Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède). www.ieee802.org/3/bv/ Site du groupe de travail sur le projet de norme P802.3bv concernant le Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique. http://sites.ieee.org/itss/ Site de l’IEEE spécialisé dans les systèmes de transport intelligent (intelligent transport systems society – ITSS) ; infos sur le congrès19th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC 2016) qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016. https://www.jaspar.jp/english/index_e.php Site de l’association d’industriels japonais concernés par le développement des applications dans les véhicules : Japan automotive software platform and architecture (JASPAR). www.mostcooperation.com/ Pour tout savoir sur la technologie Most (media oriented systems transport), les principaux acteurs impliqués dans le développement, pour télécharger les spécifications Most. www.opensig.org/ Site de l’OPEN alliance (one-pair EtherNet alliance) qui a été créée pour le développement d’Ethernet sur paire torsadée en cuivre dans l’automobile et qui, désormais, milite pour la fibre optique en plastique. www.opensig.org/tech-committees/tc7/ Comité technique n°7 de l’OPEN alliance qui est dédié au développement du Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique dans l’automobile. www.pofto.org/home/ Site de l’association d’industriels POFTO (plastic optical fiber trade organization) entièrement dédié aux fibres optiques en plastique (FOP). Pour télécharger des documents et articles de vulgarisation et trouver des liens vers les conférences ou expositions professionnelles dédiées aux FOP.

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Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application Bernard JOURNET, Jean-Baptiste DESMOULINS, Stéphanie CASSAN, Nguyên CHI THANH Bernard.JOURNET@ens-cachan.fr ENS Cachan – Université Paris Saclay, 61 avenue du Président Wilson, 94230 Cachan Mots clés : photodiode, sensibilité, comportement dynamique, capacité de jonction, modélisation. 1. Introduction Le but de cet article est de présenter ce qu’il est possible de faire à partir d’un montage relativement simple en optoélectronique afin de montrer les propriétés d'une photodiode à la fois sous l'aspect dynamique et statique, et de présenter une application de ce montage à la transmission d'un signal audio. Le sujet d’étude est donc une photodiode PIN [1], de surface relativement grande et facile à mettre en œuvre compte tenu de sa connectique BNC. Pour « éclairer » cette photodiode nous utilisons des diodes électroluminescentes (DEL) de couleurs différentes mais de longueurs d’onde connues, montées dans un boitier lui-même relié à la maquette par un cordon multibrins. Ces DEL sont alimentées du point de vue électronique par une source de courant réglable finement. Un photomètre étalon permet de connaître la puissance optique reçue par la photodiode et donc en quelque sorte d'étalonner les sources lumineuses. Une étude dynamique est possible grâce à une entrée modulation sur la source de courant alimentant les DEL. Cela permet d’étudier le comportement fréquentiel d’un montage à amplificateur de transconductance et de mesurer des caractéristiques fines de la photodiode. Cette entrée permet aussi d'appliquer un signal audio à transmettre par le biais d'une porteuse optique. 2. Le système expérimental 2.1. Émetteur Le schéma du montage de l'émetteur est donné Figure 1. Figure1 Montage émetteur permettant de commander au choix une des diodes électroluminescentes. Le circuit électronique est une source de courant associant un amplificateur opérationnel (U1) à un transistor PNP (T1) qui fournit le courant aux DEL. L'amplificateur opérationnel (U2) réalise la somme entre la tension de référence 0V , réglable entre +5V et +10V par le potentiomètre de précision (P0), et une tension de modulation, notée Vmod . La tension V0 permet de régler le point de fonctionnement des DEL et donc côté récepteur celui de la photodiode. L'intensité du courant traversant une DEL est donnée par 0 11 R VV I C F   où . modVVV  01 2.2. Récepteur La photodiode est montée sur le banc optique ; elle est reliée par un cordon BNC au circuit électronique. Ce dernier peut consister soit en un montage photoconducteur (photodiode en série avec une résistance, ici de k30 ) soit à un amplificateur de transimpédance comprenant un amplificateur opérationnel et une résistance (ici aussi de k30 ). La tension polV réglable de 0 V à +15 V permet R0 = 200 Ω (1%) TrVC1 = 10 V Popt U1 P0 1 kΩ R1 = 15 kΩ Vmod V0 - + + - U2 R1 R1 R1 VC2 = 5 V VC1 = 10 V Rin = 51 Ω V2 V1 VF IF A Résumé : L'étude des photodiodes peut être abordée dans des enseignements sur les capteurs optiques, la conversion d'énergie, voire sous l'angle des télécommunications optiques. Les caractéristiques d'une photodiode sont d'ordre statique et dynamique, leur sensibilité étant le paramètre fondamental à mettre en évidence pour tous les domaines d'application. Les propriétés dynamiques vont concerner davantage les aspects de télécommunications ou d'instrumentation. Il y a moyen de trouver ici des expériences adaptables à tout niveau de l'enseignement supérieur voire de l'enseignement secondaire si l'on voulait bien considérer l'importance que revêt de nos jours l'optoélectronique. Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 22 d'ajuster la tension inverse aux bornes de de la photodiode (a) (b) Figure 2. Montages récepteurs : photodiode en mode photoconducteur à gauche (a) et associée à un amplificateur de transimpédance à droite (b). On dispose aussi d'un photorécepteur étalon Thorlabs PM100 que l'on peut monter à la place de la photodiode, sur le banc optique. Sur la Figure 2(b) on note la présence d'un condensateur Cr . Son rôle est d'assurer la stabilité du montage récepteur ce qui se justifierait ferait à partir du modèle qui sera introduit dans la partie 4. 2.3. Banc optique Le banc optique permet d'aligner le boitier contenant les DEL avec le photodétecteur employé, en assurant la focalisation par une lentille convergente (ici de focale égale à 30 mm). La toute première étape de l'étude expérimentale consiste donc en un réglage optique des composants sur le banc. Les critères de réglage sont d'assurer une transmission maximale de la puissance émise sur les photorécepteurs et une focalisation du faisceau optique de façon à ce que la taille du faisceau soit plus petite que le plus petit des deux détecteurs. Il faut en cours de manipulation cacher les éléments sur le banc de la lumière ambiante, en particulier de l'éclairage artificiel apportant une composante à assez importante (mais ce qui est aussi une source de questions). 3. Étude statique 3.1. Émetteur Les caractéristiques des émetteurs sont obtenues ici par méthode volt-ampère-métrique (montage "courte dérivation"). Les multimètres employés sont des modèles de précision. Figure 3. Caractéristique courant-tension des diodes électroluminescentes Sur cette figure on peut observer les tensions seuils des DEL, dépendant du semi-conducteur employé. Pour la LED rouge la tension seuil est d'environ 1,8 V ; pour la DEL bleue elle vaut environ 3,2 V et pour la verte 3,5 V. Ces tensions seuils très différentes de celle d'une diode de signal ou de redressement au silicium sont en général "troublantes" pour les étudiants, d'où l'intérêt de cette mesure ! Elles sont à relier au matériau semi-conducteur utilisé. La puissance optique est mesurée par le photomètre étalon. Cette mesure n'est pas celle de la puissance émise par la DEL mais celle qui sera reçue dans les mêmes conditions expérimentale par la photodiode étudiée. Les trois DEL étant montées sur une ligne verticale du boitier les contenants il faut refaire le réglage optique pour chaque DEL. Figure 4. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct IF dans la DEL Iph K A Popt Vpol Vm RT = 30 kΩ - + RT = 30 kΩ Vpol CT = 22pF Popt Vs Iph 43210 Tension (V) 25 20 15 10 5 0 Courant(mA) 'DEL rouge' 'IDEL verte' 'DEL bleue' 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Puissanceoptique(mW) 2520151050 Courant direct (mA) 'DEL rouge' 'DEL verte' 'DEL-bleue' Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 23 Sur cette figure on observe que le comportement puissance optique émise en fonction du courant direct dans la DEL est plus ou moins bien linéaire. Les données constructeurs font état pour ces DEL d'une puissance d'environ 1000 mcd pour un courant de 20 mA. Compte tenu de la sensibilité de l'œil cela entraine des puissances émises nettement plus fortes pour le rouge et le bleu correspondant à de faibles sensibilités de l'œil. Il est donc possible d'introduire ici l'unité candela, et la sensibilité de l'œil. 3.2. Récepteur Les mesures sont effectuées ici en plaçant un ampèremètre directement en série avec la photodiode, celle-ci étant polarisée sous une tension réglable. Figure 5. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct dans la DEL Les mesures du courant photonique en fonction de la tension de polarisation montrent une totale indépendance du courant vis-à-vis de la tension. D'après les résultats obtenus le comportement de la photodiode est bien linéaire pour chaque longueur d'onde utilisée ; les pentes des courbes donnent la sensibilité de la photodiode. Les résultats correspondants sont donnés dans le Tableau 1. λ (nm) 470 525 660 Sensibilité (A/W) 0,17 0,25 0,49 Table 1. : Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde La courbe correspondante est donnée Figure 6. La formule théorique de la sensibilité est la suivante  hc qe R [1]. La courbe expérimentale est à peu près linéaire, en accord avec la formule théorique (mais ici nous n'avons que trois points). Néanmoins cette fonction n'a pas une ordonnée à l'origine égale à zéro. La pente de cette courbe est de /nmA.W1074,1 13  . La sensibilité d'environ 0,5 A/W mesurée pour la longueur d'onde de 660 nm est d'un ordre de grandeur satisfaisant conduisant à une efficacité quantique de 0,93. Figure 6.Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde 4. Étude dynamique L'étude dynamique peut être conduite avec les deux montages présentés au début (voir Figure 2). Le courant dans une DEL (le choix n'a pas vraiment d'importance ici) est modulé par la tension modV . On peut montrer au départ la modulation à très faible fréquence pour faire prendre conscience aux étudiants qu'il s'agit d'une modulation de l'intensité lumineuse. La porteuse est constituée du signal optique. 4.1. Montage transimpédance : réponse en fréquence La photodiode est associée à un amplificateur opérationnel et la conversion tension-courant est effectuée par la résistance  k30TR (voir Figure 2b). Figure 7. Photographie du montage lors du tracé des digrammes de Bode. Configuration avec Vpol = 11 V et IF=10mA . 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Courantphotonique(mA) 3.02.52.01.51.00.50.0 Puissance optique reçue (mW) '470 nm' '660 nm' '525 nm' 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Sensibilité(A/W) 700650600550500450 Longueur d'onde (nm) Sensibilité fit Sensibilité Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 24 Figure 8. Interface utilisateur pour le tracé des diagrammes de Bode On peut donc tracer, pour différentes valeurs de la tension de polarisation ( polV ) de la photodiode, le diagramme de Bode pour la fonction de transfert mod out V V H  . Le tracé des diagrammes de Bode a été automatisé grâce à un programme élaboré avec le logiciel Keysight-Vee. Une copie d'écran de l'interface utilisateur est fournie sur la figure suivante (Fig. 8), donnant une idée des possibilités offertes à l'utilisateur. Trois diagrammes obtenus pour des tensions de polarisation en inverse de 0,5 V, 2 V et 12 V sont donnés sur la Figure 9. On constate que la fonction de transfert H est du type passe-bas, présentant un phénomène de résonnance. De plus il y a une forte dépendance de cette fonction de transfert vis-à-vis de la tension polV : la fréquence de résonance et le facteur de surtension dépendent de la tension de polarisation. Compte tenu de l'aspect des courbes on peut imaginer que les fonctions de transfert puissent être modélisées par des fonctions du second ordre, du moins pour une certaine gamme de fréquences. D'après les courbes de phase l'ordre deux n'est pas suffisant au-delà de 400 kHz. 2 0 22 0 0 21 )(                                f f m f f H fH Pour mettre en œuvre cette modélisation nous avons utilisé le logiciel Igor. La Figure 10 présente aussi, en trait plein, les "fits" correspondant où l'on voit qu'ils donnent satisfaction jusqu'à environ 400 kHz. On obtient donc par ce "fit" le gain en basse fréquence, la fréquence propre et le coefficient d'amortissement (ou bien le facteur de qualité mQ 2/1 ). On peut conduire une étude plus détaillée vis-à-vis de l'influence de la tension de polarisation polV en faisant varier celle-ci de 0,25 V à 15 V, en enregistrant à chaque fois le diagramme de Bode puis en réalisant le fit par le logiciel Igor. Cela conduit à la courbe de la Figure 10, donnant les variations de la fréquence propre 0f et du coefficient d'amortissement m . Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 25 Figure 9. Fonction de transfert pour trois valeurs de Vpol qui est donc ici la tension de polarisation de la photodiode Figure 10. Fréquence propre et coefficient d'amortissement représentés en fonction de la tension de polarisation, en inverse, de la photodiode 4 3 2 1 0 Gain 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Gain Vpol=12 V fit_Gain Vpol=12 V Gain Vpol=2 V fit_GainVpol=2 V Gain Vpol=0,5 V fit_Gain Vpol=0,5 V -200 -100 0 100 Phase(degrés) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Phase Vpol=12 V Phase Vpol=2 V Phase Vpol=0,5 V 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 Coefficientd'amortissement,m 1412108642 Tension de polarisation (V) 280x10 3 260 240 220 200 180 160 Fréquencepropre,f0(Hz) m f0 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 26 Les deux courbes montrent des comportements tout-à-fait identiques à un coefficient multiplicateur près. Le modèle de la photodiode en régime dynamique, faisant intervenir la capacité de jonction, notée JC , de la photodiode (relativement grande pour une polarisation en inverse, d'autant plus ici que la photodiode choisie a un diamètre de 1 cm) associé à un modèle simple de l'amplificateur opérationnel prenant en compte une fonction de transfert du premier ordre et une capacité entre les deux entrées dites inverseuse et non-inverseuse (voir Figure 11) permet d'obtenir une fonction de transfert du second ordre pour le photodétecteur. En fait pour être plus précis il faut aussi tenir compte de la capacité équivalente du câble coaxial, notée cC , reliant la photodiode au montage électronique qui s'ajoute à la capacité d'entrée iC de l'amplificateur opérationnel JC et à (on note alors icJp CCCC  ). Figure 11. Modélisation de la photodiode associée à l'amplificateur de transconductance. On note ici A V s  et 1 0 1   j A A   avec comme ordres de grandeur 5 0 10A et 1 1 rad.s8,62   . Le calcul de la fonction de transfert, avec l'hypothèse conduit au résultat suivant.   2 10010 1 1     A CCR A CR A CRj R I V pTTpT TT T ph s           On obtient alors la fréquence propre et le coefficient d'amortissement  pTT CCR A f   10 0 2 1          010 0 1 . A CR A CRfm pT TT   Les variations du coefficient d'amortissement sont, selon la Figure 8, tout à fait similaires à celles de la fréquence propre, ce que l'on retrouve, compte tenu de ce que 1105 0 A , même si était une centaine de fois plus grand que TC ( pF22TC et pF50 cp CC ).        10 0 1 .   A CRfm TT 4.2. Montage photoconducteur Compte tenu de l'ensemble des capacités parasites présentes dans le montage de transconductance il est tentant d'étudier un montage plus simple, dans lequel on minimise les condensateurs. C'est celui de la Figure 2(a) où la photodiode débite directement dans une résistance de 30 kΩ. Dans ce cas, en négligeant le temps de réponse de la LED et du convertisseur tension/courant, le temps de réponse du système est égal au produit de la capacité de jonction de la photodiode par la résistance de mesure. Le défaut de ce circuit, est que la polarisation de la photodiode fluctue comme la tension aux bornes de la résistance de mesure. On fera donc en sorte de travailler avec une photodiode dont la tension aux bornes présente une composante continue suffisamment grande devant la fluctuation. On choisit une tension V5,90 V pour le convertisseur tension courant au niveau de l'émetteur, ce qui va permettre de travailler autour d’un éclairage moyen assez faible. Pour la tension de modulation on prend une tension carrée dont la valeur crête à crête provoque, en sortie, une fluctuation crête à crête de la tension aux bornes de la résistance de mesure de 60 mV. On est donc alors en mesure de dire que la tension aux bornes de la photodiode est pratiquement constante pour une polarisation inverse moyenne comprise entre 0,254 V et 10,25 V. Par ailleurs, la photodiode étant raccordée à la maquette par un câble coaxial, on fera en sorte de retirer 100pF de la valeur de capacité obtenue, afin de ne représenter que la capacité de la photodiode. En considérant le modèle de la jonction PN abrupte on peut chercher une expression du type 21 1 1 0 )( )( diode diodea VV C CVC   pour interpréter les mesures. Expérimentalement, on obtient la courbe suivante (Figure 12) pour la capacité de jonction et la fonction de "fit". La modélisation avec le logiciel Igor conduit aux valeurs suivantes, données en fonction d'un écart-type : pF12830 C pF327901 C et V06,058,01 V . Les écart-types fournis par le logiciel sont assez importants, le modèle obtenu n'est qu'une indication. On peut imaginer d'autres formes de Vs =A Iph IJ IT RT CT  - + PD AO Ii CJ CiCc Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 27 courbes qui cadreraient plus ou moins avec les points expérimentaux obtenus. Néanmoins l'ordre de grandeur de correspond assez bien à la capacité de 60 pF du cordon BNC de 60 cm de long utilisé pour raccorder la photodiode à la maquette. Cette capacité est associée à la capacité d'entrée de l'amplificateur, celle-ci serait donc d'environ 22 pF ce qui semble un peu surestimé. Mais compte tenu de l'incertitude sur la modélisation il est difficile de tirer des conclusions précises. La valeur de 1V représente un bon ordre de grandeur pour la tension biV d'une jonction PN à base de silicium. La capacité 1C dépendant elle du dopage des deux parties P et N, il est difficile d'estimer un ordre de grandeur. 5. Application : transmission d'un signal audio Sur l'entrée modV du circuit "émetteur" on peut brancher un lecteur de signal audio, lecteur de cassette d'autrefois, lecteur MP3 ou smartphone (attention selon le type de source choisie il peut y avoir des problèmes d'adaptation d'impédance). Le signal audio vient donc moduler la puissance optique émise par la DEL et la photodiode assure la démodulation. On constate ici la simplicité de la démodulation assurée par la seule photodiode. Un petit amplificateur branché à la sortie et débitant sur un haut-parleur permet alors d'écouter le message transmis. La Figure 13 permet de comparer le signal audio en entrée du circuit émetteur et le signal audio en sortie de l'amplificateur de transimpédance. Les signaux sont tout à fait similaires, on dénote un très léger filtrage du bruit sur le signal démodulé. Figure 13. Copie d'écran montrant une acquisition du signal audio en entrée (voie 1) et en sortie (voie 2). La voie 2 est en mode AC pour ne voir que le signal démodulé et son amplification verti-cale a été ajustée pour arriver à des signaux de même amplitude sur l'écran de l'oscilloscope Figure 12. Détermination de la capacité de jonction de la photodiode ne fonction de la tension inverse à ses bornes. 1.0x10 -3 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Capacité(µF) 1086420 Tension inverse aux bornes de la photodiode (V) Coefficient values ± one standard deviation C0 =8.254e-005 ± 1.2e-005 C1 =0.00078674 ± 3.19e-005 V1 =0.57857 ± 0.0554 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 28 On peut changer de couleur de DEL pour montrer que la transmission ne dépend pas de la longueur d'onde (mais selon la puissance émise par la DEL le niveau sonore peut varier). En coupant le faisceau lumineux la transmission du signal sonore est stoppée, ce qui est bien explicite pour les étudiants. Il est relativement facile, à ce stade, d'introduire auprès des étudiants les notions de fibre optique, de multiplexage en longueur d'onde et plus généralement de transmissions optiques. 6. Conclusion Nous avons présenté ici un ensemble de manipulations autour de l'utilisation de composants optoélectroniques, la photodiode étant l'élément central. Outre l'étude statique des émetteurs de lumière et de la photodiode, il a été présenté une étude dynamique dont les résultats sont explicables par une bonne modélisation des éléments du système ici la photodiode et l'amplificateur opérationnel utilisé avec le récepteur. Un circuit plus simple, mais moins facile à utiliser permet de mettre finement en évidence la dépendance de la capacité de jonction de la photodiode vis-à-vis de la tension de polarisation en inverse : on "vit en direct" la variation de l'épaisseur de la zone de charge d'espace au niveau de la jonction PN ! Globalement les mesures faites en régime dynamique sont en accord avec des modélisations classiques des différents composants. Une étude possible à proposer aux étudiants après avoir fait cette manipulation de façon complète concernerait la stabilité du montage à transimpédance et donc la justification du rôle de la capacité TC dans le montage. 7. Bibliographie [1] E. Rosencher, B. Vinter, Optoélectronique, Dunod, 2ème Édition, 2002. [2] H. Mathieu, H. Fanet, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Dunod, 6ème Édition, 2009.

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Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 29 Régulation de température d’une cuve JM ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII, 2 avenue François Mitterrand 36000 CHATEAUROUX Courriel : jean-marc.roussel@univ-orleans.fr kamal.boudjelaba@univ-orleans.fr 1. Introduction Dans le cadre du module M3102 (asservissement et régulation) du semestre 3 du DUT GEII, une série de travaux pratiques doit être proposée aux étudiants. Afin d’être proche des applications industrielles, nous avons développé, dans le cadre de projets, une cuve régulée en température. Cette cuve est représentative d’un élément de chaîne de traitement de surface simulant le trempage de pièces. Au niveau pédagogique, cette maquette permet la réalisation de deux travaux pratiques : un premier sur l’identification d’un système évolutif et un second sur la régulation de température. Nous allons dans un premier temps, détailler le système développé. Dans un second temps, les résultats d’identification et de régulation obtenue seront présentés. 2. Présentation du procédé 2.1. Descriptif du système étudié La partie matérielle du système est composée d’une cuve en inox pouvant contenir 40 litres de liquide. La cuve est équipée d’une sonde Pt100 (permettant la mesure de la température), d’un thermoplongeur monophasé de 3 kW (afin de chauffer le liquide) et d’un circulateur de chauffage afin d’uniformiser la température du liquide. La figure 1 montre une photo du système, la figure 2 montre le schéma fonctionnel du système. La partie régulation est assurée par un régulateur UT55A de la société Yokogawa. Ce régulateur est entièrement configurable et permet de disposer d’une régulation PID (8 fonctions de régulation intégrées, 8 algorithmes de régulation intégrés), d’une régulation à séquence Ladder ou d’une régulation à logique floue. Une centrale de mesures permet de récupérer les relevés des différentes grandeurs via un réseau Ethernet. Cette centrale est également utilisée par d’autres maquettes de la salle. Figure 1 : Photo système de régulation de température La puissance de chauffe est apportée par le thermoplongeur commandé par un relais statique lui- même piloté par la sortie discontinue du régulateur. Le système complet a été conçu dans le cadre d’un projet étudiant de seconde année. La réalisation de la partie opérationnelle a été sous traitée. L’armoire électrique a été réalisée en interne par les étudiants. Le coût d’une telle maquette est 15 k€ euros auprès d’une société de matériel didactique alors que notre coût est de 6 k€ euros, soit un gain de 9 k€ euros ! 2.2. Modélisation du bain et de la cuve On souhaite disposer d’un modèle thermique simplifié. On exprime l’évolution de chaleur Q absorbée ou cédée par un corps de masse m dont la température évolue selon l’équation suivante : dQ= mCdq (1) Où m est la masse d’eau à chauffer en kg, C la chaleur massique de l’eau en J/Kg.°C (C = 4180 J /kg.°C pour l’eau) et  la température de l’eau. Résumé : L’article propose un système de régulation de température industriel basé sur l’utilisation d’une cuve inox calorifugée de 40 litres remplie d’eau (dont on cherche à maintenir la température) et d’un régulateur de la société Yokogawa. L’identification du système est réalisée en boucle ouverte suite à un échelon sous la forme d’un système évolutif. Deux correcteurs sont proposés et comparés par rapport à un échelon de température ou à l’ajout d’une perturbation. Mots clés : modélisation, régulateur PID, méthode de Ziegler Nichols Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 30 Figure 2 : Système de régulation de température La puissance à fournir pour augmenter la température de l’eau de la valeur d est : P= dQ dt = mC dq dt (2) On doit toutefois tenir compte des déperditions thermiques qui peuvent s’exprimer selon la loi de Fourier sous la forme : P= dQ dt = mC dq dt + KS q -q0( ) (3) Avec K coefficient faisant intervenir les coefficients de convection et conduction thermique, et S la surface d’échange en m2 . Afin de réaliser un procédé de type intégrateur, on dote la cuve d’une double paroi avec un isolant. Les déperditions thermiques peuvent être négligées. On conservera pour la suite de l’étude l’équation (2). L’équation qui régit alors le procédé en prenant la température ambiante comme origine et la puissance constante est la suivante : q(t) = P mC t +q0 (4) La montée en température est linéaire. C’est le cas d’un système parfaitement calorifugé mais aussi le cas des régimes adiabatiques (l’échange de chaleur avec le milieu ambiant n’a pas le temps de se faire). Il est à noter qu’il faut 2508 s ( 42 mn) pour atteindre une variation de température de 30°C pour 40 litres d’eau avec une puissance de chauffe de 3 kW. En passant dans le domaine de Laplace, l’équation (2) permet d’établir la fonction de transfert ci-dessous : Hbain_cuve (s) = P(s) q(s) Hbc (s) = 1 mCs (5) 2.3. Modélisation de la résistance de chauffe et du relais statique Une résistance électrique assure le chauffage à l’intérieur de la cuve, un relais statique permet de moduler la puissance dissipée dans l’eau. Le relais statique est un gradateur monophasé qui laisse passer la tension pendant un nombre entier de périodes p et il bloque ensuite la tension pendant p’ – p périodes cf figure (3). Les intervalles de conduction se répètent périodiquement. La période de conduction est égale ou supérieure à une période du réseau. La valeur efficace du courant est alors donnée par : I 2 = 1 2p p' i2 (q)dq 0 2p p ò I 2 = 1 2p p' V 2 R sinq æ è ç ö ø ÷ 2 dq 0 2p p ò (6) Soit son expression finale : I = V R p p' = V R a = Imax a (7) On appelle tc = Tc la durée de fermeture du relais statique. Tc étant la période des trains d’ondes envoyés à la résistance de chauffe.  égal à p/p’, appelé le rapport cyclique, varie entre 0 et 1. Sonde Pt100 - P(s) Correcteur Sortie PWM Température Bain + Consigne Température Résistance Yr(s) Régulateur YOKOGAWA Process Relais statique Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 31 Figure 3 : Tension aux bornes de la résistance de chauffe Si P est la puissance active fournie à la résistance chauffante et Pmax la puissance maximale fournie à celle-ci, donc quand le gradateur fonctionne pleine onde, soit pour  = 1, il vient : P= RI 2 = aPmax (8) La sortie du régulateur délivre une tension continue Uc grâce à laquelle le relais statique règle la valeur de tc et telle que : Uc = btc (9) L’expression de la fonction de transfert modélisant le relais statique monophasé en fonction de , Pmax et Tc est donnée par l’équation (8) : Hrelais_statique (s) = Hrs (s) = Pmax bTc (10) 2.4. Modélisation de la chaîne de retour La chaîne de retour est constituée d’un capteur et d’un transmetteur qui permet d’élaborer un signal image de la mesure. La mesure de la température s’effectue par une sonde PT100 qui est très utilisée dans l’industrie. La sonde PT100 utilise comme principe physique la variation de résistance du platine pur en fonction de la température. Sa plage d’utilisation est de – 260°C à 1400°C. La fonction de transfert de la chaîne de retour peut être mise sous la forme : Hcapteur _transmetteur = Hct (s) = Kct e -sLct (11) Avec Lct retard pur et Kct gain statique capteur- transmetteur. 2.5. Fonction de transfert en boucle ouverte La fonction de transfert en boucle ouverte non corrigée est le produit des fonctions de transfert. Hbo (s) = Hbc (s)Hrs (s)Hct (s) (12) 3. Identification La cuve est remplie de 40 litres d’eau à température ambiante. L’identification en boucle ouverte du système se fait à partir de la réponse temporelle avec une entrée échelon de 0 à 20%, la réponse du système est assimilable à un système intégrateur. Un système intégrateur est caractérisé par le fait que sa sortie augmente jusqu’à saturation, alors que l’entrée reste constante (figure 4). On constate que la réponse du système ne démarre pas en même temps que l’entrée, mais elle possède un retard. Figure 4 : Réponse indicielle en boucle ouverte avec en rouge l’entrée échelon et en bleu la température On retient alors deux modèles : celui proposé par Broïda ou Ziegler Nichols rappelé dans [1] Hbo = ke-sL s (13) et celui proposé par Strejc-Davoust Hbo = ke-sL s(1+ sT)n (14) Où k est le gain dynamique et L le temps mort. L’identification par le modèle de Broïda ou Ziegler Nichols consiste à tracer l’asymptote quand t . La pente de l’asymptote vaut K.y et elle coupe l’axe des abscisses à t = L. La recherche d’un modèle de Ziegler Nichols conduit alors à la fonction de transfert suivante :

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Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 37 Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W A.SIVERT, B.VACOSSIN, S.CARRIERE, F.BETIN Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. 1. Introduction Ces dernières années les lampes à LEDs ont envahi notre quotidien. De la lampe torche 3W à 10W, à la petite lampe à douille de 10W à 20W, au remplacement d’Halogène de 500W par des LED de 50W à 100W. Le principal avantage de la LED est de consommer 10 fois moins qu’une ampoule classique à filament et surtout d’avoir une durée de vie pouvant atteindre 50 000 heures. En revanche, la LED demande une régulation électronique pour obtenir le courant désiré avec le moins de pertes possibles [1]. Ces dernières années, le coût de base d’une LED a fortement diminué (de l’ordre de 2€ pour une puissance de 10W). Cependant, un convertisseur et une optique doivent être additionnés ce qui généralement double le coût. Ce faible coût a permis de concurrencer les ampoules halogènes. La combinaison de plusieurs LEDs est souvent obligatoire pour moduler la luminosité désirée. Ces composants élémentaires peuvent être connectés suivant 3 topographies différentes : série, parallèle ou matricielle [2, 3]. Le tableau suivant représente différents types de LEDs avec des configurations internes différentes (S : représente le nombre de LEDs en série et P : le nombre de LEDs en parallèle). La topographie en matrice connectée est la plus vendue, car plus fiable même si elle demande une connectivité interne plus complexe. Dans un premier temps, nous allons faire quelques rappels en photométrie pour connaitre sans matériels spécifiques la performance d’une LED. Puis, nous allons comparer quelques LEDs pour pouvoir faire un choix dans la jungle des fabricants. Si pour les grands fabricants, les caractéristiques sont données dans les datasheets, ce n’est pas le cas de tout ce qui est vendu via les sites de ventes en ligne. La dissipation des pertes de puissance sera présentée pour connaitre la puissance que peut absorber la LED sans destruction. La régulation numérique du courant dans la LED sera aussi présentée pour savoir comment choisir les valeurs du correcteur qui doit corriger les perturbations (variation de la tension d’alimentation, variation de la tension de seuil, variation dû à la température). Enfin pour conclure, une présentation de l’exploitation de ce système par les étudiants sera proposée. Résumé : Dans le domaine de l’éclairage, une utilisation avec une puissance maximale de 100% n’est pas toujours utile. Une variation du flux lumineux doit donc pouvoir être effectuée en fonction de la lumière naturelle mais aussi plus simplement en fonction de l’éclairage désiré. Cette puissance doit rester constante malgré les fluctuations éventuelles de l’alimentation notamment lorsque celle-ci est alimentée par une batterie. Les LEDs, composants issus de l’optoélectronique, peuvent voir leur luminosité modulée entre 0 et 100 % de manière instantanément et sans dommage. Elles se prêtent aussi sans aucune limitation à un asservissement du niveau de lumière en fonction d’un besoin. Les LEDs d’une puissance de 10W à 100W sont devenues très abordables depuis quelques années avec un taux de défaillance faible par comparaison avec les ampoules à filaments. Les régulateurs numériques permettent non seulement de maitriser la puissance, mais aussi de gérer la température d’une LED, de ménager la batterie. L’avantage de la gestion effectuée par microcontrôleur est l’utilisation d’un afficheur LCD qui permet de connaitre la consommation, la température, de changer la consigne par bouton poussoir, de régler l’éclairage en fonction de la luminosité extérieure…Si l’efficacité d’une LED blanche est d’environ 100 lumen/W, bien meilleure que tous les autres types d’éclairage, 30% de la puissance absorbée par la LED est converti en lumière et 70% est perdue en chaleur. Cette puissance perdue dans une surface très petite impose un refroidissement forcé. Par conséquent, une mesure de température du radiateur doit être effectuée pour estimer la température de jonction de la LED et pour limiter la puissance dans la diode si cette température est trop importante. Dans cet article, des réponses aux nombreuses questions énumérées ci-dessous seront proposées : Comment faire des mesures simples de la luminosité ? Comment faire le choix d’une LED et de son optique en fonction de l’éclairage désiré ? Comment vérifier les performances d’une LED ? Comment faire un choix de refroidisseur et de ventilation ? Comment est gérer la régulation du courant de la LED ? Quel est le taux de défaillance de la LED ? Les réponses à ces questions permettront de proposer une exploitation pédagogique pluridisciplinaire d’un système à LED. Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 38 2. Rappel sur l’éclairage La relation entre flux lumineux Φ (lumen) et l’intensité lumineuse (candela) correspond à l’équation suivante (1) : lumineuse solide(lumens ) intensité (Cd ).angle ( Stéradians )  Le Stéradian est une unité de mesure d'angle en 3 dimensions qui correspond à l’équation suivante avec θ correspondant à la moitié de l’angle de diffusion (valable pour les angles inférieurs à 50°): 1 Stéradian = 2.π.(1-cosθ) (2) L’éclairement sur une petite surface ronde correspond à l’équation suivante :  2 2 2 1  E(lux ) (Lumen ) / rayon rayon  (3) Par conséquent, Il suffit de projeter le flux lumineux sur un mur à une certaine distance pour déterminer l’angle et à partir de plusieurs mesures de l’éclairement sur le mur d’en déduire le nombre de lumen à partir de la surface éclairée [7]. L’éclairement pour un angle réduit et rond diminue en fonction du carré de la distance : 2 1 2 1 1 2 2   distance E (lux ) E ( distance ) distance (4) Par conséquent, l’éclairement peut aussi s’écrire de la façon suivante : 2   (ta (lumen ) E(lux ) n distance )   (5) Evidement si l’optique ou le phare ne projette pas le flux lumineux de façon concentrique (exemple en ellipse) les équations précédentes ne fonctionnent pas pour déterminer facilement le nombre de lumens émis par la LED. Lors d’une installation lumineuse, il faut faire une cartographie de l’éclairement avec les différentes réverbérations de l’éclairage indirect. De plus, En photométrie, on s'intéresse à l'énergie des radiations lumineuses en tenant compte de la sensibilité de l’œil. Celui-ci est sensible aux radiations de longueurs d'ondes comprises entre 400 nm (bleu) et 700 nm (rouge). Le flux énergétique de 1Watt à la longueur d’onde de 555 nm (vert jaune) est de 673 lumen/W. Par contre à 600 nm (orange), le flux perçu par l’oeil sera de 430lumen/W. Dans cet article, le spectre de la LED ne sera pas pris en compte. 3. Caractérisation de LED Une LED est caractérisée par sa tension de seuil, son courant maximal, son nombre de diodes en série (S) et en parallèle (P), sa puissance maximale, son angle d’émission, sa luminosité en lumens par watt, sa résistance thermique, son spectre, sa CCT Correlated Color Temperature (Blanc froid, neutre, ou chaud). Le tableau suivant compare différentes LEDs hautes puissances. Il existe énormément de copies en vente sur le net avec des datasheets ne correspondant pas à la réalité. Par conséquent, des essais doivent être effectués pour vérifier les performances des LEDs que l’on est susceptible d’acheter. Tableau 1 : caractéristiques de différentes LEDs Type de LED/ prix Config (S,P) Volt , A DimensionsRTH JC Flux lumin 10W 15 € 1S 0P 3.6V, 3A Ø13.9mm 2.5 °C/W 10W 15 € 3S 3P 10V, 1A Ø13.9mm 2.5 °C/W 800 Lm 10W 4 € 9S 0P 30V, 0.33A 20mm x 20mm 2.5 °C/W 1000 Lm 50W 25 € 10S 5P 34V,1.8A 44mm x 44mm 2 °C/W 4700 Lm 100W 35 € 10S 10P 34V,3.6A 35mm x 35mm 3°C/W 9000 Lm Pour avoir un flux lumineux important, les constructeurs ont fait des matrices de LEDs, très compactes. Cependant la puissance perdue doit être dissipée. A partir du modèle thermique, les équations de la température de jonction de la LED et la température du boitier sont les suivantes (6):     jonction Amb JC CH H.AmbT T ( RTH RTH RTH ) P H Amb H.AmbT T RTH P   Le schéma thermique de la LED en régime établi correspond au modèle suivant : Fig 1 : Modèle thermique d’une LED, température du dissipateur, et du capteur A partir de la courbe de puissance admissible par la LED en fonction de la température ambiante, de la figure suivante, Les valeurs de la température de jonction maximale et de la résistance thermique RTHJA peuvent être retrouvées. En effet en prenant 2 points (50W=(1.75A×28V), TAmb_max 60°C et 21W=(0.75A×28V), TAmb_max 120°C). Donc à partir de l’équation (6), une température de jonction maximale de 160°C et une RTHJA de 2°C/W du boitier de la LED sont confirmées. RTHJCTJ TAMB RTHCH TH Tsensor RTHHA dissipateur RTHHS RTHSA Puissance (W) Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 39 Fig 2: Courant disponible d’une LED en fonction de la température ambiante A partir de la puissance fournie à la LED et de la mesure de la température du refroidisseur, la température de jonction peut être estimée à partir de l’équation suivante :   jonction heat sink JCT T RTH P (7) La température est mesurée par un capteur linéaire LMx35 (boitier To92) qui fournit une tension de 10mV/°C. Il y a un décalage entre la mesure du capteur et la température réelle du boitier à cause de la résistance thermique du capteur ambiant RTHSensor-A 140°C/W et RTHHS 30°C/W. Le temps de réponse de ce capteur est de 2 min bien inférieur à celui du dissipateur de la LED. La température réelle du refroidisseur TH en fonction de la température du boitier capteur correspond à l’équation suivante (8): 1 RTH RTHHS HST (T ( ) T )heat sink sensor amb RTH RTHSA SA      Exemple : si la température mesurée est de 53°C avec une température ambiante de 20°C, alors la température du radiateur sera de 60°C. Si le boitier du capteur était un To220 alors RTHSensor-A serait de 90°C/W avec un temps de réponse de 3 minutes. Ce boitier permet de minimiser la résistance de contact à 4°C/W et d’avoir une mesure de température très proche de celle du dissipateur et donc de ne plus utiliser l’équation (8). Un thermomètre infrarouge permet de vérifier cette différence entre la mesure du capteur et celle du refroidisseur. Il est possible de mettre une ventilation forcée pour minimiser les dimensions et le poids du dissipateur. Cependant celui-ci engendre du bruit surtout s’il est rapide. Il est aussi possible d’utiliser un refroidisseur liquide [12] avec une ventilation à vitesse faible mais ceux-ci sont relativement chers par rapport à la LED. Ce type de dissipateur peut être récupérer d’anciens PCs. Exemple : le refroidisseur liquide H100i Corsair permet de dissiper 340 W avec une augmentation de la température de jonction de 25°C avec une pompe qui fait circuler le fluide de 6W. Très peu de fabricants donnent le rendement de leur LED alors que cela permettrait de connaitre correctement la puissance émise et la puissance perdue. Il faut donc souvent faire des essais, pour connaitre les limites extrêmes que peut supporter la LED. 3.1 Caractéristique de LED utilisée Dans l’exemple, nous allons prendre une LED de 50W [8]. Cette LED possède une optique avec un angle θ de 30° pour amplifier l’éclairement. L’optique doit pouvoir supporter la température de la LED, elle est donc souvent réalisée en céramique ou en verre. Le refroidisseur rond comporte un diamètre de 9 cm et une épaisseur de 3cm). La résistance thermique du dissipateur RTHCA est de 2.2°C/W. Une ventilation forcée à 7 pales tournant à 2800 tr/mn sous 12V et consommant 0.25A (3W) est utilisée. Sur la figure suivante, la température du dissipateur de la LED est mesurée en fonction du temps, sans la ventilation, puis avec la ventilation pour différents courants absorbées. Fig 3: Température d’une LED pour différents courants avec et sans refroidisseur à 2800 tr/mn (Tamb :18°C) A partir de la courbe précédente, on peut vérifier que la résistance thermique du dissipateur est bien de 2.2°C/W. Pour une puissance de 14W, la température en régime établi du boitier atteindrait 49°C et la température de jonction est estimée à 78°C. Puis, avec le refroidissement à flux forcé à 2800 tr/mn, la résistance thermique du dissipateur passe à 0.17°C/W et l’incrément de température du boitier de la LED est seulement de 2°C avec une constante de temps de 1.66 minutes. Par conséquent, lors de l’extinction de l’éclairage, il faut environ quelques minutes pour refroidir correctement la LED. Pour une température de jonction de sécurité maximale de 100°C, la température ambiante peut atteindre la valeur suivante avec une puissance absorbée de la LED de 50W : Amb J JC CA abs lu miT T ( RTH RTH ) ( P P )     (9) 1Amb J JC CA absT T ( RTH RTH ) P ( )      100 1 0 17 50 70 60AmbT C ( . ) ( W %) C        Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 40 Avec une ventilation à 1400 tr/min (5.1 V, 0.56 W), la température du boitier de LED est plus importante comme on peut l’observer sur la figure suivante : Fig 4: Température d’une LED pour différent courant avec son refroidisseur à 1400 tr/mn (Tamb :18°C) Avec le refroidissement à 1400tr/mn, la résistance thermique du dissipateur passe à RTHHA = 0.5°C/W avec RTHJH à 1.5°C/W. La constante de temps est à 2,33 minutes. Avec cette vitesse, la puissance dissipée devra être limitée suivant l’équation suivante : 1abs J JAP (T Tamb ) / RTH ( )     (10) 100 25 1 5 0 5 0 7 53absP ( C C ) / ( . . ) . W       Soit , correspondant au rendement de la LED et égal à 30%. Le problème de la ventilation forcée est le bruit qu’il génère. Plus, le ventilateur tourne vite et plus il y a du bruit. Par conséquent, avec un autre type de refroidisseur très encombrant mais sans ventilateur de dimensions 28x27x6 cm et de résistance thermique de 1,33°C/W, une puissance de 30 W absorbée par la LED avec une température ambiante de 20°C provoque une température de jonction de 120°C. 2 30 60 120jonction JCT RTH P Tc C C         Il existe de nombreux softs gratuits téléchargeables qui permettent de déterminer la température de jonction du semi-conducteur comme on peut l’observer sur la figure suivante. Pour utiliser cette application, il faut une certaine connaissance de thermie. Par conséquent, l’étudiant va devoir chercher dans l’aide des logiciels les informations nécessaires et va appréhender très rapidement les connaissances nécessaires pour savoir comment le calcul est réalisé. Dans ce cas et étant donné que la température de jonction maximale de destruction de la LED est de 160°C, la température ambiante ne devra pas excéder 60°C. Par conséquent, la puissance de 50W ne pourra pas être obtenue. La découverte des valeurs extrêmes d’une LED en fonction de la résistance thermique et de la ventilation provoquera la destruction de quelques LEDs. Les tests thermiques sont généralement destructifs. Une caractéristique importante de la LED est le flux qui diminue légèrement lorsque la température augmente comme on peut l’observer sur la figure suivante. Par conséquent, la ventilation forcée permet d’améliorer le rendement lumineux de la LED au détriment de la consommation par le ventilateur Fig 5: Android application « PCB thermal calculator » Fig 6: Performance relative du flux en lumens qui diminue en fonction de la température du boitier pour un courant de 1,7 A Sur la figure suivante, l’éclairement a été mesuré à 50 cm au luxmètre avec une échelle de 0.25. En effet, à partir des équations (4, 5), l’estimation du nombre du flux lumineux (vert pointillé) est comparée au flux donné par la documentation constructeur : 2 2 30 0 5(tan distance )(lm ) E(lux ) E (tan . )      

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Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 48 Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP) A.SIVERT1 , B. CAUQUIL2 , E. MOREL, F. BAILLY, F.BETIN1 , (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) (1) U.P.J.V, Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) U.T.P.S, Université de Toulouse Paul Sabatier, département GMP de l'Institut Universitaire de Technologie, 65016 TARBES 1. Introduction Des concours de véhicules à faible consommation tels que l’ « Eco-Marathon » existent depuis longtemps mais cette compétition soulève plusieurs problèmes. Le principal concerne le fait que les véhicules présentés ne sont pratiquement pas commercialisables en l'état. En effet, le conducteur est souvent contraint de rester dans une position très inconfortable en raison de l’aérodynamisme du bolide et des pneumatiques utilisés incompatibles avec une chaussée humide. Un autre problème concerne la validation de la consommation d'énergie à une vitesse moyenne de 25 km/h qui y est imposée et qui n'est pas représentative d'une utilisation quotidienne [2]. D’autres types de véhicules à faible consommation existent depuis longtemps. Ils sont mus par l'homme (HumanPoweredVehicle – HPV) et sont munis d’un carénage aérodynamique. Le record de l’heure d'un HPV est de 91 km/h [3], ce qui est bien supérieur à celui d’un vélo droit (56 km/h). Ainsi, un challenge tel que le Suntrip [4] permettant de parcourir une distance de 7.000km sur des routes classiques et avec un véhicule facilement réalisable est très pertinent pour prouver qu’il est tout à fait possible d’effectuer de grands trajets avec une faible consommation d’énergie et ce, tout en permettant de valider la fiabilité des prototypes. Précisons que pour ce challenge, chaque personne a la liberté de choisir son itinéraire, à l’identique d’un « Vendée Globe » (tour du monde à la voile sans escale). Durant le Suntrip, la recharge des batteries ne peut se faire qu’à partir de l'énergie solaire, ceci afin de valider l'autonomie énergétique du véhicule. Une comparaison entre temps de roulage et temps de recharge avec un véhicule non solaire a même été entreprise aux « 12 heures de Chartres » (autre challenge de véhicules couchés). Tous les prototypes légers démontrent qu’il est possible de réduire la consommation énergétique dans le secteur des transports et ainsi minimiser son impact environnemental au quotidien sur la planète, et notamment les émissions de gaz à effet de serre [5, 6]. Dans ce qui suit, la puissance absorbée par nos véhicules sera établie et seront expliquées les consommations engendrées par les dénivelés en fonction de la vitesse moyenne. Puis les différentes technologies utilisables dans le cadre d’un prototype seront suggérées permettant ainsi d'envisager, pour le lecteur, un support pédagogique possible. Résumé : depuis 2010, année au cours de laquelle les batteries au lithium ont commencé à se démocratiser, des pionniers du vélo électrique ont voulu démontrer qu’il était possible de faire de grands périples en consommant peu d’énergie avec des vitesses honorables et sans être un sportif exceptionnel. Ainsi, Florian Bailly a effectué un parcours France-Japon en 2010 [1] et a lancé l’aventure du Suntrip France-Kazakhstan en 2013, sur 7.000km et avec 31 participants. Seuls 20 aventuriers sont alors arrivés au bout. En 2015, ce challenge a été réédité avec 25 participants et seulement 3 abandons. Après 7000 km, les 3 premiers sont arrivés avec seulement un jour d’écart sachant que le meilleur a fait le parcours en 27 jours avec un dénivelé positif total de 45km. De nombreuses questions techniques doivent être résolues pour participer à ce challenge : quel type de cycle utiliser ? Quel investissement financier pour un prototype ? Quelle masse supplémentaire engendrée par la motorisation électrique embarquée ? Quels types de moteurs et puissances envisager? Quelles technologies de batteries utiliser ? Quelle consommation du véhicule ? Quelle surface de modules photovoltaïques pour une autonomie totale ? Quels compromis envisager ? Cet article, qui fait suite à d'autres articles sur le même thème, vise à répondre à ces multiples questions et permettre ainsi d'envisager la réalisation d'un prototype motorisé susceptible de participer à ce challenge, ou tout du moins de voyager en consommant très peu d’énergie. Nous présenterons ici les résultats de deux concurrents qui ont fait des choix techniques diamétralement opposés tout en réalisant des performances pratiquement similaires. Enfin, des comparatifs d’énergies calorique et électrique consommées, des choix de vitesse de déplacement ainsi que des fréquences de recharge d'accumulateur seront présentées. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 49 2. Etudes 2.1. Puissance résistive et consommation La puissance résistive d’un véhicule est souvent modélisée par l’équation suivante (1) : 3 resistance Aero pente(%) M g Vit(km / h) P (W ) k Vit (Cr ) 100 3.6        Avec M, la masse du véhicule et de son conducteur, g la constante de gravitation et Cr le coefficient de roulement des pneus [7]. La figure 1 présente la puissance demandée au moteur pour différents types de cycle. On y remarque que l’aérodynamisme du véhicule commence à être prépondérant à partir de 30 km/h. Le carénage d’un véhicule permet d’améliorer ce point mais au détriment d’un surpoids d'environ 12kg. Fig. 1 :puissance demandée au moteur (W) en fonction de la vitesse sur du plat (km/h), sans pédalage, pour différents cycles et avec un Cr=0.005 À partir de la figure précédente, il est possible d’identifier les coefficients de performance de chaque type de véhicule. Ces coefficients sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous : Type de cycle kaero W/(km/h)3 kroul W/(km/h) Masse (Kg) VTC 0,0065 7 à 3 14 Tri-cycle 0,005 7 à 3 18 Vélo couché 0,003 à 0.004 7 à 3 16 Vélo couché et panneau 2.5m2 0.0054 à 0.0062 5 à 3 34 Tricycle caréné 0,001 à 0.002 5 à 3 30 Remorque de 140 litres +0.002 10 Tableau 1 : coefficients de cycles Les avantages du tricycle et du vélo couché, par rapport au vélo droit, sont de minimiser l'impact du facteur « aérodynamisme » et de permettre l'installation de modules PV (pour produire de l'énergie électrique mais aussi pour s’abriter du soleil). Ceci dit, la mise en place d'un module PV de 2.5m2 entraine une forte augmentation du coefficient aérodynamique (idem remorque). Sachant que la puissance musculaire moyenne est de 100 W pour un homme moyen et de 300W pour un bon sportif, on peut envisager se déplacer à une vitesse comprise entre 25 et 40 km/h. Dès que la pente devient importante et que le vélo dépasse les 60kg, la puissance musculaire n’est plus suffisante. Sur un parcours donné, la consommation énergétique en W.h du cycle motorisé peut être déterminée approximativement par l’équation suivante (2): resistive moy humain moy (distance D ) M g D E(W.h) ( P (V ) P ) V (km / h) 3600          Avec la vitesse moyenne en km/h, D+ le dénivelé positif (m) et la distance en km. La masse de bagages durant le voyage est d’environ 20kg et le volume de 0.125 m3 (tente, vêtements, nourriture…). Des sacoches sont utilisées mais de nombreux concurrents ont également opté pour la remorque, ce qui augmente bien sûr le coefficient d’aérodynamisme mais permet d’y placer des modules PV. Une troisième option possible consiste en l’utilisation de vélos cargos (cargo bikes) dont la masse est d’environ 25kg. A partir de l’équation précédente, et en considérant une distance parcourue de 200km/jour, un dénivelé moyen de 1%, une vitesse moyenne de 35km/h, une masse totale de 140 kg et une puissance humaine fournie de 100W, il sera nécessaire de fournir une énergie quotidienne de 3000W.h. Par contre, pour une vitesse moyenne de 25km/h, cette énergie nécessaire passe à 2000W.h. Ce besoin va conditionner la surface de module PV à mettre en œuvre. Mais, à ce sujet, quelle est la capacité de production d’énergie électrique par m2 de module PV ? 2.2. Surface et type de panneau solaire La consommation d’énergie précédente détermine la surface de modules PV à installer pour être en totale autonomie d’énergie. Les modules monocristallins Semi- Flex ont une puissance crête de 200Wc/m2 pour une masse de 4kg. Le coût total s’élèvera à 500€. En considérant qu’il y a du soleil tous les jours pendant 8 heures, que 50% de la puissance crête peut être restituée par les modules orientés horizontalement par rapport au sol et qu’ils ne peuvent suivre l’orientation du soleil, la quantité d’énergie produite peut être déterminée par l’équation suivante (3) : panneaux crete panneauxE (W.h ) P temps( h ) /   VTC + remorque + panneau Vélo couché + panneau Tricycle caréné leiba P (W) v (km/h) Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 50 Sur un vélo couché, des modules d’1m de large et de 2.5m de longueur peuvent être installés sans nécessiter l’ajout d’une remorque. Cette surface de 2.5m2 permet de produire environ 2000W.h/jour. Certains concurrents ont opté pour 1m2 supplémentaire qu’ils déploient lors de leurs arrêts. Mais cela signifie qu'ils embarquent une masse supplémentaire de 4 kg. Le support des modules peut- être légèrement orientable afin d’améliorer la production. Les modules PV placés au-dessus d’un vélo couché permettent, en outre, de s'abriter des rayons du soleil lors du pédalage. Ils peuvent aussi, lors des arrêts, être orientés en direction de l'astre à l’aide d’une grande béquille facile à mettre en œuvre. L’ombre alors portée par un tube de 2cm de haut placé perpendiculairement à la surface du module permet de savoir si ce dernier est dans l’axe du soleil. Un convertisseur d'électronique de puissance muni d'un algorithme de recherche de point de puissance maximum (MPPT : maximum power point tracker) permet de charger directement la batterie et d'optimiser le fonctionnement du module pour des conditions météorologiques données. Notons toutefois ici que la puissance demandée par le vélo est davantage conditionnée par la pente et ce, pour obtenir une vitesse honorable dans les montées, que par la vitesse en régime établi sur du plat. Mais quelle est la masse supplémentaire embarquée nécessaire à la motorisation ? Quel est son rendement et quel type de moteur est utilisable ? 2.3. Type de moteur Toutes les machines dédiées aux applications de motorisation de vélos sont de type brushless à aimants permanents. Il en existe deux sortes : le « moteur- roue » et le « moteur-pédalier ». La puissance d'un moteur-pédalier n’excède pas 1000W. Celle d'un moteur-roue 3000W. Les moteurs-pédaliers sont associés à un réducteur mécanique de vitesse qui ne permet pas de récupérer de l’énergie lors des phases de freinage ou en descente. Sur les moteurs-roues, le freinage électrique permet de limiter la vitesse dans les descentes abruptes, d’où un renforcement de la sécurité et une sollicitation plus faible des freins mécaniques qui ne risquent pas de passer en fading vue la masse importante du véhicule. Pour les deux types de motorisation, l’action de commande s’effectue : - soit par la sollicitation d’une poignée d’accélération (asservissement de vitesse avec limitation du courant de la batterie), - soit par la prise en compte de l'information en provenance d'un capteur de pédalage qui évalue l’assistance nécessaire selon le choix de la puissance désirée (sachant qu’il y a différents niveaux d’assistance : de 1 à 10). Il existe de nombreuses stratégies d’assistance qui ne seront pas développées dans cet article. Par simplification, on considère que le moteur brushless se comporte comme un moteur DC présentant une résistance équivalente. Par conséquent, les pertes électriques et son échauffement correspondent aux équations suivantes (4) et (5) :   2 equivalentPerte W Rm I    TH TH t V R CTHR Tempmotor C Perte (1 e ) Tamb V          Avec RTH correspondant à la résistance thermique du moteur, CTH à la capacité thermique du moteur et Tamb à la température ambiante. La résistance thermique diminue en fonction de la vitesse du véhicule V(km/h), dès que celle-ci est au-delà de 15 km/h. Lorsque l’on relâche la poignée d’accélération à X%, alors la vitesse diminue en fonction de l’équation suivante (6) : battVitesse kv.U .X % pour une certaine puissance résistive. Alors le courant augmente à partir de l’équation suivante (7) : motor resisitve batt motor controleurI P / (U X% )    Comparons 2 moteurs alimentés sous 50V : - moteur-pédalier Bafang (8 fun) BSS02 750W, 4.2kg, 700€ TTC, résistance équivalente : 0.26Ω, puissance dissipable : 250W, Imoteur max=30A, RTH = 0.3°C/W, - moteur-roue Crystalyte HS3540 2000W, 7kg, 350€ TTC, résistance équivalente : 0.22Ω, puissance dissipable : 400W, Imoteur max = 42A, RTH = 0.187°C/W, CTH=770 J/°C.kg. Notons que le prix du moteur ne dépend pas que de sa puissance, mais aussi de ses ventes et du type d’aimants employé. Notons également que le moteur roue a une surface d’échange thermique plus importante qui lui permet de mieux dissiper les pertes thermiques. L’utilisation du simulateur de moteur en ligne « Ebikes.ca » permet de tracer les caractéristiques théoriques des machines présentées ci-dessus. Sur la figure 2, la première partie des courbes (couple, puissance et rendement) correspond à un courant batterie limité. Puis la tension est limitée par la capacité de la batterie. La courbe en noir correspond à la puissance utile liée au coefficient de roulement, au coefficient d'aérodynamisme et à la pente. L’intersection de la puissance utile et de la courbe (puissance moteur + puissance de pédalage) donne la vitesse du véhicule. Attention, il ne faut pas prendre la courbe suivante telle quelle avec la poignée d’accélération actionnée à 100% pour connaitre le rendement du moteur. En effet, la courbe de rendement de cette figure correspond au démarrage du véhicule avec la poignée d’accélération en 100%. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 51 Fig. 2 : courbe de rendement, puissance moteur, couple et puissance résistive en fonction de la vitesse pour 100% de la poignée d’accélération Le rendement en régime établi de vitesse en fonction de la poignée d’accélération est représenté sur la figure 3 pour le moteur-roue Crystalyte, ainsi que la vitesse et la puissance. Pour le moteur-pédalier Bafang, c’est quasiment identique. Fig. 3 : caractéristique du moteur HS3540 en fonction de la poignée d’accélération et avec une pente de 0% Lorsque la pente est de 5% alors la puissance résistive augmente fortement ce qui entraine souvent la saturation du courant batterie. Le rendement est alors compris entre 77% et 50% en fonction de la position de la poignée d’accélération comme on peut l’observer sur la figure 4. Fig. 4 : caractéristiques du moteur HS3540 en fonction de la position de la poignée d’accélération avec une pente de 0% (traits pleins) et 5% (pointillés) En conséquence, avec une motorisation électrique, il ne faut pas solliciter le moteur à des vitesses trop faibles, ceci afin de garder un bon rendement et un faible échauffement du moteur et du contrôleur. L’énergie consommée lors d’une montée ne dépend que des rendements et correspond à l’équation suivante (8) : m moteur controleurE (W.h) ( M g D ) / (3600 )       Remarque : en 2016, le moteur-roue Mxus 4505 de 3000W est celui qui a le meilleur rendement (90%) sur le marché car il a une faible résistance équivalente (0.12Ω), mais une masse de 8.5kg. Si le rendement entre le moteur-pédalier est quasi identique à celui du moteur-roue avec une commande par poignée d’accélération, la différence notable entre un moteur pédalier de 750W et un moteur roue de 2000W est la vitesse maximale en montée et le temps de fonctionnement en montée lié à la saturation de la puissance sortant de la batterie. Par conséquent, pour le moteur 750W, il faut un contrôleur de 20A sous 50V (20A correspond au courant de limitation batterie). On pourrait alors croire que la puissance maximale ne pourra jamais être dépassée avec ce choix de courant maximal de la batterie. Mais le temps de fonctionnement avec une pente de 5% et une masse de 125kg est de 26 minutes à 30km/h comme le montre la figure 5 (« overheat in» pour un courant moteur de 33A). Pire, le fonctionnement ne sera que de 5 minutes pour une pente à 10% et à 16km/h. En effet, il ne faut pas confondre courant batterie et courant moteur qui provoque l’échauffement du moteur. Fig. 5 : Caractéristique du pédalier avec une pente de 5% Ce n’est pas parce que le moteur HS3540 est plus puissant qu’il ne sera pas affecté par cette limite thermique alors que la puissance utile est seulement de 700W. En effet, cela dépend des pertes du moteur, donc de la vitesse. Mais on peut observer sur la figure 6 qu’il n’y aura pas de dépassement thermique pour la même puissance moteur que la courbe précédente. Rendement (%) Puissance résistive (W)/15 Vitesse (km/h) Poignée d’accélération (%) Rendement (%) Vitesse (km/h) Puissance résistive (W)/15 Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 52 Fig. 6 : caractéristique du moteur roue avec une pente de 5% Le choix de la constante de vitesse du moteur brushless conditionne la vitesse maximale atteignable étant donnée la tension batterie. Il existe chez les mêmes constructeurs différentes possibilités de bobinage. Exemple : il y a plus de spires pour un moteur couple HT3525 que pour le HS3540 afin d'obtenir plus de champ magnétique. Mais, pour un même encombrement, la section de fil est plus faible, d’où une résistante équivalente plus importante et égale à 0.35Ω. Ce moteur peut donc supporter un courant moteur moins important pour la même puissance dissipable. La puissance maximale du moteur va donc dépendre de la tension de la batterie et du courant de limitation du contrôleur. Pour protéger efficacement notre moteur, les deux solutions suivantes seraient judicieuses en plus de la limitation du courant batterie : - limitation du courant moteur, - mesure de température sur le bobinage. Mais ces 2 solutions sont rarement proposées. De plus, l’échauffement du contrôleur est à prendre en compte en fonction du courant moteur, car étant donné que le contrôleur a une constante de temps thermique plus faible que celle du moteur, c’est lui qui sera susceptible d'être endommagé le premier. Notons cependant que très peu de concurrents ont abandonné pour ces problèmes de limitation thermique. D'un point de vue mécanique, le moteur-pédalier génère un effort important sur la transmission (chaine, roue libre…), d’où une puissance maximale de 1000W. Exemple de détermination de la puissance du moteur pour obtenir une certaine vitesse en montée, à partir de l’équation (1) : soit un vélo couché avec une masse totale de 145kg, un coefficient kaero de 0.0065, une pente de 5% et une vitesse de 25km/h. Alors la puissance du moteur devra être de 634W et de 1130W pour une pente de 10%. Mais quel type de batterie choisir comme réserve d’énergie pour ce challenge ? 2.4. Batterie La batterie devra permettre une demi-journée de réserve énergétique (1000W.h) sous une tension de 50V. On en déduit une capacité énergétique de 20A.h. S’il y a plus d'une demi journée de mauvais temps, les concurrents ne pourront compter que sur leur puissance musculaire. Les batteries sont de type LiPofer ou Li-ion. Les Li- ion ont une masse et un volume légèrement plus faibles que les LiPofer. Les LiPofer sont commercialisées en poche ou en cylindres alors que les Li-ion le sont sous la forme d'un assemblage « 18650 » cylindrique. En effet, les « 18650 » sont très vendues d’où leur coût de fabrication qui a fortement diminué depuis 2013. Le tableau 2compare ces 2 technologies. Type de batterie prix masse Li-ion 13S7P 400€ 5kg LiPofer 15S7P 400€ 9.5kg LiPofer 15S punch 600€ 7.5kg Tableau 2 : comparaison de type de batterie Le taux de décharge à 2C (40A), n’est pas un problème pour les batteries. Le système de gestion de la batterie (Battery Management System - BMS) déleste la consommation de la batterie lorsque celle-ci est vide [8]. Maintenant que la technologie des batteries a été présentée, nous allons comparer les solutions techniques mises en œuvre par deux concurrents qui ont fait des choix diamétralement opposés. 2.5. Comparaison de deux prototypes et résultats Le tableau 3 donne, pour les deux concurrents, la masse du véhicule sachant que la puissance maximale des motorisations est identique et que la vitesse maximale est de 45 Km/h. On peut observer sur les 2 figures suivantes les deux véhicules. Fig. 7 : vélo couché Suntrip 2015 de Bernard Cauquil [9] Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 53 Fig. 8 : vélo cargo Suntrip 2015 d’Eric Morel [10] Par contre, la surface de modules PV est bien inférieure pour le vélo cargo que pour le vélo couché, d’où une production moindre. Le poids du support mécanique des modules PV n’est pas négligeable et est équivalente au poids de la remorque sans les roues. A ce sujet, notons que le vélo cargo n’avait pas d’énergie d’avance (tout au plus 15%), alors que le vélo couché a toujours gardé une réserve de plus de 40% d’énergie dans sa batterie. Les infrastructures de camping dans certains pays étant très précaires, cela oblige tous les participants au SunTrip à avoir une tente et à devoir gérer une quantité d’eau relativement importante. Sur le tableau 3, on peut observer les consommations, productions et vitesses moyennes journalières. Lors d’une forte baisse de la production conséquente à une météo défavorable, la puissance électrique est moins utilisée et impacte la vitesse moyenne sur la distance parcourue. Il est à noter qu’il y a aussi eu deux jours de voyage en ferry et deux jours de visite à Antalya. Type de vélo Masse totale sans bagage Batterie Type de moteur Vites se max Bagages = vêtements, eau, nourriture outillage Panneau : surface + support produc/jour+MP PT Consom- mation moyenne du prototype Temps moyen/J Vitesse moyenne /jour + Km/jour Dénivelé, distance, consom- mation totale Vélo cargo+ cycliste+ age 63 kg 68 kg 36 ans 36V 1000W.h 6 kg Pedalier PMF 700W 45 km/h 6kg+ 2 litre, 2,5kg 1.6 m2 , 300Wc 14,8kg, 1272 W.h/jour 5.9 W.H/ Km 9 H/jour 24.4 km/h/jour 214km/J 45861 m 6612km 36753W.h Vélo couché+ cycliste+ âge 55kg 75 kg 56 ans Li Mn 48 V 22 Ah Roue Ezee 750W 45 km/h 15 kg + 5 litres, 5 kg outil 2.2 m2 , 405Wc, 18 kg 2100 W.h/jour 7.5 W.H/ Km 9.62 H/jour 27,52 km/h/jour 265km/J 45861m 6952km 53230W.H Tableau 3 : comparatif des concurrents Fig. 9 : prototype couché : consommation W.h (bleu), production(W.h) (marron), vitesse moyenne*100 (km/h) (vert) Le choix de la vitesse moyenne en fonction du dénivelé et de la production solaire n’est pas aisé et repose sur la stratégie adoptée par chaque concurrent. La figure 10 présente la vitesse moyenne, la distance et le dénivelé positif pour chaque journée. On peut observer des dénivelés positifs à plus de 3000m/jour avec des vitesses moyennes aux environs de 30 km/h. Concernant la consommation journalière, il faut ajouter 39,5W.h pour le GPS, l’instrumentation et l’éclairage. Fig. 10 : prototype couché, vitesse moyenne*100 (km/h), distance journalière*10 (km), dénivelé positif (m) Etant donné que le temps de roulage quotidien est d’environ de 10 heures, l’énergie journalière que doit fournir chaque cycliste correspond à l’équation suivante, sachant que le rendement musculaire humain est de 25% (9) : C cycliste humainE (W.h) P t / 1000   L’énergie dépensée chaque jour par le cycliste est donc d'environ 5000W.h correspondant à 4300kcalories ce qui représente une énergie alimentaire très importante. Ainsi 5000W.h correspondent à 2.5 kg de pain soit 10 baguettes de pain (10€). En Europe, 5000W.h électrique ne coûtent que 0,50€. Le prix l’énergie électrique est très faible par rapport à celui de l’énergie musculaire. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 54 Il est légitime de penser que sans le module PV (18 kg) et avec un coefficient d'aérodynamisme de moins de 0.002 W.h/(km/h)3 , la consommation énergétique serait plus faible. De plus, avec des chargeurs de batterie de 1000W, une prise traditionnelle classique suffit. Toutes les maisons des pays traversés sont connectées au réseau de distribution de l’électricité. Par conséquent, le temps dédié à la restauration du cycliste correspond, bien souvent, au temps nécessaire de recharge du véhicule et, par conséquent, il semble préférable d’installer les modules PV sur un toit plutôt que sur un véhicule. Mais dans ce cas, le camping sauvage n’est plus possible, ce qui n’est pas dans l’esprit (d'autonomie énergétique !) du SunTrip. 2.6. Stratégie de gestion de l'énergie solaire Une stratégie de charge de la batterie consiste à rester le plus possible dans une plage comprise entre 40 % et 80 % de la charge batterie. Le vélo couché n’est descendu à 40 % qu'une seule fois lors de la 3ème étape à cause d’une météo défavorable. Par contre, il est parvenu plusieurs fois à dépasser les 80 % de charge. Ces 80% lui donnent la capacité d'appréhender tous les paramètres (ensoleillement en fonction de l'heure, la météo, le relief du parcours). Cette stratégie permet de lisser la consommation sur l'ensemble de la journée. 2.7. Stratégie de charge pour les cycles non solaires Lors du SunTrip, il est interdit de recharger la batterie à partir d'une prise classique sous peine de disqualification. Par contre, lors des « 12 heures de Chartres », où il y a beaucoup de vélo-mobiles, cela est possible et permet donc d’embarquer une batterie d'accumulateurs minimisée. Mais quelle est la vitesse moyenne possible pour faire la plus grande distance avec un chargeur de 720W, de 1.7kg, et pour une pente moyenne de 0.7% ? Le rapport énergie/distance est un bon compromis pour connaitre la consommation d’un véhicule. Ce rapport correspond aussi au rapport puissance résistive / vitesse et donne une équation du second degré qui peut se simplifier sous la forme d'un polynôme du premier ordre (10) :   aero sansmotor sansmotorV 2 k 60 (V V ) VConsoR       La vitesse sans moteur correspond à la vitesse moyenne obtenue lorsqu'il n’y a pas besoin de moteur. Cette vitesse correspond à l’équation suivante (11) : sansmotor humaine pente V ( km / h ) P 3.6 / (( Cr) M g ) 100      Cette vitesse est valable si la puissance musculaire fournie est inférieure à 150W ce qui permet de négliger le coefficient d’aérodynamisme. Elle correspond au début de la consommation électrique comme on peut l’apercevoir sur la figure 11. On peut d'ailleurs observer que le tricycle caréné consomme beaucoup moins d’énergie électrique que le vélo couché avec modules PV. Fig. 11 : consommation entre 2 véhicules pour une pente de 0.7% et une puissance humaine de 100W Pour un temps de course donné et un nombre d’arrêts de recharge donné, la vitesse moyenne peut être déterminée par la résolution de l’équation suivante sachant qu’à chaque arrêt, on considère que la batterie est vide. A chaque départ, on considère la batterie pleine (12): course roulagetemps ( h ) temps N tempscharg e ( N 1)     course Chargeur EnergieBatt EnergieBatt temps (h) N ( N 1) puissance(V ) puissance     N correspond au nombre de roulages. La distance parcourue est déterminée par l’équation suivante avec la vitesse moyenne qui permet de décharger la batterie en totalité pendant le temps de roulage/N (13) : max coursemoynneDistance (temsps tempscharv ge ( N 1)ite s )s e     Exemple : pour un temps de course de 12h, avec N=3 (donc avec 2 temps de recharge complète), une batterie de 1000W.h, une puissance musculaire de 100W, une puissance de recharge de 720W, le temps de charge sera de 2,7h. Avec le tricycle caréné, la vitesse moyenne est déterminée après la résolution d'une équation du troisième degré et correspondra à une vitesse de 49km/h. La distance effectuée sera de 452km avec une consommation électrique de 3000W.h (6.63W.h/km) et une énergie musculaire fournie de 930W.h. Si l’on ne prévoit qu’une seule charge, la vitesse moyenne devra être de 40.47km/h et la distance parcourue diminuera à 429km, avec une consommation électrique de 2000W.h (4.66W.h/km) et un apport énergétique humain de 1065W.h. Dans cet exemple, il n’y a pas beaucoup de différence entre la distance parcourue maximale avec 2 phases de charge et 1 seule phase de charge. Si l’on ne prévoit aucune charge, alors la vitesse moyenne passe à 31km/h. La distance parcourue sera de Vitesse (km/h) Consommation électrique moyenne (W.h/km) Vélo couché +panneau PV Tricycle caréné leiba Vsansmotor Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 55 377km mais avec une consommation électrique de 1000W.h (2.65W.h/km) et un apport d’énergie humaine de 1200Wh. Par contre, la fatigue musculaire sera importante et jouera sur les besoins physiologiques de l’humain (pause toilettes, pauses repas, lucidité, …), qui le pousseront à s’arrêter un minimum de temps. Pour une batterie donnée, on peut observer sur la figure 12 que la vitesse moyenne doit être modérée en fonction du temps de course donc du temps de roulage : Fig. 12 : vitesse moyenne et distance parcourue en fonction d’un temps de course avec 2 arrêts de recharge à 100% et une pente de 0.7% pour le tricycle caréné et une puissance humaine de 100W Cette stratégie peut être appliquée à n’importe quel véhicule électrique où les temps de charge sont longs. Dans le contexte du voyage, il faut connaitre la distance entre 2 bornes de recharge et gérer sa consommation en fonction de sa vitesse. En effet, en France, de nombreuses zones commerciales ont des bornes de recharges électriques gratuites. Mais il y a aussi la possibilité de demander un branchement sur le lieu de l'arrêt repas afin de maximiser sa capacité énergétique et réduire l’anxiété liée à la gestion du parcours restant. Sur les routes, la vitesse est imposée par le flot de véhicules ou par le type de route qui contraint de respecter une vitesse limite et donc impose une consommation. Par conséquent, lors d'un déplacement sur une grande distance, la capacité de la batterie est fonction de l’autonomie désirée et impose de ne faire qu’un seul arrêt le midi. 2.8. Budget du prototype Le budget est souvent un problème et nécessite d'effectuer des compromis pour la réalisation d’un prototype. En voici une estimation. Sachant qu’un tricycle caréné a un coût d’environ 6000 €, un vélo couché d’environ 2500€ (ces cycles sont fabriqués en quantités artisanales et sont donc relativement chers), un moteur de 300€ à 600€, un contrôleur de 250€ à 400€, une batterie de 1000W.h de 400€ à 600€, l’instrumentation électrique de 360€ [11], l’instrumentation de puissance musculaire de 150€, les panneaux solaires de 1000€ à 1500€, le régulateur MPPT de 200€ à 400€, les sacoches de 200 € à 300€, les petits accessoires de 300€, le changement de vitesse (Rohloff, N360, classique) de 1000€ à 90€ et enfin les lumières de 100 € à 200 €, le coût d’un prototype oscille donc entre 5000€ à 7000€. A cela s’ajoute le prix du voyage. Cependant, les participants sont souvent néophytes en électricité et en mécanique (comme nos étudiants), mais leur motivation est telle qu’ils apprennent vite les fondamentaux de la technologie (comme nos étudiants). 3. Exploitation pédagogique La réalisation d'un vélo couché a été conduite à l’IUT de Tarbes par le département Génie Mécanique et Productique. Il s'agit d'un système pluri-technologique dans lequel toutes les fonctions sont à analyser. De nombreux tests et mesures sont également à réaliser afin de valider les choix technologiques et les performances attendues. La conception et la fabrication de ce prototype a été menée en module de « travaux de réalisation » mais aussi en module de « projet tutoré ». Ces réalisations permettent un rapprochement entre les départements « génie électrique et informatique industrielle » et « génie mécanique et productique », et parfois même, la collaboration entre différents IUT. Tous les étudiants peuvent tester le prototype, mais aussi le présenter lors de différents événements La communication autour du projet en français et en anglais (poster, vidéo, bilan, …) constitue un exercice important et riche sur ce support. 4. Conclusions La recherche du meilleur compromis pour réaliser un prototype demande une importante réflexion au sein du groupe projet et nécessite de nombreux essais afin de valider les éléments théoriques présentés dans cet article et fiabiliser les solutions techniques réalisées. Le capital sympathie pour ces machines est important. Les échanges et les discussions avec les pilotes et usagers sont facilités par la curiosité du public qui les découvre durant un périple ou lors d'une conférence. Faut-il une compétition pour promouvoir les véhicules autonomes de faible consommation ? Vitesse moyenne*10 (km/h) Distance (km) Temps de course Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 56 Faut-il toujours compter, calculer et établir des stratégies pour être le meilleur ? Ce challenge constitue surtout une occasion unique de rouler sur les routes du monde en ayant le plaisir de le faire avec le minimum d'impact sur l'environnement, tout en découvrant de nouveaux paysages, de nouvelles cultures, de nouvelles gastronomies… Et c'est bien sur une belle aventure humaine ! Rassurons ici nos lecteurs : malgré le challenge, l’entraide entre concurrents est de rigueur ! 5. Références [1] http://florianbailly.com/ Voyage France Japon [2] https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89co- marathon_Shell [3] http://www.whpva.org/hpv.html https://fr.wikipedia.org/wiki/Record_de_l%27heure_c ycliste [4] http://thesuntrip.com/ https://www.youtube.com/watch?v=tc47mkLYFss&lis t=PLfZunVn_gcq7EOurXuWU2sRFmh6CbiUiL&ind ex=42 [5] A.Sivert, F.Betin, T. Lequeu, B. Vacossin « Optimisation de la masse en fonction de la vitesse, puissance, autonomie, prix, centre de gravité, frein, d’un véhicule électrique à faible consommation (vélo, vélo–mobile, voiture électrique). Estimateur de consommation sur un parcours. » Revue 3EI N°80, Avril 2015, page 47 à 57 [6] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, « Véhicule électrique à faible consommation. Problématique mécanique des tricycles carénés. Caractérisation avec smartphone ».Revue Technologie N°199, octobre 2015, page 26 à 38 [7] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, « Étude des pneus pour tricycles carénés à faible consommation », Revue Technologie N°201, janvier 2016, page 40 à 48 http://eduscol.education.fr/sti/ressources_techniques/r evue-technologie-ndeg201-sommaire [8] A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu, B. Vacossin« Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique »,Revue Technologie N°84, Avril 2016 [9] Le blog de ma balade en vélo couché 2012 http://www.cheminfaisant.fr [10] https://www.facebook.com/ericsuntrip/ http://thesuntrip.com/eric-morel-st2015/ [11] A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » », Revue 3EI N°81, Juillet 2015, page 52 à 60 Rassemblement de différents type de vélos Le vélo couché en action Le vélo cargo en action

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Journée 3EI – 30 juin 2016 La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Information 5 A partir de 1993, des journées de formation ont été montées à l’initiative de la Revue 3EI. Sous le nom de Journées 3EI « Enseignement de l’Electrotechnique et de l’Électronique Industrielle », elles ont permis d’aborder les thèmes suivants :  3EI'2003 - Eclairage et induction,  3EI’99 - Contrôle et commande des systèmes électrotechniques,  3EI’97 - Les convertisseurs statiques,  3EI’95 - La machine synchrone,  3EI’93 - La machine asynchrone. Le comité de rédaction de la Revue 3EI sous la présidence de Franck Le Gall reconduit une journée destinée à aider les enseignants tant du prébac que du secondaire dans l’élaboration de leurs actions pédagogiques. Pour commencer, cette nouvelle journée se déroulerait dans la région parisienne, plus exactement au CNAM de Paris le 30 juin 2016. Trois conférences seront proposées :  Traction électrique et hybride automobile : M. Nguyen (Ingénieur Renault)  La traction électrique (applications pédagogiques) : Gilles Feld (Enseignant du supérieur)  Les petits véhicules électriques : Arnaud Sivert (Enseignant IUT) Une session poster : Présentation par des enseignants d’activités pédagogiques, ce qui permettra d’échanger des pratiques pédagogiques entre collègues. Si vous êtes intéressé de proposer une de vos activités sur le thème cocher l’item dans le bulletin réponse. Le principe est simple, dans un espace ouvert, aura à disposition un espace afin de présenter son activité. Les autres enseignants passeront ainsi de stand en stand pour échanger. Bulletin d’inscription Journée 3EI – Jeudi 30 juin 2016 de 9h à 12h et de 14h à 17h CNAM – Galerie d’honneur, accès 37 2 rue conté - 75003 Paris NOM :.................................................................. Prénom :........................................................... Session poster : ......... Seriez-vous volontaire pour présenter une de vos activités ? OUI :  NON :  ......... Activité pédagogique présentée :....................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... Prix de l'inscription : gratuit Les repas pourront être pris facilement dans le quartier à vos frais. Bulletin à retourner à l'adresse :................................................revue3EI@gmail.com Journée La

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La Revue 3EI n°84 Avril 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques Horvilleur communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 publicité au rapport Abonnement (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et CEE 40 € Pays hors CEE 50 € Collectivités France et CEE 57 € Pays hors CEE 70 € Réalisation et impression Imprimerie JOUVE Routage et Expédition Imprimerie JOUVE Dépôt Légal : Avril2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n°84 p. 2 Éditorial, p. 3 Bulletins d’abonnements, p. 6 Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des véhicules électriques et hybrides M. SECHILARIU, F. LOCMENT Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Compiègne p. 16 Réseau local de distribution à courant continu et impact du rendement des convertisseurs de puissance : cas d’un micro-réseau intégré dans un bâtiment H. WU, M. SECHILARIU, F. LOCMENT Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Compiègne p. 22 Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu F. LE GALL Lycée Jules Ferry, Versailles p. 31 Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique A.Sivert1 , F.Betin1 , B. Vacossin1 , M.Bosson, T. Lequeu2 1 U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 Soissons, Soissons Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) 2 Université François Rabelais de Tours, Institut Universitaire de Technologie, Département GEII, 37200 Tours, Tours. p. 42 Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD R. DAYA Lycée Jean Jaurès Argenteuil, Argenteuil p. 48 Thermique de l’habitat S. PIETRANICO Lycée le Corbusier Aubervilliers, Aubervilliers p. 55 Simulation thermique par éléments finis J-P. ILARY Lycée Jules Ferry Versailles, Versailles p. 58 Annonces, Publications, Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). La Revue 3EI publication trimestrielle du Cercle Thématique 13-01 de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 00 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Les micro-réseaux DC Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°84 Avril 20162 Le thème de notre publication d'avril traite des micro-réseaux DC. Avec la montée en puissance des sources de production d'énergies renouvelables, on observe un intérêt croissant porté sur les réseaux DC versus les réseaux AC. Outre la simplification des architectures, ces réseaux peuvent aussi jouer un rôle important dans le développement des structures de recharge pour véhicules électriques et hybrides. L'article de Mme Sechilariu et de M. Locment présente l’architecture de puissance d’un micro-réseau DC pour la charge efficace des véhicules électriques et hybrides. Le micro-réseau DC proposé est composé de sources photovoltaïques, d'un stockage électrochimique et d'une connexion au réseau public. Ce système présente de bonnes performances en termes d'efficacité et un contrôle global simplifié. A l'appui de ce premier article, on verra, dans le texte proposé par M. Wu et ses co-auteurs, que la comparaison macroscopique entre le rendement global d’un micro- réseau local CC et un micro-réseau local CA intégrés dans un bâtiment, est à l'avantage du micro-réseau CC dans le cas des bâtiments équipés en sources photovoltaïques. L'article de M. Le Gall sur l'alimentation des variateurs de vitesse par bus à courant continu met quant à lui l'accent sur les aspects industriels des micro-réseaux DC et sur les contraintes de dimensionnement permettant d'en assurer sa stabilité et de limiter les perturbations. Le hors thème rassemble quatre articles très variés qui pourront être utilisés à différents niveaux d'enseignement : M. Sivert et ses collègues présentent un article sur la détermination du niveau de charge des batteries au Lithium. Pour l'application au véhicule électrique, ils proposent une application web d’estimateur de consommation du véhicule qui a été réalisée et testée avec succès ! Deux articles sont consacrés au thème de l'énergie. Le premier est celui de M. Daya, qui nous présente un exemple de séquence réalisée en STI2D. Dans le second, M. Pietranico nous donne les outils nécessaires pour comprendre le fonctionnement d'une pompe à chaleur. Pour clore ce numéro, M. Ilary nous propose une brève introduction au logiciel libre FEMM 4.2 pour le calcul de simulation thermique par éléments finis. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER Comme vous le savez déjà nous avons décidé de relancer les journées 3EI. Cette année, elle se tiendra le jeudi 30 juin 2016 au : CNAM Paris, Galerie d’honneur, accès 37 2 rue conté 75003 Paris Le thème choisi est celui de la "mobilité électrique". Les détails de l'organisation sont donnés en page 5. N'hésitez-pas à vous inscrire pour que cette journée soit un vrai moment d'échange entre nous. La Revue 3EI n°84 Avril 2016 3 Abonnement 3EI La Revue 3EI n°84 Avril 20164 Abonnement REE Journée 3EI – 30 juin 2016 La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Information 5 A partir de 1993, des journées de formation ont été montées à l’initiative de la Revue 3EI. Sous le nom de Journées 3EI « Enseignement de l’Electrotechnique et de l’Électronique Industrielle », elles ont permis d’aborder les thèmes suivants :  3EI'2003 - Eclairage et induction,  3EI’99 - Contrôle et commande des systèmes électrotechniques,  3EI’97 - Les convertisseurs statiques,  3EI’95 - La machine synchrone,  3EI’93 - La machine asynchrone. Le comité de rédaction de la Revue 3EI sous la présidence de Franck Le Gall reconduit une journée destinée à aider les enseignants tant du prébac que du secondaire dans l’élaboration de leurs actions pédagogiques. Pour commencer, cette nouvelle journée se déroulerait dans la région parisienne, plus exactement au CNAM de Paris le 30 juin 2016. Trois conférences seront proposées :  Traction électrique et hybride automobile : M. Nguyen (Ingénieur Renault)  La traction électrique (applications pédagogiques) : Gilles Feld (Enseignant du supérieur)  Les petits véhicules électriques : Arnaud Sivert (Enseignant IUT) Une session poster : Présentation par des enseignants d’activités pédagogiques, ce qui permettra d’échanger des pratiques pédagogiques entre collègues. Si vous êtes intéressé de proposer une de vos activités sur le thème cocher l’item dans le bulletin réponse. Le principe est simple, dans un espace ouvert, aura à disposition un espace afin de présenter son activité. Les autres enseignants passeront ainsi de stand en stand pour échanger. Bulletin d’inscription Journée 3EI – Jeudi 30 juin 2016 de 9h à 12h et de 14h à 17h CNAM – Galerie d’honneur, accès 37 2 rue conté - 75003 Paris NOM :.................................................................. Prénom :........................................................... Session poster : ......... Seriez-vous volontaire pour présenter une de vos activités ? OUI :  NON :  ......... Activité pédagogique présentée :....................................................................................................... ...................................................................................................................................................................... Prix de l'inscription : gratuit Les repas pourront être pris facilement dans le quartier à vos frais. Bulletin à retourner à l'adresse :................................................revue3EI@gmail.com Journée La Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 6 Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des véhicules électriques et hybrides Manuela SECHILARIU, Fabrice LOCMENT Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, EA 7284 AVENUES, Centre Pierre Guillaumat CS 60319, Compiègne 60203 Cedex, France E-Mail: manuela.sechilariu@utc.fr ; fabrice.locment@utc.fr 1. Introduction Les véhicules électriques et hybrides rechargeables (VEH), dont la croissance est prévue dans les années à venir, représentent une étape importante pour parvenir à la transition vers un transport à faible émission de carbone [1]. Cependant, la recharge des VEH augmente la consommation d'énergie en temps réel. En raison du courant élevé nécessaire et en fonction de quand et où les véhicules sont branchés, les bornes de recharge peuvent induire des problèmes techniques et apportent des contraintes supplémentaires dans le réseau public. Les émissions indirectes de gaz à effet de serre dispensées par les stations de recharge dépendent de la combinaison entre la capacité de production d’électricité et la réserve tournante du système d'alimentation électrique. Cette réserve tournante est composée principalement par des centrales basées sur des combustibles fossiles qui sont en ligne, mais non- démarrées, et peuvent répondre à la demande [2]. Afin de répondre à la demande et aux exigences de la charge des VEH, la capacité de cette réserve tournante devrait être élargie [3]. Par ailleurs, concernant les utilisateurs, leurs préférences vont plutôt vers un service de charge des VEH quand ils ont besoin, plutôt que pendant les périodes de moindre demande de puissance (heures creuses). Ainsi, pendant la journée, dans de nombreuses zones urbaines, le réseau public pourrait être très fortement sollicité et stressé. D'autre part, la transition énergétique conduit à l'expansion des sources d'énergie renouvelable, à la production d'énergie distribuée et à leur intégration au réseau public. Cependant, l'augmentation de la production d'énergie distribuée révèle une complexité croissante pour les gestionnaires de réseau en exigeant une meilleure qualité et fiabilité pour la régulation des flux d'électricité, et moins d’écart entre la production et la demande d’électricité. Pour surmonter ce problème, la production d'énergie renouvelable distribuée peut aller vers l'autoconsommation et induire ainsi moins de stress au réseau public. Par conséquent, le concept de micro-réseau (agrégation de sources d’énergie renouvelable et traditionnelle, stockage et raccordement au réseau public) vise à fonctionner comme une source active pour l’équilibrage des Résumé : Cet article présente l’architecture de puissance d’un micro-réseau DC pour la charge efficace des véhicules électrique et hybrides (VEH). Le micro-réseau DC proposé est composé de sources photovoltaïques (PV), un stockage électrochimique et une connexion au réseau public. Par ailleurs, il est supposé que les VEH ont un accès direct à leur entrée DC du chargeur de batterie. Par opposition aux conceptions classiques d'architecture d'alimentation, le générateur PV est couplé directement sur le bus DC sans passer par un convertisseur statique, ce qui n’implique pas de stabilisation de tension DC. Par conséquent, l'efficacité énergétique du système global est augmentée et la complexité de sa commande est réduite. La gestion de l'alimentation proposée est réalisée en temps réel à l’aide d’un algorithme basé sur des règles. Le système conçu permet l’autoconsommation de la production PV en respectant les contraintes physiques imposées par le stockage, et le réseau public est considéré seulement comme une sécurisation en alimentation. La première phase de la modélisation vise à évaluer les principaux flux d'énergie au sein de l'architecture du micro-réseau DC proposé et d'identifier le système de contrôle et les stratégies de gestion de l'alimentation. La deuxième phase de simulation est basée sur la caractérisation numérique des composants du micro-réseau DC et les stratégies de gestion de l'énergie, qui tiennent compte des exigences des sources, des temps de charge de différentes VEH et du vieillissement du stockage électrochimique. Les résultats de simulation montrent la validité du modèle et la faisabilité de l’architecture de puissance du micro-réseau DC proposé. Ce système présente de bonnes performances en termes d'efficacité et un contrôle global simplifié. Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 7 puissances du réseau public. Les micro-réseaux sont des systèmes qui peuvent représenter une option fiable et efficace pour accroître la pénétration des sources d’énergie renouvelable de petite puissance tout en minimisant le coût de l'énergie [4-6], en particulier dans les zones urbaines. En raison de l'impact négatif de l'injection d'énergie totale et permanente, des politiques incitatives dédiées à l'autoconsommation ont été récemment proposées dans de nombreux pays (Espagne, Allemagne, …). Ainsi, face à l'émergence des micro-réseaux AC ou DC [7,8], d'une part, et le nombre croissant des stations de recharge pour VEH, d'autre part, une des solutions est le micro-réseau local [9,10]. Dans ce contexte, des infrastructures dédiées aux stations de recharge équipées de sources photovoltaïques (PV) peuvent être construites. Il s’agit d’une station de recharge de type producteur-consommateur visant l’autoconsommation. L’intermittence des sources PV peut être atténuée par un système de stockage bien intégré dans le micro- réseau [11,12]. Ces micro-réseaux locaux deviennent une alternative à l'injection d'énergie totale et permanente et peuvent réduire la sollicitation du réseau public [13-15]. Aujourd'hui, de nombreuses études se concentrent sur la conception, l'exploitation, l'optimisation et le développement des stations de recharge des VEH. Les batteries des VEH les plus couramment utilisées sont basées sur la technologie Li-ion. Un chargeur rapide de cette technologie est présenté dans [16]; le convertisseur bidirectionnel AC/DC proposé permet un maximum de 25kWh de charge en une heure. Des stations de recharge basées sur des sources PV et avec une gestion optimale d'énergie sont présentées dans plusieurs études [17-21] ; cependant, les systèmes proposés ne prennent pas en compte le vieillissement du stockage. Concernant la charge optimale, en tenant compte des tarifs imposés d'acheter ou de vendre de l'énergie, une méthode d’optimisation économique J-1 est étudiée dans [22], où, conformément à la stratégie V2G (véhicule vers le réseau), un modèle de réduction des coûts à long terme est proposé. Une stratégie intéressante est présentée dans [17] pour laquelle les véhicules peuvent être chargés de manière aléatoire et qui tient compte de l'excès de puissance produite. Un parking équipé d’ombrières PV et d’une connexion au réseau public est proposé en tant que station de recharge dans [18], où la puissance est contrôlée par un algorithme de gestion d'énergie en temps réel. Pour les bâtiments intelligents équipés de générateurs PV, une stratégie de recharge des VEH basée sur l'approche multi-agent est proposée dans [19]. Dans [23] la recharge des VEH est contrôlée afin d'éliminer ou de réduire le stress sur le réseau public, mais l'impact de l'efficacité énergétique n’est pas discuté. Dans ce cas, l'installation PV est connectée au circuit intermédiaire en utilisant un convertisseur DC/DC. Une topologie originale pour une station de recharge basée sur un générateur PV, un stockage d'énergie magnétique supraconductrice et le réseau public est présentée dans [24]. Tous ces composants sont reliés respectivement à un bus DC commun à travers des convertisseurs correspondants. La stratégie de gestion d'énergie proposée met l'accent sur la stabilité de la tension de bus DC et sur le transfert d'énergie entre ces unités. Le micro-réseau DC intégré au bâtiment proposé dans [25] regroupe des sources PV et éoliennes, un stockage hybride et un raccordement au réseau public, le tout sur un bus DC commun qui permet la recharge rapide des VEH. En comparaison avec les contrôles d'affaissement existants (droop control en anglais), les auteurs proposent une stratégie basée sur des courbes similaires à l'état de charge (SOC) du stockage. Toutefois, le contrôle et l'architecture de l'interface nécessaire ou non pour mettre en œuvre le système PV ne sont pas abordés dans ces références. Grâce à l'utilisation d'un convertisseur avec point neutre raccordé au réseau, une architecture de puissance pour une station de recharge des VEH directement en DC est proposée dans [26]. Cela concerne une structure DC bipolaire qui réduit l'effort d’abaissement des chargeurs DC/DC rapides. En ce qui concerne le contrôle, cet article propose un mécanisme d'équilibrage des puissances permettant des variations des charges DC tout en gardant la tension régulée avec précision. Compte tenu de ces différents concepts et stratégies de gestion d'énergie des stations de recharge pour les VEH, il est à noter que ces études ne tiennent pas compte de l'efficacité globale de la topologie. Cet article vise à améliorer les stations de recharge déjà proposées selon deux points : (i) une nouvelle architecture de puissance basée sur un micro-réseau DC capable d'améliorer l'efficacité globale ; (ii) une approche réaliste pour analyser les effets du vieillissement du stockage électrochimique. Le micro-réseau DC proposé est composé d’un système photovoltaïque (PV), un stockage électrochimique et une connexion au réseau public. Ce micro-réseau permet l'autoconsommation d’énergie produite tout en respectant les contraintes du stockage, et le réseau public est considéré seulement comme un appoint d’alimentation. Pour augmenter l'efficacité Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 8 globale de par l’amélioration de l'efficacité d'utilisation du générateur PV et la diminution des coûts et des pertes induites par les convertisseurs, le générateur PV est couplé directement sur le bus DC sans utiliser un convertisseur statique. Ceci induit une absence de stabilisation de la tension du bus DC et moins de complexité concernant la commande. Dans cette étude on considère l’hypothèse que les VEH ont un accès direct à leur entrée DC du chargeur de batterie. Cependant, la fluctuation de la production PV et la variation de la puissance de charge des VEH sont aléatoires et ainsi influencent le transfert de puissance entre les composants de la station de recharge. Pour faire face à ce problème tout en faisant face au vieillissement du stockage, un algorithme en temps réel, basé sur des règles de fonctionnement, est proposé. L’architecture de puissance du micro-réseau DC dédié aux stations de recharge des VEH est décrite dans la section 2. La modélisation globale du micro- réseau DC est présentée dans la section 3 et son système de contrôle dans la section 4. Les résultats des simulations effectuées avec MATLAB Simulink sont donnés et discutés dans la section 5. La conclusion et autres discussions sur les avantages et les limites de la commande proposée sont présentées dans la section 6. 2. Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des véhicules électriques La station de recharge conçue sur la base d’un micro-réseau DC est illustrée sur la Figure 1(a). (a) (b) Figure 1. Micro-réseau DC dédié aux stations de recharge des VEH (a) et image de synthèse (b). Ce système est composé d'un générateur PV, une connexion au réseau public, des batteries intégrées aux VEH et un stockage électrochimique. Ces composants sont reliés directement ou indirectement au bus DC commun. Ce système représente en effet le projet en cours de réalisation d’un parking du Centre d’Innovation de l’Université de Technologie de Compiègne comme le montre la Figure 1(b) [27,28]. Pour ce système, la production d’électricité générée localement est utilisée où, quand et comment elle est générée ; il s’agit d’un fonctionnement en autoconsommation. L'électricité PV produite est principalement destinée à la recharge des VEH. Le stockage représente une source d'énergie supplémentaire pour alimenter les VEH ou absorber l'excédent de l'énergie produite. Le raccordement au réseau public est utilisé comme une sécurité en alimentation et afin de vendre l'énergie excédentaire. Pour une faible production PV, la puissance complémentaire nécessaire pour charger les VEH est assurée principalement par le stockage, et ensuite par le réseau public. En revanche, si la production PV est supérieure à la puissance totale demandée par les VEH, le micro-réseau DC charge en priorité le stockage jusqu’à sa limite maximale, et seulement par la suite injecte l'excédent d’énergie dans le réseau public. Le schéma électrique de l'architecture de puissance proposée pour le micro-réseau DC est donné sur la Figure 2. Comme l'efficacité énergétique peut être améliorée en éliminant la conversion d'énergie, le générateur PV est directement relié à la liaison du bus DC commun sans convertisseur statique. Quant aux VEH et stockage, ils sont connectés à la même liaison de bus DC mais à travers leurs convertisseurs statiques dédiés dont les fonctions de commutation sont respectivement fVEH et fSTO. Cette architecture de puissance est expliquée par le fait que la tension du circuit intermédiaire est estimée dans ce cas d’étude à environ 1000V DC. Par conséquent, afin d’alimenter correctement les VEH et de charger le stockage, des convertisseurs statiques sont nécessaires. Le raccordement au réseau public est réalisé par un convertisseur AC/DC bidirectionnel triphasé avec les fonctions de commutation suivantes : fA, fB et fC. Toutes les fonctions de commutation sont égales à 0 ou 1. Des bobines et condensateurs sont utilisés pour correctement interfacer les différents éléments. En supposant qu'il n'y a pas de pertes à travers les bobines, les condensateurs et les câbles, et en négligeant les pertes totales des bras de convertisseurs de puissance, l’équilibrage des puissances du micro- réseau DC est donné par (1) : PV RP STO PV VEH PV dv p p p p v C dt      (1) où pRP, pSTO et pVEH sont respectivement la puissance du PV Réseau public VEH Stockage Bus DC C Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 9 Figure 2. Schéma électrique de l’architecture de puissance pour le micro-réseau DC. réseau public, du stockage et du système VEHen charge, νPV est la tension du générateur PV, et C et le condensateur de liaison DC. L'équilibrage des puissances montre que les variables d'ajustement sont le réseau public et le stockage avec le respect de leurs limitations physiques et fonctionnelles. La puissance de référence p* nécessaire pour l’équilibrage est définie par (2): * * *RP STOp p p  (2) Où la puissance de référence du réseau publicpRP* etpuissance de référence du stockagepSTO* sont définies par (3) selon la stratégie présentée.   * * avec [0,1] * 1 * STO RP p K p K p K p       (3) Pour cela, un coefficient de distribution K est introduit et défini comme présenté dans (3). 3. Modélisation du système de charge des véhicules électriques et hybrides Suivant le schéma électrique du micro-réseau DC donné sur la Figure 2, tous les éléments sont reliés électriquement au bus commun DC représenté par le condensateur C. Ce couplage électrique est modélisé par (4): ' ' 'VEHPV STO LPV i i i idv dt C     (4) 3.1. Modélisation du générateur PV La station de recharge proposée est basée sur 560 panneaux PV (60M250, SILLIA, Lannion, France), dont la puissance est estimée à 140kW dans des conditions de test standard. Afin d’obtenir la tension maximale de 1000V, les 560 panneaux PV sont disposés en parallèle et en série : 20 branches parallèles de 28 panneaux en série par branche. Le générateur PVest modélisé comme une source d'énergie qui fournit un courant iPVlorsque la tensionvPV est imposée, soit pPVla puissance (pPV=vPV∙iPV). La tension vPVest imposée par un algorithme de suivi du point de puissance maximale (MPPT). Cependant, pour des cas extrêmes, un contrôle limité de puissance PV pourrait également être appliqué. Dans ce travail, lorsqu'un contrôle MPPT est nécessaire, la méthode utilisée pour extraire le maximum de puissance, pour toutes valeurs d'irradiation solaire et de température de cellulePV, est "Perturber & Observer" (P&O) [29, 30]. Les évolutionsdepPVet iPVsous un rayonnement solaire de 1000W/m² et pour différentes températures de cellule PV sont présentées sur laFigure 3. Figure 3. Puissance pPV et courant iPV du générateur PV sous 1000W/m² et pour différentes températures de cellule PV. 3.2. Modélisation de la recharge des batteries des véhicules électriques et hybrides Dans cette étude, les batteries de tous les VEH sont basées sur la technologie Li-ion. La recharge des batteries Li-ion est réalisée par un mode en courant constant (CC) suivi par un mode à tension constante (CV), à savoir, la procédure CC/CV [31]. Pendant le mode CC le courant de charge reste constant jusqu'à ce 'i PVv Af C Bf Cf PV L Bi L Ai L 'ACu 'BCu PVi STOi STOv 'STOv STOf 'STOi STOL Stockage ACu BCu ' Av 'Bv 'Cv Ci LVEH iVEHi VEHC VEHv 'VEHv VEHf 'LVEHi VEHL VEH Réseau public 600 700 800 900 1000 1100 1200 0 50 100 150 200 (kWandA) v PVA (V) iPVA (35°C) iPVA (45°C) iPVA (55°C) iPVA (25°C) pPVA (25°C) pPVA (55°C) pPVA (45°C) pPVA (35°C) et PV Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 10 que la tension monte à une tension de coupure. Pendant le mode CV, la tension reste constante, tandis que le courant chute. Cette procédure CC/CV est supposée être pilotée par un système de gestion de batteries déjà intégré dans les VEH. Pour émuler la recharge d’un VEH, une procédure CC/CV a été appliquée à une cellule 26650 LiFePO4 (A123 Systems LLC, Waltham, USA) et enregistrée. Le profil de recharge CC/CV d’un VEH est considéré comme proportionnel au profil enregistré sur une cellule. Selon les modes d'utilisation, les profils de recharge proposés dans cette étude sont :  charge rapide pour une période de 30 minutes ;  charge moyenne pour une période de 1h30 ;  charge lente pour une période de 4h00. Pour un seul VEH et pour ces trois profils de recharge, la puissance de la batterie de VEH, noté pVEH1, et son état de charge, noté SOCVEH1, sont présentés sur la Figure 4. Figure 4. Puissance pVEH1 et état de charge SOCVEH1 pour un seul VEH. Ces caractéristiques sont obtenues en couplant 28 branches parallèles de 120 cellules en série ; avec la tension de 3,6V par cellule. L'énergie totale stockée est d'environ 24kWh. Selon le type de véhicule, l'état de charge de sa batterie, le niveau de tension de recharge, le niveau du courant de recharge et le temps de charge exigé, la puissance totale des VEH en charge le flux de puissance varie de manière aléatoire. Concernant le schéma électrique (Figure 2), la modélisation de la recharge des VEH est donnée par (5) : 0 ' ' ' ' 1 avec 0 ;1 ' VEH VEH VEH VEH VEH VEH VEH VEH PV VEH VEH PV L VEH L L VEH L T VEH VEH VEH L VEH VEH VEH L VEHVEH VEH v f v v m v i f i i m i m f dt m T di v v dt L i idv dt C                    (5) oùv’VEH et i’VEH sont respectivement la tension et le courant à la sortie du convertisseur du sous-système VEH, vVEH et iLVEH sont respectivement la tension et le courant à l’entrée du convertisseur du sous-système VEH, mVEH est la variable de contrôle du sous- systèmeVEH, iVEH est le courant du sous-système VEH, LVEH et CVEH sont respectivement la bobine et le condensateur associés au sous-système VEH, T est la période et t la variable temporelle. Afin de simplifier la simulation numérique, les hypothèses concernant la recharge des VEH considérées dans cette étude sont les suivantes :  arbitrairement, on considère que 15 VEH peuvent être rechargées en même temps;  pour chaque VEH, l’opération de recharge commence à partir de SOCVEH=0 ;  tous les VEH restent en position de recharge pour atteindre la procédure CC/CV de charge complète (pour remplir complétement la batterie). La Figure 5 montre l’évolution dans le temps de la puissance totale absorbée par les quinze VEH (pVEH=vVEH∙iVEH), ainsi que les périodes et type de charge utilisés. Figure 5. Puissance totale pour l’ensemble des quinze VEH en charge. 3.3. Modélisation du stockage électrochimique Le stockage électrochimique est une source d'énergie complémentaire pour le micro-réseau DC. C’est est un système composé de 35 batteries 12V/230Ahen série. Par conséquent, l'ensemble du système de stockage est caractérisé par 420V/230Ah. Les équations de modélisation du système de stockage sont exprimées par (6): 0 ' ' ' ' 1 avec 0 ;1 ' STO STO PV STO STO PV STO STO STO STO STO STO T STO STO STO STO STO STO STO v f v v m v i f i i m i m f dt m T di v v dt L                  (6) oùv’STO et i’STO sont respectivement la tension et le courant du stockage de côté du bus DC (après le convertisseur dédié au stockage), où vSTO et iSTO sont respectivement la tension et le courant du stockage 0 3600 7200 10800 14400 0 20 40 60 80 100 Time (s) (kWand%) pPEV for "fast" mode SOC PEV for "fast" mode p PEV for "average" mode SOC PEV for "average" mode p PEV for "slow" mode SOCPEV for "slow" mode et Temps pVEH1 pour charge rapide SOCVEH1 pour charge rapide pVEH1 pour charge moyenne SOCVEH1 pour charge moyenne pVEH1 pour charge lente SOCVEH1 pour charge lente (slow)Vehicles 1, 2 and 3 (average)Vehicles 4, 5 and 6 (slow)Vehicles 7, 8 and 9 (fast)Vehicles 10, 11 and 12 (average)Vehicles 13, 14 and 15 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 17h 18h 0 100 200 300 pPEVs (kW) charge rapide charge moyenne charge lente charge moyenne charge lente VEH 10, 11 et 12 VEH 13, 14 et 15 VEH 7, 8 et 9 VEH 4, 5 et 6 VEH 1, 2 et 3 pVEH Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 11 avant le convertisseur, mSTO est la variable de contrôle du stockage et LSTO est la bobine du sous-système du stockage. 3.4. Modélisation de la connexion au réseau public Le réseau public considéré est un réseau basse tension 230V/400Và 50Hz. La modélisation du raccordement au réseau public est basée sur le modèle de convertisseur triphasé. Ainsi, les tensions simples des trois phases, v'A, v’B et v’C, et les fonctions correspondantes de commutation du convertisseur triphasé, fA, fB etfC, sont utilisées comme indiqué par (7): ' ' ' ' ; ' ' ' ' ' A A AC A C B B PV BC B C C C v f u v v v f v u v v v f                                ' ' ' ' ' ' A A A C A B PV B PV B C B C C v v f f m v v v v f f m v v                              0 1 avec 1;1 A A C AT B B C B m f f m dt m f f mT                        (7) Où u’AC et u’BC sont les tensions en sortiedu convertisseur triphasé entre les phases A et C, et respectivement B et C,et mA et mB sont les variables de contrôle duconvertisseur triphasé. Le courant i' est exprimépar (8)en utilisant les courants des trois phases iA, iB et iC:     ' avec 0 ' ' A A B B C C A B C A C A B C B A A B B i f i f i f i i i i i f f i f f i i m i m i             (8) La connexion entre le convertisseurtriphasé et le réseau public est faite par des lignes électriques considérées sans inductance mutuelle, mais avec des inductancesL et des résistances internesR. La relation entre les tensions et les courants de lignes électriques est donnée par (9): ' 2 2 2 2' AC AC A A BC BC B B u u L L i R R id L L R Ru u i idt                                    (9) où est uAC et uBC sont les tensions du réseau public entre les phases A et C, et respectivement B et C. Le système complet dispose de six variables d'état, vVEH, iLVEH, iSTO, vPV, iA et iB, et de quatre variables de contrôle, mVEH, mSTO, mA et mB. Unsystème de contrôle adapté à la stratégie décrite est nécessaire ; il est présenté dans la section suivante. 4. Système de contrôle pour le micro-réseau DC Le système de contrôle calcule les entrées du système pour lequel la sortie désirée est obtenue. Par conséquent, la structure de contrôle du système peut être considérée comme un modèle d'inversion du système. Ainsi, il est appliqué, d'une part, l'inversion directe (sans contrôleur) pour les éléments qui ne sont pas dépendants du temps, et, d’autre part, une inversion indirecte(contrôleur) pour les éléments qui sont dépendants du temps. Les éléments d'accumulation sont inversés en utilisant un contrôle en boucle fermée. Le système de contrôle pour le micro-réseau DC est déduit de la modélisation décrite dans la section 3. La variable de commande mVEH impose une tension DC constante, vVEH, aux bornes des VEH. En utilisant les règles spécifiques d’inversion susmentionnées, il est obtenu :     ' * * * * ' * * VEH VEH VEH VEH VEH L L VEH L VEH VEH VEH VEH VEH VEH PV v CI i i v i CV v v i v m v        (10) oùv’VEH* et vVEH* sont les tensions de référence, iLVEH* est le courant de référence, CIVEH est un correcteur proportionnel-intégral avec une bande passante de 500Hz, et CVVEH est un correcteur proportionnelle avec une bande passante de 50Hz. Le correcteur proportionnel-intégral et le correcteur proportionnel ont été définis par la méthode de placement des pôles. Les variables de contrôle mA, mB et mSTO imposent une tension DC variable vPV aux bornes du PV. La valeur de cette tension de référence (vPV*) est imposée par l'algorithme MPPT. Par l’inversion de (4) on obtient (11):  '* ' * * ' VEHSTO PV PV PV Li i CV v v i i      (11) oùi'*, i’STO* et vPV* sont respectivement des référencesde courants et de tension. Le condensateur C est considéré comme un intégrateur pur et les perturbations liées àiPV et i’LVEH sont supposées être compensées ; donc, CV est un correcteur proportionnel. Basé sur l'hypothèse selon laquelle il n'y a pas de pertes dans le système et compte tenu de la répartition de la puissance, la référence de puissance active du réseau public, sur le modèle à deux phases alpha-bêta est égal à :  * '* 1 * * *RP PVp v i K p v i v i          (12) avec : 23 1 1 , ,1 - - , 2 2 2 , , , 3 3 3 , ,0 - 2 2 A A A A B B B B C C C C v i v i v i C v i v i v i v i v i                                      (13) Où vA, vB et vC sont les tensions simples du réseau public. La référence de la puissance réactive est imposée arbitrairement à zéro et est définie par (14) : * * * 0RPq v i v i      (14) Ainsi, les références des courants iα*, iβ* peuvent être déterminées avec (12) et (14) comme suit : Micro-réseau DC dédié aux infrastructures de recharge des VE et hybrides La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 12     2 2 2 2 2 2 2 2 * * 1 * * * 1 * RP RP v v i p K p v v v v v v i p K p v v v v                           (15) Pour simplifier le contrôle des courants, la régulation est effectuée en référence dq en utilisant la matrice de rotation donnée par (16):           * * *cos sin * * *sin cos d q i i i R i i i                                   (16) oùθ est le déphasage entre les tensions (vA, vB et vC) et les courants (iA, iBet iC). Basées sur les références de courant, les expressions des référencesdes variables de contrôle mA* et mB*sont obtenues selon (17):   1 α1 23 β * θ ** * d d q qA B PV i i v C R CI i i vm m v                                  (17) Sachant qu'un équilibrage de puissances est effectuée, la référence de la puissance de stockage est égale à: * ' * * *STO PVA STO STO STOp v i K p v i      (18) avec : * * * STO STO STO STO p K p i v v    (19) L’inversion de (6) permet d’obtenir (20) :     ' * * *' * * STO STO STO STO STO STO STO STO STOSTO STO PV PV v CI i i v CI i i vv m v v        (20) Où v'STO* et iSTO*sont respectivement la référence de tension et la référence de courant, CISTO est identique à CIVEH et possède les mêmes paramètres. 5. Résultats de simulation, analyse et discussions Pour valider le modèle du micro-réseau DC dédié aux stations de recharge des VEH, la simulation du système est réalisée avec MATLAB Simulink. Les résultats de simulation sont obtenus avec les valeurs suivantes: vVEH* = 200V, C

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La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Promotion et Abonnements (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél :01 56 90 37 abo@see.asso.fr tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE .................. 40 € Pays hors UE.................. 50 € Collectivités : France et UE .................. 57 € Pays hors UE.................. 70 € Au numéro : France et UE .................. 12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Octobre 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 86 p. 2 Éditorial, p. 3 Abonnements p. 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines J. COURAULT p. 25 Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps… A. SIVERT 1 , F. BETIN 1 , B. VACOSSIN 1 , J. AUBRY 2 , T. LEQUEU 3 1 Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), IUT de l’Aisne GEII, SOISSONS 2 ESTACA’LAB, « Systèmes et énergie embarqués pour les transports », LAVAL 3 Association e-Kart , Université TOURS TOURS p. 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU 1 , V. DEWANCKER 2 , S. JACQUES 3 , A. SIVERT 4 1 Université François Rabelais de Tours 2 Société Kart Masters SABLE SUR SARTHE 3 Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours TOURS 4 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS p. 44 Batteries de Smartphone (Application, diagnostic) A. SIVERT 1 , B. VACOSSIN 1 , F. BETIN 1 , N. DAMAY 2 1 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS 2 Sorbonne universités, Université de technologie de Compiègne COMPIEGNE p. 53 Hommage Revue 3EI n°0 p. 58 Conversion continu / alternatif pour alimentation ininterruptible A. CUNIERE J.L. EOUZAN Lycée PIERRE DE COUBERTIN MEAUX p. 63 Annonces, Publications p. 67 Abonnements Revue 3EI & REE Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). LaRevue 3EI publication trimestrielle de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 09 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Exemples de tractions électriques Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 2 Ce 86ème numéro de la revue 3EI est consacré à quelques exemples de tractions électriques. Nous poursuivons ainsi notre travail d'exploration sur le thème de la journée 3EI 2016. Les conférenciers de cette journée nous ont exposé avec souvent beaucoup de pédagogie et toujours beaucoup d'enthousiasme des applications aux véhicules routiers (voiture, vélo électrique, karts...). Le thème de ce numéro permettra de poursuivre notre route mais aussi de nous lancer à l'assaut des mers ! Le premier article du thème, écrit par M. Courault, traite de la traction électrique pour les propulsions marines. Son texte d'une très grande densité nous offre un panorama des solutions technologiques mises en œuvre sur les paquebots ou les navires de charge comme les méthaniers. Cette introduction est idéale pour ceux d'entre nous qui, ignorants du domaine, s'interrogent sur le mode de propulsion des géants des mers que sont les "Queen Mary 2" ou autres "Harmony of the Sees" construits par les chantiers STX de Saint-Nazaire. L'article de Arnaud Sivert sur "Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique ; Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps…", rappellera à tous les participants de la journée 3EI, la très enthousiasmante présentation de son auteur mais aussi les intéressantes discussions autour de son bolide dans le hall d'honneur de la salle de conférence du CNAM ! Dans le dernier article du thème, l'équipe de Thierry Lequeu présente leur expérience de la réalisation d'un Kart électrique avec leurs étudiants d'IUT. Bien que le texte soit centré sur le kart électrique, leur expérience est aussi transposable à la réalisation de véhicules non terrestres (bateaux électriques, ULM, treuils électriques...) ou terrestres (Gyropodes, vélo ou tricycles électriques ...). Si vous souhaitez vous lancer dans l'aventure, n'hésitez-pas à vous mettre en contact avec les auteurs... Hors thème : Quoi de plus commun qu'une batterie de Smartphone ? Qui n'a jamais pesté contre un téléphone mobile qui se décharge trop vite ? Que faut-il faire pour optimiser la durée de vie de ses batteries ? Autant de questions que nous nous sommes tous déjà posé et qui sont maintenant presque vitales pour nos étudiants hyper connectés ! Arnaud Sivert et son équipe proposent de répondre à ces interrogations dans un article très pédagogique relatant le travail mené avec leurs étudiants. Les deux derniers articles du numéro 86 constituent un hommage aux fondateurs de la revue3EI. En effet, en mai 1994 paraissait le numéro "0" de la revue. Vous retrouverez deux extraits de ce numéro initial qui lançait cette aventure qui se poursuit depuis 22 ans ! L'ambition de ces fondateurs reste la notre. Nous souhaitons que la revue soit "un moyen favorisant les échanges pédagogiques entre les enseignants" du domaine du génie électrique et plus généralement des sciences et technologies. L'année 2017 arrive à grands pas. N'hésitez pas à nous proposer vos articles que nous serons heureux de diffuser au plus grand nombre. Si vous manquer d'idées de thèmes à aborder, en voici trois que nous envisageons de traiter dans nos prochains numéros :  Les systèmes magnétiques,  Maintenance des systèmes pluri technologiques,  TIPE en CPGE. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER BULLETIN D’ABONNEMENT A LA REVUE 3EI Année 2017 n°87 ( Janvier 2017 ), n°88 ( Avril 2017 ), n°89 ( Juillet 2017 ) et n°90 ( Octobre 2017 ) Pour l’année 2017, nous vous proposons 3 formules d’abonnement :  Formule « papier SEUL »  Formule « papier et accès aux articles numériques au format pdf » sur le site SEE revue 3EI  Formule « accès aux articles numériques au format pdf SEUL » sur le site SEE revue 3EI  Abonnement individuel France et pays de l’UE Pays hors UE Abonnement « papier » 40 € 50 € Abonnement papier et accès aux articles numériques 46 € 56 € Accès aux articles numériques 30 €  Abonnement « collectivités » France et pays de l’UE Pays hors UE Abonnement « papier » 57 € 70 € Abonnement papier et accès aux articles numériques 67 € 80 € L’abonnement collectivités concerne les bibliothèques, CDI, laboratoires, entreprises, universités, écoles d’ingénieur, lycée, IUT …). 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De plus les propulsions électriques autorisent des solutions de propulsions réparties, comme les POD par exemple, qui accroissent la manœuvrabilité des navires. Nous allons dans cet article passer en revue les différents types de conversion dans un mode historique. Ce qui tient compte d’une part des composants de puissance disponibles et d’autre part de nos connaissances en matière de topologie des convertisseurs. Le thyristor, dès le début des années soixante, a été le composant qui a initié, d’une manière générale, les motorisations électriques dans l’industrie. En propulsion marine c’est bien sûr des motorisations avec moteurs à courant continu, pour les petites puissances de l’ordre du mégawat, et cycloconvertisseurs pour les puissances plus élevées qui furent les premières. La seule topologie pratiquée avec ces types de conversion était le pont de Graëtz. Au début des années quatre-vingts sont apparus les premiers IGBT de puissance ouvrant la porte à l’alimentation des machines alternatives et plus particulièrement des machines asynchrones. Parallèlement les algorithmes de contrôle ont été développés et permis d’obtenir des performances comparables, voire supérieures, à celles obtenues avec les machines à courant continu alimentées par ponts de Graëtz. 2. Alimentation des machines par convertisseurs directs. Le pont de Graëtz et le cycloconvertisseur, lui-même constitué de plusieurs ponts de Graëtz sont des convertisseurs directs par opposition à d’autres qui comportent entre réseau et machine un stockage d’énergie, en courant ou en tension, ils sont dits convertisseurs indirects. 2.1. Entrainement des moteurs à courant continu. La topologie du pont de Graëtz est ancienne, elle date du début du 20ème siècle, mais sa généralisation doit beaucoup aux thyristors, qui ne sont apparus sur le marché qu’au début des années 60. C’est dans le domaine des petites puissances (P<1MW) que se font les premières propulsions, principalement quand une Résumé : Dans cet article sont évoqués et comparés les convertisseurs ou variateurs de vitesse utilisés pour la propulsion des navires de surface à vocation commerciale. Quelques explications sur les fonctionnements possibles du cycloconvertisseur sont données, avantages et inconvénients, principalement pour les réseaux de bord. Ce convertisseur, fut le premier à être utilisé en propulsion, aujourd’hui il peut être considéré comme obsolète du fait du développement des convertisseurs dits indirects. Pour les puissances supérieures à environ 16 MW les convertisseurs indirects en courant sont difficilement contournables. Quelques explications sont données sur ces convertisseurs (redresseur / onduleur) peu pris en considération dans la littérature technique. Pour les puissances plus faibles, du fait du développement des composants blocables par la commande, les alimentions en tension s’imposent. Les schémas possibles sont nombreux, plusieurs sont évoqués, en particulier avec des solutions multiniveaux adaptés pour monter en tension, donc en puissance. Ces convertisseurs dits MLI voire DTC, sont largement expliqués dans la littérature technique, c’est la raison pour laquelle les fondamentaux ne sont que partiellement évoqués. Cependant, il ressort de cet article que les pulsations du couple électromagnétiques sont fondamentales, elles doivent être connues des mécaniciens qui dimensionnent les lignes d’arbres : ces pulsations font l’objet d’une évaluation. Quelques architectures de propulsion sont proposées, avec leurs avantages et leurs inconvénients, certaines sont classiques d’autres plus futuristes elles s’inscrivent dans une évolution possible. Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 5 fonction de positionnement dynamique est requise : en recherche scientifique ou dans l’industrie pétrolière. Le pont de Graëtz ne permet pas naturellement la réversibilité en couple des machines, le courant est unidirectionnel. Cette réversibilité étant le plus souvent souhaitée, plusieurs solutions ont été envisagées :  Deux ponts antiparallèles. o Circulation de courant (hautes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Logique de basculement (bonnes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Bande morte (calage au repos >140°, performances dynamiques très suffisantes en propulsion).  Réversibilité par le champ. Suffisante dans une grande majorité des cas. A une époque les thyristors étaient des composants coûteux, donc une réversibilité par le champ, en inversant le courant d’excitation, conduisait à des coûts moindres. Avec ces dispositifs les quatre quadrants de l’espace Cmot, rotation sont accessibles. Mais les difficultés principales, qui sont essentiellement liées à la maintenance des moteurs à courant continu, demeurent (balais et collecteur). Aujourd’hui le moteur à continu est totalement abandonné. 2.2. Entrainement des moteurs à courant alternatif. La puissance de certains moteurs de propulsion dépasse les 20 MW, l’utilisation du moteur à courant continu était impossible, les machines synchrones étaient les seules possibles à ce niveau de puissance. C’est dans ce but que les cycloconvertisseurs ont été développés et utilisés. Ils peuvent alimenter aussi bien des machines synchrones que des machines asynchrones. Figure 1 – Principe du cycloconvertisseur Pendant plusieurs décennies le cycloconvertisseur a été considéré comme le convertisseur par excellence des propulsions de navires, en particulier sur les brise- glaces, application nécessitant des couples importants aux basses vitesses, voire à l’arrêt. La réputation n’est pas usurpée mais d’autres convertisseurs ont des performances équivalentes (voir les alimentations en courant). Les performances d’un cycloconvertisseur ont pour origine sa topologie mais aussi son contrôle : maitrise du flux et de l’angle interne de la machine. A l’origine, on ne parlait pas de contrôle vectoriel, mais c’est bien ce que les ingénieurs de l’époque ont dû mettre en œuvre pour contrôler de manière optimale le couple des machines. . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31 N . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31Is31 N Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 6 Chaque phase machine est alimentée par un convertisseur réversible (deux ponts de Graëtz antiparallèles), le courant délivré est ainsi bidirectionnel. Soit le passage d’un pont sur l’autre est réalisé en circulation de courant soit il l’est avec une logique de basculement très performante, de manière à minimiser les temps morts. La figure 1 a retenu l’option logique de basculement ; ledit basculement ne peut se faire qu’à courant nul… La mesure d’un courant nul est toujours délicate à réaliser, aussi on préfère faire une détection de tension aux bornes des semi-conducteurs : tension aux bornes de tous les thyristors équivaut à un courant nul. Ce temps mort doit être inférieur à 2 ms. Il faut noter dans la figure 1 que les convertisseurs de phase sont en étoile, cela permet d’augmenter la tension de sortie en introduisant sur les tensions Ed1, Ed2 et Ed3 de l’harmonique 3 (qui entre phases se trouve éliminé). Figure 2 – Dynamique en courant D’autres structures plus sophistiquées sont possibles. La figure 1 montre une structure hexaphasée mais des structures dodécaphasées sont envisageables, en dodécaphasé série ou dodécaphasé parallèle. Le but de ces options étant d’améliorer le contenu harmonique des courants sur le réseau. D’une manière générale, la dynamique en couple des équipements de propulsion est faible… Mais les différents convertisseurs d’un cycloconvertisseur doivent avoir une grande dynamique en courant pour garantir une bonne qualité du couple : lesdits régulateurs doivent prendre compte les phénomènes de conduction continue et discontinue avec la même rapidité pour suivre une référence courant sinusoïdale. De plus, comme le montre la topologie de la figure 1, la somme des trois courants machine doit être nulle, d’où la présence d’un quatrième régulateur, dit homopolaire, pour assurer cette fonction. Comportement sur le réseau : Le comportement d’un simple pont de Graëtz sur le réseau est bien connu, le

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Conversion continu/alternatif pour alimentation ininterruptible La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Revue 3EI n°0 58 CONVERSION CONTINU/ALTERNATIF POUR ALIMENTATION ININTERRUPTIBLE Alain CUNIERE – Jean-Luc EOUZAN En 1994 : Lycée Technique Pierre de Coubertin Chaussée de Paris - 77109 MEAUX 6. INTRODUCTION Évaluation d'un projet conçu et réalisé par trois étudiants dans le cadre de l'obtention du BTS électrotechnique de 1993. Chaine de conversion d'énergies proposée Architecture de la commande Technique de modulation : Nous avons retenu l'utilisation d'une table d'angles pré calculée, pour trois raisons. La première repose sur une meilleure compréhension de cette technique par nos étudiants. La justification mathématique du spectre de l'onde peut être menée par un calcul classique de séries de Fourier. Sous cet aspect, la MLI (porteuse triangulaire/modulante sinusoïdale) régulière est très difficile d'accès. La seconde, concerne la synthèse du problème par un micro- contrôleur. Aisée s’il s'agit d'une lecture de table ; difficile s'il s'agit de calculer en temps réel les instants correspondant aux intersections triangle/sinus, pour lesquels les problèmes de signe, d'arrondi, de débordement, de facteur d'échelle sont à résoudre numériquement. La troisième, pour l'exploitation des moyens informatiques mis à la disposition des étudiants, tels que:  un logiciel de maths pour le calcul des angles.  un logiciel d'analyse spectrale pour les tracés du spectre. 7. MLI PRÉ-CALCULÉE Schéma équivalent simplifié à l'échelle des commutations. Bilan des ampère-tours : N1 Il – N1I’l – N2I2 = 0  au moins un des deux interrupteurs doit être fermé à chaque instant. Bilan des tensions VT1=V1+E VT1=E – V1'  au plus un des deux interrupteurs doit être fermé à chaque instant. Les deux commandes sont donc exactement complémentaires. Résumé : Cet article, extrait du numéro 0 de la Revue 3EI, présente une activité de projet en STS Électrotechnique session 1993. Cette pratique du référentiel amenait un groupe d’étudiants (de 2 à 4) à réaliser dans son intégralité un produit d’électronique de puissance de type alimentation à découpage, variateur de fréquence etc… Lors de la réforme de 2008, l’approche en projet a changé, et il a été demandé aux étudiants d’avoir une démarche plus « d’assemblié » que de bureau d’étude. Filtre d’entrée Carte Micro contrôleur 80C196KC Interface protection adaptation T1 T’1 VTl+VT’1 = 2E + V1 - V1' = 2E Conversion continu/alternatif pour alimentation ininterruptible La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Revue 3EI n°0 59 On peut assimiler ces commandes à deux fonctions de modulation : Fm1(t) et Fm’1(t). Avec Fm’1(t) = 1- Fm1(t) On peut donc écrire : V2(t) = mE [Fml(t) – F’ml (t)] V2(t) = mE [2 Fm1(t) -1] D'autre part, la tension moyenne au secondaire du transformateur doit être nulle afin d'éviter la saturation de celui-ci : = mE [2 = 0  2 - 1 = 0  = 1/2 Si l'on décompose la fonction Fml(t) en une somme des fonctions fm1(t), et conservant la valeur moyenne, alors la fonction de modulation Fm1(t) s'écrit finalement:(biblio 1) : Fm1(t) = fm(t) + ∑ (−1)i fmi(t)M i=1 On appelle M le nombre de trous dans la fonction Fmi(t) par demi-période. Excepté pour le fondamental, la relation montre que M harmoniques du spectre peuvent être supprimés de la série. La résolution du système de M équations non linéaires nécessite un logiciel. Les étudiants ont obtenu sur Euréka pour M = 5 : α1 = 10,68° α2 = 26,39° α3 = 32,28° α4 = 52,39° α5 = 54,54° L'utilisation du logiciel d'analyse spectrale Fourier a ensuite permis aux étudiants de vérifier effectivement l'élimination du spectre de V2(t) des raies 3, 5, 7, 9, 11.

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Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 53 Le numéro 0 de la Revue 3EI Jean-Michel GAY, Jean-Philippe ILARY et Franck LE GALL Pour La Revue 3EI 1. Première de couverture de la Revue 3EI n°0 Résumé : C’est en mai 1994, qu’un petit groupe de collègues a publié le numéro 0 de La Revue 3EI. Le début d’échanges techniques et pédagogiques demandés par un grand nombre d’enseignants commençait. En hommage à ces courageux pionniers, nous republions certains articles de ce premier numéro. Pour commencer, ci-dessous quelques pages comme la couverture, l’éditorial et le sommaire. Ensuite, pour débuter, l’article d’Alain CUNIERE et Jean-Luc EOUZAN qui décrivaient leur travail réalisé avec leur section de TS Electrotechnique, est réédité. Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 54 2. Deuxième de couverture UNE REVUE 3EI POURQUOI ? J'ai remarqué que dans les pays où l’industrie du génie électrique était dynamique, et génératrice d 'un solde très positif à l’exportation (exemple : Suisse- Allemagne- Suède), la formation de l'ensemble des acteurs de ces industries, et particulièrement celle des techniciens représentait un domaine essentiel. Dans ces pays le technicien a des Responsabilités notables, et il joue un rôle clef dans le développement industriel. Dans les pays où l'industrie est faible, il y a des ingénieurs avec une solide formation, mais pas ou peu de techniciens, et leur formation est négligée. Nous commençons à sentir la concurrence des pays d'Asie (Taiwan - Corée - Chine - Malaisie), et ce que nous voyons aujourd'hui ne représente qu'une petite partie de ce qui nous attend comme la face émergée de l'iceberg n'en représente pas le volume réel. Comment l’indusie française du Génie Electrique pourra-t- elle faire face à cette situation ? En augmentant notre potentiel de formation, (Enseignement et formation continue). La première richesse de l'industrie ce sont les hommes qui y travaillent, et c'est par eux que nous pourrons créer les emplois qui nous manquent. La création de la revue 3EI est donc un événement de première grandeur dans le paysage du Génie Electrique français. Je souhaite que ce soit une occasion d'échanges entre industriels et enseignants, mais aussi un outil de réflexion sur l'évolution de la formation. Nous sommes prêts à y collaborer activement. Jean - Marie PETER Président du club 13 SEE 3. Bulletin d’abonnement (page 59) présent dans la revue 3EI n°0 CONDITIONS D'ABONNEMENT Nous proposons la parution de trois numéros par année scolaire, en décembre, mars et juin. Chaque numéro se présentera sous un format A4 de 48 pages environ, dans une couverture bi-couleur d'un grain supérieur. Un devis d'imprimerie et de routage, basé sur une parution de 1000 exemplaires, et prenant compte des frais d'affranchissement, a conduit au tarif d'abonnement de 120F pour une année scolaire, soit trois numéros. Pour des raisons d'organisation avec l’imprimeur et le routeur, nous sommes contraints à l’aménagement suivant du principe d'abonnement. Il sera individuel et compté pour une année scolaire complète. La date butoir du premier novembre de l’année scolaire en cours clôturera la possibilité d'abonnement pour celle- ci. Tout bulletin d'abonnement reçu après cette date sera automatiquement considéré pour l'année scolaire suivante. La parution de cette revue est possible grâce au cercle thématique 13.01 du club 13 de la SEE. Les abonnements seront payés par chèque à l’ordre de SEE revue 3EI. BULLETIN D'ABONNEMENT Adressé à : lycée Pierre de Coubertin Revue 3EI Chaussée de Paris 77109 MEAUX l) bulletin d’abonnement accompagné d’un chèque de 120F à l’ordre de SEE Revue 3EI pour les numéros 1,2,3 de l’année scolaire 94/95. 2) pour des raisons techniques, passé la date du 1/11/1994, ce bulletin sera valable pour les numéros 4,5,6 de l’année scolaire 1995/1996. Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 55 4. Pages 1 et 2 de la revue n°0 : Editorial Chers futurs abonnés. Pourquoi cette " Revue 3EI ", quels en sont les objectifs ? Depuis une vingtaine d'années l’Electrotechnique subit une évolution très rapide. L'électronique de puissance fait son apparition d'abord dans le domaine des convertisseurs alternatif - continu puis continu - continu ; associée à une électronique de commande, les performances des systèmes sont accrues grâce aux asservissements. Les composants évoluent, en premier lieu avec le développement des transistors bipolaires puis MOS, aujourd'hui IGBT... Le domaine de l'électronique de puissance atteint celui des convertisseurs continu - alternatif ; la variation de vitesse est aussi le domaine des machines alternatives. Parallèlement, l'électronique numérique progresse, les micro-processeurs et micro-contrôleurs gagnent en rapidité et en puissance, avec pour effet la réalisation de commandes plus élaborées et par conséquent de rendre les commandes de machines plus performantes. Toute cette (r)évolution en quelques années ! Le professeur enseignant l'électrotechniques se heurte chaque jour à de nouvelles difficultés ; son domaine ne peut plus se limiter à l'étude de la machine, celle-ci ne pouvant plus être dissociée de son convertisseur, lui-même associé à son électronique de pilotage aujourd'hui numérique ! Le professeur formant des techniciens au niveau Bac + 2 doit faire évoluer son enseignement régulièrement et très vite. Comment peut-il assumer seul cette délicate mission ? L'objectif des journées "3EI" organisées par la SEE et les MAFPEN est de leur apporter une aide pédagogique grâce à la possibilité d'échange de méthodes de travail, aussi bien théoriques qu'expérimentales. En mars 93 pour la première fois, dans les locaux de l'école SUPELEC, sur la commande des machines asynchrones, plus de 400 participants se trouvèrent rassemblés ; en 95 le thème des machines synchrones dans ses divers domaines d'applications, technologie, commandes, devraient connaître un succès comparable. Un moyen supplémentaire favorisant les échanges pédagogiques entre les enseignants apparaît indispensable. La Revue "3EI", outil du cercle thématique 13-01de la SEE, a cet objectif ambitieux. Cette revue n'existera que grâce aux articles que fourniront leurs auteurs ; il est à souhaiter que ceux-ci soient nombreux. Il est important qu'Universitaires, Industriels, Professeurs de BTS et IUT participent ensemble à la fourniture de ces textes afin d'enrichir cet échange. Dès l’annonce du projet, nombre d'entre eux répondirent très vite, favorablement, les articles proposés dans ce n°0 en sont la preuve. Il faut faire connaître la Revue "3EI" dès sa naissance, au plus grand nombre. C'est pour cette raison qu'elle est envoyée gratuitement à 1000 professeurs ou personnes liées à l'enseignement de l'électrotechnique. Pour y parvenir il fallait de l'argent et nous tenons à remercier tous ceux qui ont contribué par leur aide financière à ce travail. Nous remercions Mme BICHON LHERMITTE, conseillère technologique pour l’Île de France du réseau NOVELECT, de la confiance et du soutien qu'elle nous a accordé. Carrefour permanent des entreprises, des laboratoires de recherche et des écoles confrontés aux technologies et applications nouvelles liées à l'électricité, NOVELECT agit pour le compte d'EDF et du ministère de l’enseignement et de la recherche. Nous remercions Mrs FOREST et GUILLOSSOU, professeurs responsables de la préparation au CAPET de génie électrique à l’IUFM de Cachan. Très concernés par l’enseignement du génie électrique, nos collègues ont également contribué à nous motiver davantage dans cet engagement. Nous remercions Mr LEMAIRE, proviseur du lycée Pierre de Coubertin à Meaux. Persuadé des retombées pour les étudiants, il a réussi, d 'un budget toujours insuffisant, à contribuer à la création de la revue. Nous espérons que cette revue devienne un véritable outil de communication entre enseignants, où chacun fera part de son expérience pédagogique et technique sur un sujet lié à l'électricité. Aussi, nous proposons le lancement de numéros à thème avec l’espoir de lire une leçon, un rapport d 'expérimentation, un compte-rendu d’étude, une expertise d 'un matériel industriel, ou toute forme écrite de nature à favoriser la compréhension du sujet étudié et ainsi en faciliter son enseignement. Néanmoins, dans un souci d’ouverture chaque numéro se verra enrichi des propositions de collègues souhaitant s’exprimer sur d'autres thèmes que ceux proposés. Certains d 'entre vous reconnaîtront par notre initiative, une ressemblance avec celle de notre collègue Mr BORNAND du Lycée Franklin à Orléans, fondateur en 1973 du bulletin de liaison des professeurs du technique supérieur en EEA. Pionnier en la matière, il coordonna seul jusqu'en 1984 la parution de ce bulletin. Reprise par Mme RIBIERE et Mr RICHARD du lycée Raspail de Paris, la parution cesse fin des années 80. Pour notre part, nous souhaitons nous restreindre à la science de l'électrotechnique et à l’incontournable électronique industrielle, moteur du développement continue de cette science. Si vous en manifestez le besoin, nous inclurons dès le n°1, une page" service lecteurs" sur laquelle nous publierons vos annonces de recherche du composant introuvable de dossiers techniques, de logiciels... L'avenir de cette revue est désormais entre vos mains. Fondée sur un principe mutualiste, elle ne vivra que grâce à celles et ceux qui, par leurs écrits contribueront à sa pérennité. Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 56 5. Sommaire de la revue 3EI n°0 Revue 3EI n°0 - Présentation La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 57 6. Appel à article présent dans le numéro 0

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Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 44 Batteries de smartphone (applications, diagnostic) A.SIVERT1 , B.VACOSSIN1 , F.BETIN1 , N.DAMAY2 (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) Sorbonne Universités, Université de Technologie de Compiègne, Laboratoire d’Electromécanique, 60203 Compiègne 1. Introduction Pour utiliser des appareils nomades, faut-il comprendre comment fonctionnent les batteries et quelles en sont les limites ? Evidement que non, mais quelques connaissances permettent de mieux comprendre la gestion de l’autonomie des smartphones. A la lecture du sujet « consommation énergétique d’un smartphone » dans Wikipédia [1], ainsi qu’aux vues de nombreux articles scientifiques [2], la consommation des smartphones semble représenter un enjeu crucial et un argument de vente important [3]. Or, tous les smartphones mesurent la tension, le courant, la capacité énergique de la batterie et la consommation de chaque application. Par conséquent, il est possible de les caractériser électriquement et de réaliser un diagnostic à l’aide de tests adaptés. En effet, le nombre de cycles, la résistance interne et la capacité énergétique de la batterie peuvent varier du simple au double en fonction de la chimie et du constructeur pour un même packaging. En 2016, la batterie est encore considérée comme un accessoire par tous les fabricants de smartphones et n’est garantie que 6 mois alors que le reste de l’appareil est garanti 2 ans. L’autonomie d’un smartphone va dépendre de son utilisation mais aussi de l’état de santé de sa batterie qui se dégrade plus ou moins vite. Mais comment tester et connaitre l’état santé de la batterie ? De nombreuses applications prétendent tester la batterie et re-calibrer la mesure de l’état de charge en pourcentage, mais elles ne dévoilent pas leur méthode. Cet article présente une partie du travail demandé aux étudiants sous la forme de questions corrigées qui peuvent être téléchargés via un lien [4]. A quel niveau d’études correspondent ces questions et quels sont les prérequis attendus des étudiants ? 2. Prérequis et niveau d’études L’étude présentée est proposée aux étudiants de deuxième année de DUT Génie Electrique et Informatique Industrielle (GEII), qui connaissent juste le modèle électrique d’une batterie (Thévenin) sans connaitre le vocabulaire ni les problématiques qui y sont associés. L’objectif est de leur faire découvrir la problématique proposée avec leur propre smartphone ou avec une tablette sous OS Android. Chaque compte- rendu sera donc différent évitant ainsi la recopie de résultats. Le retour d’expérience obtenu depuis 2 ans montre que les étudiants pensent faire l’étude en moins d’une heure mais, en réalité, qu'ils y passent environ cinq heures (bien que les réponses avec des exemples de copie d’écran du smartphone sont déjà données). On montre aussi que 80% d’étudiants découvrent les applications les plus énergivores de leur smartphone et que 75% d'entre eux comprennent pourquoi il y a des différences de temps de charge. Malgré ces résultats, les connaissances de beaucoup d’étudiants doivent être consolidés au cours d'une correction d'une heure effectuée pendant une séance de Travaux Dirigés d'un module traitant des énergies renouvelables. Dans tous les cas les batteries sont étudiées en tant que moyen de Résumé : pour faire comprendre aux étudiants le fonctionnement, le vocabulaire et la problématique des batteries et des chargeurs, leur smartphone constitue un excellent support pédagogique. Et les questions s'y rapportant sont nombreuses : quels sont les outils qui peuvent être utilisés pour faire l’étude et le diagnostic de la batterie ? Comment la capacité énergétique est-elle mesurée et donnée en pourcentage ? Comment peut-être estimée l’autonomie ? Quelles sont les applications les plus énergivores ? Combien de temps faut-il pour recharger le smartphone, à partir d’un port USB ou à partir de son chargeur via le secteur ? Est-ce que tous les chargeurs se valent ? Peut-on maximiser la durée de vie de la batterie ? Peut-on connaître le travail effectué par la batterie depuis le début de son utilisation ? Est-ce que les caractéristiques des batteries extérieures sont correctes ? Cet article va tenter de répondre à toutes ces questions en présentant les méthodes utilisées. Tant que l’autonomie est satisfaisante pour les usages quotidiens qu'il en a, l’utilisateur se soucie peu de sa batterie. Mais lorsque l’autonomie chute alors il manque souvent de connaissances pour comprendre d’où vient le problème. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 45 stockage. Evidemment, en fonction du cursus, les questions doivent être remaniées. En revanche, les exercices restent suffisamment faciles pour des lycéens en STI2D ainsi que pour des collégiens de troisième qui font l’étude des batteries en physique [9]. D’ailleurs, une partie de cette étude est effectuée lors de La Fête de la Science pour ce niveau d’études, en 35 minutes, dans le cadre d'un atelier exploitant les applications qui vont être présentées dans cet article. Ces applications évoluant sous Android et gratuites sont « Battery Monitor Widgets », ainsi que « Charge Cycle Battery Stats ». Elles sont mises en œuvre avec des smartphones de type Xperia Z3. 3. Questions sur les batteries de type Li-ion 1) A partir de la figure (1) suivante, indiquer quelle est la technologie et la tension maximale de cette batterie ? Donner sa capacité énergétique en A.h et W.h ? Figure 1 : caractéristiques d'une batterie Xperia Z3 Réponse : Li-Polymer, 4,35V, 3,1A.h, 11,8W.h 2) Pourquoi sur les informations de la batterie, le nombre de W.h ne correspond-il pas à la tension maximale multipliée par les A.h ? Quelle est alors la tension nominale de cette batterie ? Réponse : 11,8W.h/3,8V=3,1A.h car la tension varie de 4,35V à 3,4V lors de la décharge donc 3,8V est une valeur moyenne, c’est la tension nominale. 3) Pourquoi ne faut-il pas décharger une batterie lithium entièrement (soit 100% de DOD - Depth Of Discharge) ? Que se passerait-il si cette limite était atteinte ? Réponse : s’il y a une décharge très profonde la batterie se met en court-circuit (tension nulle). Donc, lors d’une décharge de 100%, le smartphone se met en veille automatiquement. En pratique, la batterie est utilisée jusqu'à 80% de ses possibilités. 4) Pourquoi la capacité énergétique indiquée par la batterie est-elle de 3,1 A.h alors que le smartphone indique 2,5A.h ? Réponse : il y a une réserve d’énergie de 20% gérée par l'OS Android : le smartphone se met en veille et cela à partir de 0% affiché. Maintenant, l’application de mesure de charge et décharge va être étudiée. 4. Questions à partir des graphiques produits par l’application L’application donne les courbes (figures 2 et 3) de la capacité énergétique restante, de la tension, du courant, de la puissance d’utilisation (milliwatts) et de la température de la batterie. Figure 2 : état de la batterie (% et tension) en fonction du temps Figure 3 :évolution du courant et de la température de la batterie en fonction du temps avec une température ambiante de 23°C 5) A quoi correspond le courant négatif donné par l’application ? Pourquoi la température augmente- t-elle fortement lorsque le courant est important ? Réponse : le courant négatif correspond à la charge (« plugged » = branché - en charge → ligne verte sur les graphiques). Etant donné que la batterie a une résistance interne, pour un courant relativement important le dégagement de chaleur (par effet joule) provoque une augmentation de la température. On peut aussi observer que la consommation est hachée relativement à l'utilisation des différentes applications. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 46 6) Lorsque le courant est positif, la résistance interne de la batterie provoque une chute de tension importante. Cette résistance varie en fonction de la DOD et de la température. Mais entre 10°C et 35°C et pour une DOD comprise entre 90% et 20% de la capacité énergétique, on considérera cette résistance comme constante. Déterminer alors la résistance interne en décharge et en charge à partir de l’équation (2) suivante et de la figure suivante (?) Résistance =ΔU(V)/ΔI (A) (2) Réponse : Résistance charge = (4,167-4,027)/(0,57)=0,24 Ω Résistance décharge = (4,204-4,062)/(0,38)=0,37 Ω Il y a une différence entre les résistances de charge et de décharge. D’où un incrément de température plus important en décharge pour la même valeur de courant. La tension à vide s’appelle OCV (Open-Circuit Voltage). Elle est difficilement mesurable sur un smartphone car il y a toujours un petit courant consommé. 5. Etude de la charge de la batterie Pour connaitre la capacité énergétique, on utilise généralement la méthode coulométrique. Celle-ci consiste à intégrer le courant en fonction du temps (numériquement) comme le décrit l’équation (3) : Capacitén=Idécharge.(ΔTemps)+ Capacitén-1 (3) Cependant, il faut faire une remise à 0 lors de la charge complète pour ne pas avoir de décalages dus aux erreurs de mesure [7]. Il y a deux solutions pour réaliser cette fonction :  l’application réalise l’intégration numérique à partir des données qu’elle enregistre ;  un circuit intégré réalise cette fonction avec une fréquence d’échantillonnage assez élevée ce qui permet d’améliorer la précision, ainsi qu’à l’application d’être libérée du calcul précédent. Avec l'OS Android, on peut observer que cette fonction est réalisée par un circuit intégré [5]. 7) Pourquoi, lors de la charge, le courant diminue lorsque la tension atteint 4.35V comme on peut l’observer sur la figure 4 suivante ? Réponse : lorsque la tension de l’élément atteint cette limite, alors la charge est dite à tension constante et le courant diminue jusqu’à être suffisamment proche de 0A. Avant, la charge est dite à courant constant, mais étant donnée l’utilisation possible du smartphone durant cette phase le courant fluctue légèrement. On peut remarquer sur la figure 5 que lorsque la charge est à courant constant, elle est rapide pour une jauge énergétique inférieure à 80%. Puis, il faut presque encore 1 heure pour compléter la charge jusqu’à 100% car le courant diminue. Par conséquent, la charge à courant constant est dépendante de la résistance interne et du courant de charge. Figure 4 :évolution du courant et de la tension en fonction de la charge de la batterie Figure 5 : évolution du courant et de la tension en fonction du temps pour une batterie (charge à courant constant, puis charge à tension constante) avec une charge à 1 C ou 0.5 C Toutes les batteries lithium sont prévues normalement pour être rechargées avec un taux de charge de 1C (1 heure), mais l’énergie perdue dans la résistance interne de la batterie doit être facilement évacuée pour ne pas atteindre 50°C car cette température accélère le vieillissement. Le courant de charge de la batterie va dépendre du courant que peut fournir le chargeur. En effet, le courant du chargeur est donné par l’équation (4) suivante : I chargeur =I batterie+I smartphone (4) 8) Examiner votre chargeur traditionnel. Indiquer son courant de sortie nominal sous 5V et déduisez-en son taux de charge qui se calcule en « ampère / Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 47 unité de capacité de la batterie ». Puis pour une tension bien inférieure à 4,3V, relever les courants de charge avec l’écran allumé puis éteint ? Réponse : le courant de charge est de 800 mA, donc le taux de charge est seulement de 0,25C=0,8A/3,1A.h. Lorsque l’écran du smartphone est allumé la charge est de 460 mA car l’écran nécessite 340mA. Mais si l’on éteint l’écran, la charge passe à 750mA (Cf. figure 3). Remarque : si l’on utilise le smartphone et qu'on le charge en même temps, la batterie est moins sollicitée. Mais si un chargeur de 2A avait été utilisé, alors la charge aurait été de 800 mA, car c’est le smartphone qui limite le courant de charge de la batterie. Donc, il est possible de prendre n’importe quel chargeur qui fournit un courant supérieur à celui préconisé par le constructeur. 9) Avec le maximum d’applications fermées, relever la mesure de la puissance maximale fournie par l’alimentation 5V des ports USB 2 et USB 3 [6] ? Réponse : le port USB 2 peut délivrer une puissance maximale de 2,5 Watt, donc un courant de 0,5A pour 5V. L'USB 3 délivre une puissance de 4,5 Watt donc un courant de 0,9 A. 10) Expliquer pourquoi le temps de charge est plus long avec un port USB 2 de PC qu'avec un chargeur branché sur le secteur. Donner le courant de charge ? Réponse : avec le port USB 2, le courant de charge du smartphone est seulement de -480mA (figure 7) sous 3.8V ce qui correspond à 1.8W alors qu’il aurait du être de : IchargeUSB (A)=(PUSB / tensionbatterie)*rendementcharge (5) IchargeUSB (A)=(2.5W /3.V8)*0.9=600 mA Remarques : les smartphones définissent la charge en fonction du type de chargeur qu’ils ont identifié et non en fonction des performances du chargeur connecté. Ce choix est effectué en fonction de la résistance mesurée sur les deux fils de données (data) de la connexion USB. Certains smartphones utilisent la technologie de charge rapide de la société Qualcomm qui est capable de charger un téléphone mais en utilisant uniquement les lignes de données (D+/D-) de la connexion USB. Il est donc impossible de charger rapidement et de vouloir utiliser la communication en même temps. Une alternative consiste alors à utiliser le câble VOOC, équipé de 7 conducteurs contre 4 pour un câble USB standard. Il existe actuellement bien d’autres solutions de recharge rapide [11], en fonction des constructeurs, en attendant des normalisations. Mais pourquoi faut-il recharger rapidement ? La consommation due à l'utilisation des applications serait-elle plus importante que la capacité énergétique de la batterie sur une journée ? 6. Etude de la consommation de la batterie La consommation de la batterie va dépendre de l’horloge du processeur (CPU, Central Processing Unit) du smartphone. La consommation du CPU est proportionnelle à la fréquence de fonctionnement choisie. D’ailleurs, l'ajustement dynamique de la fréquence est fortement utilisé sur les smartphones. Nous n’allons pas étudier cette partie dans cet article mais juste donner un ordre de grandeur de la consommation des différents organes du smartphone. 11) Quel est le courant de décharge de l’écran avec le Wi-fi ? Réponse : 340 mA sous 3,8V soit 1,29W. 12) Combien de temps la batterie pourra-elle tenir avec le courant précédent si la batterie est à 80% et que sa capacité utilisable est 2500 mA.h ? Réponse : ? 13) Quel est le courant de décharge de la DEL flash de votre smartphone (le déduire de la valeur de celui lié à l’écran) ? Réponse : 900 mA - 340mA = 560 mA sous 3,8 V. 14) Donner la valeur de l’incrément de température de la batterie pour un courant correspondant à l'alimentation de la DEL et de l’écran et ce, à partir d'une température ambiante et jusqu'à la stabilisation (régime permanent) ? Réponse : T=35°C-23°C=12°C (figure 3). Remarque : la DEL est assez éloignée de la batterie pour que son échauffement ne provoque pas une augmentation de celle de la batterie. 15) Quelle est la valeur du courant absorbé lors de l'utilisation du GPS du smartphone (la déduire de la valeur de celle liée à l’écran) ? Réponse : 420 mA-340 mA=80 mA. 16) Est-ce que le courant de décharge est constant quelle que soit l’utilisation ? Réponse : non, il est difficile d’estimer l’autonomie en fonction de l’utilisation et des applications qui tournent. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 48 L'OS Android va donner un pourcentage du niveau d’utilisation de la batterie : « paramètres / gestion de l’alimentation / utilisation de la batterie » (icône « camembert » de l’application « battery monitor »). 17) Pour connaitre l’état de santé (SOH, State of Health) de la batterie, décharger celle-ci jusqu'à 0%. Quelle est la tension minimale à partir de laquelle le smartphone s’est mis en veille (cut-off voltage) ? Réponse : 3,4 V (avec la réserve supplémentaire de 20 %). Il a fallu 3 heures pour recharger à 100% la batterie avec un courant de 0,78 A. Si l’on fait un calcul grossier de la capacité énergétique demandée à la question suivante, on retrouve la capacité énergétique utilisable de la batterie. 18) Quelle est la relation entre la capacité énergétique de la batterie en % et en A.h ? Pourrait-on connaitre la capacité énergétique en mesurant la tension de la batterie (justifier) ? Réponse : exemple à partir de la figure 2. Donc, si la valeur de la capacité nominale de la batterie n’est pas correcte alors la capacité indiquée restante ne correspondra à rien. On peut observer sur les figures 2 et 3 que la relation entre la tension et la capacité énergétique mesurée en A.h n’est pas linéaire. De plus, pour la tension maximale de 4,35 V cela ne correspond pas à 100% de la capacité énergétique. 7. Diagnostic de la batterie 19) Après l’avoir déchargée à 0 % et laissée refroidir (≈ 30 min), mettre le smartphone en charge. Est-ce que cette nouvelle capacité énergétique correspond à celle indiquée par le constructeur ? Réponse : à partir de la réponse fournie à la question 17, on peut dire que la capacité énergétique de la batterie obtenue correspond approximativement à celle indiquée. 20) Quel est l’écart maximal entre la température de la batterie et la température ambiante lors de la charge avec écran éteint ? Réponse : 5°C. En déduire la résistance thermique de la batterie à partir de l’équation (8) suivante : RTH(°C/W)=(Tatteinte-Tambiante)/(Rbatt*Icharge 2 ) Réponse : RTH(°C/W)=(Tatteinte-Tambiante)/(Rbatt*Icharge 2 ) =(5°C/0.25Ω*0.78A2 )=5°C/0.15W=33°C/W. Combien de temps a-t-il fallu pour atteindre 63% de la température finale en régime établi lors de la charge ? Réponse : ce temps correspond à la constante de temps thermique TH de la batterie : 780 secondes mesurées. En déduire la capacité thermique (9) : Réponse : CTH (J/°C)= TH (s) / RTH = 780/ 33 =23.6 J/°C Remarque : en décharge avec la DEL flash allumée et l’écran allumé, l’incrément de température est de 12°C comme on peut l’observer sur la figure 3. RTH=(12°C/0.35Ω*0.95A2 )=12°C/0.31W=39°C/W On retrouve approximativement la valeur de la résistance thermique lors de la charge. 21) Imaginons une charge avec un courant de 10 A. Quelle sera alors la température atteinte par la batterie si la température ambiante est de 25°C ? La température de la batterie est un facteur limitant puisque celle-ci ne doit pas excéder 50°C. Comment réduire alors l’impact de cette limitation (sachant, de plus, que dans l'environnement réduit d’un smartphone, le CPU et le GSM transmettent aussi leurs déperditions thermiques à la batterie) ? Réponse : La température étant un facteur limitant, on comprend pourquoi il n’est pas possible de charger très rapidement une batterie. La résistance de la batterie va dépendre de ses dimensions mais il n’est pas possible d’agrandir la batterie… En revanche, il serait possible de la refroidir avec une ventilation forcée. 22) L’application indique l’état de santé de la batterie. Comment ce diagnostic est-il réalisé ? Remarque : après un certain nombre de cycles la résistance interne de la batterie augmente et la capacité énergétique de la batterie diminue de 15% à 20% par rapport à la capacité d'origine. Réponse : après un cycle de décharge à 100% et de recharge, la méthode coulométrique permettra de déterminer la capacité énergétique qui peut ainsi être mise à jour. Pour une même consommation en courant, une augmentation de la résistance va provoquer une plus grande chute de tension. Ainsi, la limite basse en tension de la batterie sera atteinte plus rapidement ce qui diminue encore la capacité utilisable affichée. De plus, une résistance plus importante entraîne un échauffement supplémentaire qui peut également provoquer la mise en veille du smartphone. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 49 23) Après plus de 10 heures d'utilisation classique de votre smartphone, se rendre dans le menu « marques » et effectuer une copie d’écran du résumé statistique de l’utilisation passée. Interpréter ce relevé (ex. : figure 6). Réponse : l'application calcule la consommation moyenne en %/heure : sur 19 heures et 16 min d'utilisation, 1h et 31min a été consacrée à la charge avec un taux de 22.5%/h et 16 min à la charge avec un taux de 7.5%/h (tension constante). La décharge a duré 17h avec l’écran éteint consommant -1.41%/h. Une décharge de 22 min à -14.5%/h est également observée. Figure 6: valeurs moyennes de charge et décharge obtenues avec l’historique de l’application On peut observer sur la figure 7 le graphique présentant l'évolution du pourcentage par heure d’utilisation relative à la figure 2 ce qui permet de faire une estimation rapide du temps de décharge ou de charge. Figure 7 : Evolution du pourcentage par heure en fonction du temps 24) A partir de l’estimation de consommation avec un taux de 14%/h (écran allumé), effectuer le calcul du temps de décharge de 100 % de la capacité énergétique. Réponse : estimation de décharge : Temps décharge = 100%/14%/h=7.5h. C'est bien le temps donné sur les figures 8, tirées de l’application. D’où les deux pentes sur le graphique de la décharge ci-dessous : L’application indique aussi le temps de charge en fonction du type de recharge effectuée (figures 8). Figure 8 : estimateur décharge et charge en temps réel à partir de la capacité existante L’application précédente ne compte pas le nombre de charges et de décharges, ni la somme des A.h. ce qui permettrait de faire un bilan et une estimation statistique de la durée de vie de la batterie. 750 cycles de charge à 100% sont souvent annoncés par les constructeurs. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 50 L’application « charge cycle » (figure 9) donne les pourcentages de recharge cumulés : 12.48% depuis que l’on a téléchargé l’application (30 jours). Figure 9 : addition du travail de la batterie : 12.48% en 30 jours, avec gauge de la recharge journalière (22%) Figure 10 : historique de la recharge journalière avec une valeur moyenne de la consommation de 37%/semaine La jauge de la figure 10 indique le taux de recharge journalier. Entre 0% et 80%, celui-ci est considéré comme normal (en vert), puis il est considéré comme important jusqu’à 180% (en jaune), puis excessif (en rouge). Dans le menu historique, on peut observer la valeur de la recharge en % par jour ainsi que la valeur moyenne par semaine ce qui reflète l’utilisation. Cette application indique aussi le coût énergétique de l’utilisation du smartphone. Pour cela, il faut indiquer le coût du kW.h (0,12 €/kW.h) dans le menu “general settings” de l’application. 25) Calculer la consommation annuelle du smartphone pour une consommation moyenne de 100%/jour et une capacité énergétique de 9.5W.h/jour. Réponse : 26) Le coût de la consommation énergétique est négligeable mais il ne tient pas compte du rendement du chargeur qui est de l'ordre de 70% (5,6W sous 230V pour un facteur de puissance de 0,9 / 5V et 0,8A en sortie). Lorsque le smartphone est rechargé à 100% la consommation passe à 0.3W. Recalculer le coût total annuel. Réponse : Si on laisse le chargeur dans la prise continuellement, les 0,3W correspondent à une consommation quotidienne de : 0,3W x (24h-2h) = 6,6 W.h Pratiquement autant que la charge de la batterie ! Si on multiplie cette consommation par 30 millions de smartphones en France, on ne peut pas négliger ce résultat ! 27) Avec une consommation de 37% par jour, quelle est la durée de vie estimée de la batterie sachant qu’elle est censée pouvoir effectuer un cumul de 750 cycles de charges à 100% ? Réponse : Durée (jour)=750*100%/37%=2027 jours Mais ce calcul n’est pas valable car la durée de vie dépend de la température de la batterie (très froide ou très chaude), du temps où la batterie est restée à un niveau de charge affiché inférieur à 0%... En effet, la durée de vie de la batterie va dépendre des quantités d’énergie stockée et rendue mais aussi des profondeurs de décharge, de la tension maximale de charge, de la température d’utilisation et de la composition chimique adoptée par le constructeur de la batterie…. 28) Est-ce que diminuer la consommation de la batterie (donc fermer toutes les applications et notifications énergivores non directement utiles) permet d’augmenter la durée de vie de la batterie ? Réponse : Oui, car la batterie est moins sollicitée. Cependant, elle vieillit avec le temps même si elle n’est pas utilisée. C’est ce que l’on appelle le vieillissement calendaire. 8. Batteries et convertisseurs externes Le magazine « Que Choisir ?» de juin 2016 [10] montre que la capacité énergétique indiquée sur les batteries externes avec sortie USB est réellement d’environ 76% de celle indiquée (Cf. figure 11). De plus, on peut observer que pour ce magazine, la mesure de la résistance interne de la batterie, le taux d’auto- décharge, la masse, le volume sont également considérés comme des paramètres cruciaux pour un système nomade. Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 51 Figure 11 : tableau comparatif de batteries externes avec USB 3.0 (magazine « Que choisir ? ») 29) Pourquoi y a-t-il une aussi grande différence entre la capacité annoncée en A.h et la capacité réelle de la batterie annoncée par le constructeur ? L’équation (9) ci-dessous permet-elle de justifier cet écart avec un rendement du convertisseur de 85%, une tension batterie de 3,7V et une sortie USB à 5V pour la batterie Sony CP-V5A de 5A.h (figure 11) ? Caréelle =Caannoncée*rendement*tensionbatterie/tensionUSB Faire l’application numérique pour la batterie Sony de 5A.h testée : Réponse : Capacité =5A.h*0,85*3,7V/5V = 3.145 A.h L'essai donne 3,125A.h ce qui est correct mais la recharge du smartphone sera bien de 5 A.h au rendement près du convertisseur et du chargeur. Donc l’écart de 76% entre la capacité énergétique de la batterie et celle indiquée correspond à la différence entre la valeur de la tension batterie et la valeur de la tension USB. 30) Vérifier la valeur de la capacité énergétique (14,9W.h) de cette batterie externe à partir de l’équation précédente et ce, avec un courant de décharge de 0,5A pendant 10 heures et une résistance de 0.4Ω (12) : Réponse : Ca=Caannoncée*tension batterie*rendement- Rbatterie*Idecharge^2*t Exemple : capacité = 5A.h*3.7V*0.84-0.4*0.52 = 15.5 W.h – 1W.h=14.5W.h, ce qui correspond à la mesure effectuée par le magazine « Que choisir ? ». Remarque : l’énergie perdue dans la résistance interne de la batterie est négligeable par rapport à l’énergie de la batterie. 31) Ces batteries externes sont essentiellement composées d’éléments de type 18650 (18 mm de diamètre, 65 mm de long et de masse 50 g) comme on peut l’observer sur la figure 12. Figure 12 :USB Power Bank avec éléments 18650 Or, il y a de grosses différences de capacité entre ces éléments [12] et les capacités énergétiques annoncées sur les sites de vente en ligne [13]. Rechercher quelle est la capacité énergétique approximative d’un élément 18650 ? Réponse : entre 1,5A.h et 3A.h, donc entre 7W.h et 11,4 W.h D’où la différence de capacité entre les éléments testés précédemment. 32) Par conséquent, à partir de la masse et du volume, il est possible de connaitre approximativement la capacité énergétique de la batterie externe. Quelle est la différence de masse entre les batteries Sony de capacités 5A.h et 3A.h ? Comparer ces masses par rapport à la masse de votre smartphone. Réponse : 137g pour la 5A.h (2 éléments) et 87 g pour la 3A.h (1 élément). Le boitier externe n’est pas négligeable. Le Xperia Z3 ne pèse que 152g. La batterie représente ¼ de son poids. 33) Au niveau de la connextique USB, des mesures peuvent être effectuées avec un « USB meter » (figure 13) qui ne coûte qu’une dizaine d’euros et qui permet de mesurer le courant, la tension et la capacité énergétique. Figure 13 : PowerJive USB Power Meter A partir de l’application « Battery Monitor » précédente, il est également possible de tester ces batteries externes. Mais, pourquoi faut-il que l’écran soit éteint lors de la mesure de la capacité de la batterie externe ? Batteries de smartphone (applications, diagnostique) La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Hors Thème 52 Réponse : à cause de l’équation (4). En effet, l’application ne prend en compte que le courant qui va à la batterie et pas le courant utilisé par le smartphone. Il y aura donc une différence de capacité énergétique si l’écran consomme de l’énergie. 9. Conclusions Il faut un minimum de connaissances pour faire le diagnostic d’une batterie et faire des choix. Les 2 applications présentées ne sont pas compréhensibles par de simples utilisateurs de smartphone. Pourtant, même s’il n’est pas très compliqué de savoir si l’autonomie a baissé à cause d’une application énergivore ou si c’est la batterie qui « ne tient plus la charge », cela peut prendre du temps pour comprendre les éléments physiques mis en jeu. De plus, les applications manquent souvent d’explications malgré la présence de certains tutoriels. Ce sont souvent les passionnés et certains forums en ligne qui communiquent les informations utiles et non les constructeurs. Cependant, le manque de rigueur des exposés lus sur ces sites ne rend pas toujours l’information fiable. Quelque soient les types de batterie ou quelque soient les constructeurs, sous l'OS Android 6, le nombre de cycles n’est pas enregistré par un circuit intégré. Il en est de même pour le nombre d’A.h consommés, pour les profondeurs de décharge permettant d'effectuer un bilan, pour l’âge de la batterie et son état de santé. En revanche, sous l'OS Android, de nombreuses applications permettent de mieux gérer et d’augmenter la durée de vie d’une batterie mais elles ne sont généralement pas rigoureuses ni entièrement abouties. En revanche, sur un OS d'iPhone, toutes ces données sont conservées et envoyées à un gros serveur (surnommé « Big DATA »). La marque Apple réalise ainsi des études pour mieux gérer les batteries, en limiter la maintenance et mieux satisfaire ses clients. Notons d’ailleurs que la tension maximale sur ses iPhone est de 4.2V au lieu de 4.35V pour de nombreux systèmes sous OS Android. De plus, en fonction de la diversité des constructeurs et de la chimie utilisée, la résistance interne ainsi que la capacité énergétique peuvent varier du simple au double. La détérioration d’une batterie de 20 € (gonflage, échappement d’oxyde…) peut aussi détruire un smartphone qui coute 10 à 25 fois plus cher. Une durée de vie de la batterie de 2,5 ans est souvent largement suffisante car elle correspond généralement à un changement du smartphone en raison de sa soi- disante obsolescence. Cependant la directive européenne de 1999 et la loi française « Hamon » votée en 2014 et applicable en 2016 obligent les constructeurs à proposer désormais une garantie de 2 ans contractuelle sur tous les appareils numériques et leur batterie. Cette dernière loi oblige les constructeurs à revoir leurs contrats d’extension de garantie et à améliorer la fiabilité de leurs produits. En effet, l’objectif de cette loi est de limiter la surconsommation des consommables et l’accumulation des déchets. Les smartphones des étudiants sont ainsi un excellent support pédagogique pour comprendre techniquement le fonctionnement des batteries. L’étude de ce fonctionnement peut aussi les motiver à avoir un regard critique sur l’impact des batteries sur leur budget. Cette étude peut enfin leur permettre d’appréhender l’empreinte écologique de ces batteries sur notre planète. Références 1. https://fr.wikipedia.org/wiki/Consommation_%C3 %A9nerg%C3%A9tique_d%27un_smartphone 2. S.Tarkoma, M.Siekkinen,Y.Xiao “Smartphone Energy Consumption: Modeling and Optimization » Book Cambridge University Press. 2014 3. http://www.frandroid.com/actualites- generales/216462_batterie-devenue-choix-premier- lachat-dun-mobile 4. http://www.fichier-doc.fr/2016/08/09/smarthphone- mesure-et-gestion-batterie-android-v1/ 5. https://source.android.com/devices/tech/power/devi ce.html#maxim-fuel 6. https://fr.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus 7. A.Sivert, F.Betin, B.Vacossin, M.Bosson, T.Lequeu “Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique ” Revue 3EI N°, Avril 2016 11 pages. 8. A. Sivert, F.Betin, T. Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » Revue 3EI N°81, Juillet 2015 9. http://pccollege.fr/troisieme-2/chimie- 3eme/chapitre-vi-les-piles/ 10. https://www.quechoisir.org/guide-d-achat- batterie-externe-n10909/ 11. http://www.frandroid.com/produits- android/smartphone/279495_quick-charge-fast-charge- vooc-comparatif-des-solutions-de-rechargement-rapide 12. http://lygte- info.dk/review/batteries2012/Common18650Summary %20UK.html 13. http://velorizontal.bbfr.net/t21362-velomobile- electric-leiba-x-stream-iut-aisne-suite

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Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU(1) , V. DEWANCKER(2) , S. JACQUES(3) , A. SIVERT(4) (1) Université François Rabelais de Tours – 60 rue du Plat d'Étain – 37020 Tours Cedex 1. (2) Société Kart Masters – 9 rue Saint Denis – 72300 Sablé–sur–Sarthe. (3) Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours – 7 avenue Marcel Dassault – 37200 Tours. (4) U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – Institut Universitaire de Technologie de l'Aisne GEII – 02880 Soissons – Laboratoire des Technologies Innovantes – Equipe Énergie Électrique et Systèmes Associés. 1. Introduction L’engouement du public pour les véhicules électriques se retrouve dans nos activités pédagogiques. Depuis quelques années, il est de plus en plus facile de réaliser des véhicules électriques dans le cadre de projet avec les étudiants [1–8]. L’association e-Kart a été créée en 2006 dans l’optique de promouvoir le véhicule électrique comme support pédagogique au sein des établissements scolaires et également aider les personnes qui se lancent dans un projet de construction. La figure 1 présente le site web de l’association e-Kart [9]. Fig. 1. Aperçu du site web de l’association e-Kart en août 2016. Un des services proposés à la création de l’association était la fourniture de matériels spécifiques (avance des fonds pour les commandes à l’étranger), mais cet aspect commercial a largement débordé les attributions initiales. Avec l’arrivée en septembre 2013 du partenaire Kart Masters et la création de la boutique en ligne Kart Masters Shop, la gamme de produits disponibles s’est largement étendue (cf. figure 2)[11]. En effet, la société Kart Masters est spécialisée dans la construction de karts électriques. L’ensemble du matériel proposé à la vente sur la boutique est validé et bien adapté à la réalisation des véhicules électriques pédagogiques. Fig. 2. Aperçu du site web de la Boutique Kart Masters Shop en août 2016 [11]. Les véhicules présentés dans cet article ont la particularité d’être pilotable. En d’autres termes, les étudiants sont en mesure d’apprécier les sensations de couple et de vitesse. Après avoir fait un bref rappel sur le choix du véhicule et des composants nécessaires à son Résumé : Cet article présente quelques exemples de réalisation de véhicules électriques. Les projets présentés peuvent être réalisés par les étudiants dans le cadre de leur formation. On s’intéresse ici aux véhicules « pilotables » par les étudiants (sont exclus les robots, les engins radios commandés et les drones) afin qu’ils soient en prise directe avec leur projet et les notions physiques qu’ils auront étudiées au cours de leur cursus, dans le cadre d’un projet d’électrification d’un véhicule. Au vue de la taille du véhicule, le budget de réalisation doit être maîtrisé. Grâce au partenariat mis en place par l’Association e-Kart avec la société Kart Masters, il est désormais possible de construire une progression financière du projet sur plusieurs années. Au fil du projet, le véhicule évolue par un échange et un ajout de composants de plus en plus performants. Cet article détaille un exemple de déroulement sur 6 années de la réalisation d’un kart électrique. Ce projet est donné à titre indicatif et pourra être largement adapté en fonction des contraintes locales. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 35 électrification, nous proposerons une progression d’un projet de kart électrique sur plusieurs années. Les prix indiqués dans cet article sont TTC et sont donnés à titre indicatifs. 2. Quel type de véhicule ? Même si le véhicule de prédilection de l’Association e-Kart est le kart électrique, le matériel et les conseils prodigués ici peuvent servir à d’autres applications. 2.1. Véhicules non terrestres En effet, il n’est pas indispensable d’avoir des roues pour déplacer une personne : c’est le cas par exemple des bateaux, des avions… 2.1.1. Bateau électrique La réglementation dans les ports oblige les bateaux à manœuvrer à faible vitesse (3 nœuds, soit environ 5,5 km/h) et souvent sans l’aide du moteur diesel principal. Un moteur électrique d’appoint est bien utile. Il est possible de franchir le pas du « tout électrique », notamment avec la progression des batteries Lithium LiFePO4 de grande capacité (supérieure à 100 Ah) qui deviennent abordables (environ 6000 € pour une batterie 48V 400Ah LiFePO4 avec son électronique de surveillance) et permettent des autonomies importantes (plusieurs heures). 2.1.2. ULM électrique Avec du matériel de « pointe » digne du « gros » aéromodélisme, il est possible de propulser un ULM à partir d’un moteur électrique (cf. figures 3 et 4). Afin de limiter la masse de la batterie, l’utilisation de cellules Lithium ions de dernière génération est alors indispensable et le budget s’en trouve alourdi (le coût des batteries Lithium ions est environ le double de celui des batteries Lithium LiFePO4). Fig. 3. Thomas JORON aux commandes d’un ULM électrique réalisé en partenariat avec l’IUT de Chartres [12]. Fig. 4. Propulseur électrique pour parapente développé par Stéphane LELONG [13]. 2.1.3. Treuil électrique Voici une autre application originale de la traction électrique : le treuil pour la pratique de sport nautique de glisse. Un des objectifs de cette réalisation est la réduction des nuisances sonores lors de la pratique du wake–board (cf. figure 5). Le treuil permet l’enroulage d’une centaine de mètre de corde et permet la pratique d’un sport de glisse sur les étangs ou les lacs. Un pack de batterie de 48 V 48 Ah permet de s’affranchir de l’alimentation électrique via le réseau. Fig. 5. Le treuil électrique pour la pratique du wake–board sur lac (le pack batterie n’est pas sur la photo). Réalisation Benjamin ROBIN [14]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 36 2.2. Véhicule à 2 roues On ne parlera pas des gyropodes à une roue qui ajoute un pilotage complexe du véhicule à une réalisation technologique pointue. Avec 2 roues, le véhicule gagne en stabilité. Toutefois, le risque de chute du pilote est un point négatif de ce type de véhicule qui est à prendre en compte lors des essais. 2.2.1. Gyropode à 2 roues En 2009, la revue d’électronique Elektor proposait un kit pour la réalisation d’un gyropode à 2 roues : l’ElektorWheelie (cf. figure 6)[15]. Ce projet permet la réalisation de l’ensemble des cartes électroniques : variateurs pour les moteurs, microcontrôleurs pour le pilotage, interfaces des différents capteurs. Les programmes sont également accessibles et fournissent une très bonne base de travail. Fig. 6. Le kit ElektorWheelie pour la réalisation d’un gyropode électrique [15]. 2.2.2. Vélo ou tricycle électrique Le vélo a également bénéficié du développement des solutions de transport électrique [7]. Un grand nombre de composants sont disponibles sur le marché et permet « facilement » la réalisation d’un « 2 roues » électrique (cf. figure 7). Fig. 7. Le vélo électrique de l’IUT de l’Aisne [16] Les véhicules à 3 roues permettent une meilleure stabilité sur la route (cf. figure 8). La position couchée et le carénage diminuent la consommation et augmentent l’autonomie de ce « vélomobile ». Fig. 8. Les vélomobiles à 3 roues électriques et le kart électrique de l’IUT de l’Aisne [16]. 2.2.3. Les véhicules du challenge EducEco L’Association pour le Développement d’Épreuves Éducatives sur l’Éco-mobilité (AD3E) propose une compétition automobile fondée sur la moindre consommation d’énergie [17]. Deux types de véhicules peuvent être conçus dans le cadre d’un règlement unique. Les véhicules PROTOTYPE, à 3 roues (cf. figure 9), sont destinés à établir la plus haute performance énergétique possible et les véhicules ÉCO-CITADIN à 4 roues (cf. figure 10) doivent, outre de réelles performances énergétiques, développer la notion d’utilisation avec les directives qui s’attachent aux notions de cycle de vie du produit et au développement durable. Fig. 9. Prototype 3 roues pour EducEco [17]. Fig. 10. Véhicule 4 roues éco-citadin présent au challenge EducEco [17]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 37 2.2.4. Moto électrique Au-delà de 4-5 kW de motorisation, le « 2 roues » électrique (e.g. scooter ou moto) est classé dans la catégorie des cyclomoteurs. L’intégration mécanique du moteur et de la batterie constitue le point important de cette réalisation. Une batterie Lithium permettra de réduire la masse et le volume, tout en assurant une autonomie « correcte » d’une centaine de kilomètres (cf. figure 11). Fig. 11. La moto électrique de Sébastien MAHUT, étudiant à l’IUT de l’Aisne [18] 2.3. Le kart électrique De par sa conception simple et un assemblage démontable d’un grand nombre de pièces, le kart est un support mécanique qui se prête bien au travail avec des étudiants et à l’adaptation à la motorisation électrique (cf. figure 12). Disposant de 4 roues et d’un centre de gravité très bas, c’est un véhicule très stable. De plus, les étudiants sont habitués à faire du karting sur une piste sécurisée (et pas sur la route) ce qui simplifie grandement l’homologation et l’assurance du véhicule. Fig. 12. Le kart électrique comme support pédagogique [19]. 3. Les principaux composants du kart électrique Cette section propose de passer en revue les composants nécessaires à l’électrification d’un châssis de kart et indique la répartition budgétaire du projet. 3.1. Châssis Le châssis est bien souvent le premier investissement qui déclenche le projet. Un châssis d’occasion de kart de location sans moteur thermique se négocie entre 0 € et quelques centaines d’euros. En revanche, un châssis de kart de compétition sans moteur, avec des freins à disques à l’avant et à l’arrière, peut être négocié entre 400 €–500€ pour un modèle d’occasion et 2000 €-3000 € pour un modèle neuf. 3.2. Planning et premiers calculs Le projet démarre en juin (en amont de l’année scolaire) par la négociation d’un budget pour l’achat des composants du kart électrique i.e. entre 2000 € et 5000 €. Les étudiants peuvent démarrer dès la rentrée de septembre par l’étude mécanique du mouvement du kart afin de déterminer la puissance du moteur électrique. La découverte du projet, des composants et les premiers calculs peuvent leur prendre quelques mois [7]. La fixation mécanique du moteur, de son variateur et des batteries constituent les principaux points critiques du projet. Une modélisation mécanique du châssis de kart peut être faite afin d’étudier différentes solutions. La société Kart Masters propose un kit de fixation du moteur qui s’adapte sur la majorité des châssis de kart. Il n’existe pas de solution « simple » pour la fixation des batteries. En fonction du châssis utilisé, il faudra ajouter des renforts pour maintenir et fixer correctement les batteries. La figure 13 montre qu’entre 40 et 60 km/h de vitesse de pointe, sur une piste plane (pente de 0%), il faut entre 2500 W et 4500 W pour vaincre les frottements de roulement et aérodynamique [7]. Fig. 13. Evolution de la puissance du moteur en fonction de la vitesse du kart, pour une pente de 0% et 5% [7]. Au-delà de cette valeur, la puissance (et donc le couple) supplémentaire servira pour l’accélération et la reprise du kart en sortie de virage. Pour un fonctionnement à 5kW, sous 48 V, pendant 10 min, il faudra disposer d’une énergie de 833 Wh et donc d’une capacité de batterie théorique de 17,4 Ah Puissance (W) Vitesse (km/h) Pente à 5% Pente à 0% Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 38 [7]. En considérant que cette énergie correspond à une décharge à 50% d’une batterie au plomb, un accumulateur d’une capacité supérieure à 34,7 Ah conviendra. Cette puissance de 5 kW correspond à des courants de 100 A sous 48 V et 200 A sous 24 V. Avec une densité de courant maximale de 10 A/mm2 , la section des câbles d’alimentation sera de 16 mm2 en 48 V et de 25 mm2 en 24 V. De nombreux exemples de schéma de câblage sont disponibles sur le site de l’association e- Kart [20]. En novembre, la liste du matériel peut être constituée afin de pouvoir en disposer dès la rentrée de janvier. L’assemblage peut alors commencer et peut, par exemple, être rapidement avancé en vue d’actions de promotion de l’établissement (e.g. Journées Portes Ouvertes de février-mars). Il est préférable que le kart soit terminé avant le départ en stage des étudiants courant avril, et qu’il ne reste que les essais et les derniers réglages avant le challenge e-Kart de Limoges qui se déroule fin mai- début juin [21]. 3.3. Moteur et variateur Une large variété d’ensemble moteur/variateur est disponible :  des moteurs à courant continu de 5 kW à 30 kW, avec des variateurs 1 ou 4 quadrants ;  des moteurs asynchrones triphasés basse tension de 1,1 kW à 28 kW associés à des variateurs triphasées de 275 A à 650 A par phase ;  des moteurs synchrones triphasés basse tension de 5 kW à 56 kW associés à des variateurs triphasés de 275 A à 650 A par phase. Le moteur et le variateur représentent à part égal environ les 2/3 du budget. 3.4. Batterie et chargeur Le dernier tiers du budget pourra être consacré à l’achat des batteries de stockage de l’énergie et de leur chargeur associé. 3.4.1. Batterie plomb ou cellules Lithium ? Un petit budget (en dessous de 4500 €) impliquera l’utilisation de batteries au plomb de 12 V de technologie spiralée OPTIMA (ou EXIDE). L’enroulement des plaques de plomb permet de réduire la résistance interne de la batterie (3,2 mΩ pour une OPTIMA, contre plusieurs dizaines de mΩ pour une batterie « classique »), ce qui la rend résistante au décharge importante (jusqu’à 600 A voire 900 A) et capable de supporter des courants de charge importants de 50 A à 100 A. Des modèles disposant de capacités de 38 Ah et 48 Ah sont disponibles (cf. figure 14). La batterie de 55 Ah est plus lourde et plus chère, pour un gain en autonomie assez faible [11]. Les cellules au Lithium de « faible densité » permettent de diviser par 2 la masse de la batterie et de multiplier par 2 ou 4 l’autonomie du kart. Ce type de technologie supporte des taux de décharge de 80% à 100%. Elles sont simples à mettre en série (cavalier en cuivre et vis M6 ou M8), mais nécessite une surveillance de chaque élément via un BMS (Battery Management System) qui augmente encore le coût de la batterie (environ 1000 € pour le BMS). Les cellules au Lithium de « forte densité » de type poche sont réservées au gros budget (environ 12 000 euros pour une batterie Lithium 72 V 86 Ah avec BMS), mais permettent de diviser par 4 la masse de la batterie par rapport à une batterie plomb, mais pour un coût hors BMS également multiplié par 4 ! 3.4.2. Chargeur d’entretien ou chargeur rapide ? Le cahier des charges des batteries utilisées dans ce type de projet pédagogique est typique. En particulier, le projet est en « sommeil » pendant presque une année et le véhicule n’est utilisé que quelques jours par an. Les batteries sont donc très souvent en mode « supervision ». Pour les batteries au plomb de la marque OPTIMA qui ont un niveau d’autodécharge important (plus de 50% de pertes en 1 ou 2 mois), les chargeurs CTEK 12 V 7 A sont tout à fait adaptés. Ils sont capables d’assurer une charge des batteries en quelques heures tout en garantissant la fonction de « charge d’entretien » ou « Floating » (cf. figure 14). De plus, ils redémarrent automatiquement en cas de coupure de l’alimentation électrique. Un chargeur individuel (un par batterie) est systématiquement conseillé à cause des déséquilibres de charge entre les batteries. Pour les cellules au Lithium, le problème est multiplié par le nombre de cellules. Il faut assurer l’équilibrage de la charge de chaque cellule. En effet, la charge de puissance est interrompue par le BMS qui détecte la cellule la plus chargée. Lorsque toutes les cellules sont équilibrées, avec des cellules de fortes capacités (supérieure à 40 Ah), il est préférable de déconnecter le circuit de surveillance qui tend à décharger la cellule. Lorsque la cellule n’est pas connectée, elle perd entre 5% et 10% de sa charge par an quand elle est neuve. Le chargeur de puissance représente un investissement conséquent. Par exemple, 4 chargeurs KINGPAN 12 V 80 A ou un chargeur 48 V 50 A coûtent 2500 euros. L’association e-Kart prête des chargeurs de puissance et lors du challenge, il est possible d’utiliser le chargeur de puissance des équipes présentes. Fig. 14. Exemple de la batterie au plomb OPTIMA JAUNE 12V 48Ah et du chargeur CTEK MXS 7.0 12V 7A [11]. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 39 4. Progression du projet d’électrification d’un kart La progression présentée dans cette section s’appuie sur un exemple type. Les étapes peuvent être modifiées à souhait et de multiples possibilités s’offrent à chacun pour adapter le projet à son budget. L’accord négocié avec la société Kart Masters pour l’année 2017 prévoit la reprise du matériel avec une décote entre 30% et 40%, en fonction du matériel et de son état lors du retour. Une décote de reprise de 40% est appliquée ici dans les exemples chiffrés. 4.1. Année 1 : l’investissement minimal Les objectifs de cette première année sont : (1) Réaliser un kart électrique fonctionnel avant la fin de l’année scolaire. (2) Découvrir le domaine du kart électrique et acquérir les compétences spécifiques liées à ce projet (quelles soient techniques, économiques ou environnementales). (3) Impliquer au maximum les étudiants dans une démarche pédagogique motivante. (4) Respecter le budget initial. Le tableau 1 détaille le prix des principaux composants du projet avec une option visant à minimiser le coût et une solution offrant plus de performance. Il faut acquérir un châssis de kart sans moteur thermique, de préférence un kart de location qui sera plus robuste et qui possède généralement des bandes de protection périphérique. Pour le moteur, la solution la plus simple à mettre en œuvre est un moteur à courant continu qui pourra être alimenté de 0 V à 48 V. Le moteur de type ME0909 est le plus économique et généralement disponible sous quelques jours. Le modèle ME1004 est deux fois plus puissant et a la particularité de pouvoir être alimenté en direct sur les batteries pour des applications de type tondeuse car le couple de démarrage disparait rapidement au bout de quelques secondes. Le variateur ALLTRAX 4844 un quadrant est aussi très simple à mettre en œuvre. La plage de la tension d’alimentation s’étend de 24 V à 48 V. Le courant maximal dans le moteur est programmable de 0 A à 450 A. Afin de minimiser les coûts, la solution en 24 V avec 2 batteries de marque OPTIMA JAUNE 48Ah est retenue, avec 2 chargeurs CTEK 12 V 7 A. À ce stade de l’étude, il peut être judicieux de prévoir la fixation de 4 batteries pour le futur. Les chargeurs étant fournis avec des pinces de charge, il est possible de les raccorder directement aux batteries, même si elles sont installées sur le kart et reliées au variateur. L’option d’installer la prise de charge unitaire PK 63A 7 broches, avec les câbles de liaisons de 16 mm2 pour le socle, représente un surcoût de 261 € (cf. figure 15). Fig. 15. Socle et prise PK 63A 7 broches pour la charge unitaire de 1 à 4 batteries 12V [11]. Le kit de câblage comprend entre autre le capteur PB6 pour l’accélérateur, les câbles de puissances, les cosses de puissance à sertir, le fusible et l’arrêt d’urgence. L’interrupteur « Marche/arrêt » à clef 455, le coupe-circuit à fourchette et l’arrêt d’urgence forment la chaîne de sécurité pour la mise en marche du kart. Le kit de transmission mécanique comprend un support qui permet de fixer aisément les moteurs du constructeur « Motenergy » sur un châssis de kart par pincement des tubes. Un rapport de transmission typique est proposé : poulie de 22 dents du côté du moteur et une couronne de 75 dents du côté de l’arbre de roue. La longueur de la courroie de largeur 30mm devra elle aussi être adaptée à la configuration du châssis. La version minimale ne comporte que la poulie 22 dents et son « Taper Lock » en diamètre 7/8 pouces. Tab. 1. Fourchette de prix pour l’investissement initial en 24 V. Matériel Coût mini Coût maxi Châssis de kart 100 € 800 € Moteur CC ME0909 / ME1004 633 € 762 € Variateur ALLTRAX 4844 717 € 717 € 2 batteries OPTIMA 48Ah 547 € 547 € 2 chargeurs CTEK MXS 7.0 406 € 406 € Kit de câblage 542 € 542 € Prises PK63A + câbles 16mm2 0 € 261 € Kit transmission mécanique 66 € 410 € TOTAL TTC 3 021 € 4 455 € Le réglage du variateur se fait via une interface USB-RS232 et un logiciel gratuit disponible sur le site web de la société « Alltrac Inc. ». Après avoir adaptée la plage de tension de la batterie dans le variateur, il faut ajuster le courant dans le moteur à des valeurs raisonnables : le moteur ME0909 ne supporte 450 A que pendant seulement 30 s ! Avec une tension de 24 V, la vitesse de rotation du moteur ME0909 est d’environ 2 000 tr/min. La transmission de 22/75 donnera une vitesse maximale du kart de 30 km/h. 4.2. Année 2 : passage en 48V A ce stade du projet, le kart fonctionne et le premier objectif est atteint. Différentes études peuvent maintenant être menées : l’efficacité du freinage, l’impact de la modification de la transmission, le bilan de puissance Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 40 de la chaîne d’énergie « batterie-variateur-moteur », l’évolution de la température du moteur, la décharge de la batterie, la détermination du centre de gravité, etc. Les performances en termes d’accélération sont impressionnantes, mais la vitesse de pointe limite un peu le plaisir sur piste. Ceux qui ont opté pour un rapport de transmission de 32/65 pourront atteindre 50 km/h, mais l’accélération sera bien moindre (environ la moitié de ce que fournie la transmission avec un rapport de 22/75). Afin de profiter pleinement du moteur électrique (en doublant sa vitesse), il faut une alimentation en 48 V. Le variateur étant compatible, il faudra juste adapter les réglages pour la nouvelle tension. Le tableau 2 synthétise les coûts du matériel nécessaire au passage en 48 V. L’achat de chargeur rapide (colonne « Cout maxi ») implique un budget double par rapport à la solution économique (colonne « Cout mini »). Dans la version minimale, les 2 nouvelles batteries sont associées à 2 autres chargeurs CTEK MXS 7.0, mais la prise standardisée PK 63A est installée sur le kart. Elle permettra l’utilisation des chargeurs présents au Challenge e-Kart de Limoges. Il est possible également d’envisager une solution de charge plus rapide : 40 A ou 80 A en fonction du budget. L’avantage de conserver 4 chargeurs (un par batterie) est que les batteries seront rééquilibrées à chaque charge rapide de puissance. Dans tous les cas, les chargeurs disposent du mode « Floating » pour la charge d’entretien. Tab. 2. Fourchette de prix pour le passage en 48V. Matériel Coût mini Coût maxi 2 batteries OPTIMA 48Ah 547 € 547 € Cosses batteries 64 € 64 € 2 chargeurs CTEK MXS 7.0 406 € 0 € Avoir pour 2 chargeurs CTEK -244 € 4 chargeurs Kingpan 12V 40A 1 543 € (4 chargeurs Kingpan 12V 80A) (2 422 €) Prises PK63A + câbles 16mm2 261 € 261 € TOTAL TTC (avec l’option 80A) 1 278 € 2 577 € (3 456 €) Comme il est très facile de passer largement au-delà des réglages nominaux du moteur, il faudra impérativement surveiller l’élévation de la température du moteur. Avec un réglage à 48 V et 150 A, le kart dispose d’un couple à la roue de 50 Nm et une vitesse de pointe de 56 km/h. Le temps de recharge est de 15 min à 20 min pour 8 min-10 min de roulage (chargeur 40 A). Avec les chargeurs 80 A, le temps de charge est environ égal au temps de roulage. 4.3. Année 3 : la marche arrière Le variateur ALLTRAX ne permet pas la récupération d’énergie au freinage. En effet, c’est un hacheur série composé d’un transistor relié à la masse et une diode de roue libre reliée au « + » de la batterie (convertisseur 1 quadrant). Il n’existe pas sur le marché de variateur industriel 2 quadrants. Pour bénéficier du freinage, il faut utiliser le variateur « SEVCON Millipak » 4 quadrants. Le kart disposera alors de la marche arrière, ce qui est pratique pour les manœuvres et le stationnement dans les stands. L’inconvénient de ce variateur est qu’il nécessite une interface de programmation (« dongle ») aussi onéreuse que le variateur (cf. tableau 3). En accord avec la société SEVCON, le logiciel de paramétrage est gratuit pour les écoles membres de l’Association e- Kart. Le dongle de programmation est empruntable pour une courte durée auprès de l’Association e-Kart. L’échange du variateur 1Q ALLTRAX contre le variateur 4Q SEVCON n’est pas très onéreux (cf. tableau 3). Le kit de câblage supplémentaire indiqué dans le tableau 3 est composé d’un faisceau de câbles de commande avec une prise pour le branchement sur le variateur « SEVCON Millipak », d’un interrupteur « Avant / Neutre / Arrière » et d’un voyant de signalisation de l’état du variateur. Tab. 3. Fourchette de prix pour le passage en 4 quadrants. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir du variateur AXE 4844 -430 € -430 € Variateur SEVCON Millipak 4Q 639 € 639 € Dongle d’interface Millipak (en prêt) 645 € Kit câblage Millipak 4Q 95 € 95 € TOTAL TTC 304 € 949 € Le variateur « SEVCON Millipak 4Q » peut très bien fonctionner sous 24 V, 36 V ou 48 V. Il permet de limiter le courant du moteur jusqu’à 300 A. Il est entièrement paramétrable et dispose de sécurités logicielles de fonctionnement, comme le blocage du démarrage si l’accélérateur est actionné à la mise sous tension. La régénération de l’énergie est programmable et entrainera des questions sur la transmission mécanique. En effet, trop de freinage ajoute des contraintes supplémentaires sur la courroie. Le freinage électrique permet de diminuer la consommation lors du roulage et donc de diminuer le temps de recharge, mais provoque un échauffement supplémentaire du moteur. 4.4. Année 4 : passage en moteur synchrone La société « Motenergy » fabrique des moteurs synchrones basse tension « économique ». Ces moteurs sont tout à fait préconisés pour les véhicules électriques fonctionnant en basse tension. Afin d’obtenir suffisamment de puissance pour le kart, il est conseillé de les alimenter à partir de 36 V. Les 3 produits « phares » de la Boutique Kart Masters Shop sont : (1) Le moteur « ME0907 », 5 kW sous 48 V, 2 500 tr/min, à 689 €. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 41 (2) Le moteur « ME0913 », 12 kW sous 48 V, 3 600 tr/min, à 833 €. (3) Le moteur étanche « ME1304 », 20 kW sous 48 V, 4 000 tr/min, à 967 €. Ces moteurs nécessitent l’utilisation de variateurs triphasés basse tension fort courant. La société Kart Masters propose la gamme « GNE4 » du constructeur SEVCON en 24 V, 36 V, 48 V et 72 V pour des courants efficaces dans le moteur de 275 A, 350 A, 450 A, 550 A et 650 A, en fonction de la taille du variateur. La figure 16 présente les dimensions des 3 formats de variateurs de la gamme GEN4 utilisés pour les karts électriques. Fig. 16. Dimensions des variateurs SEVCON de la gamme GEN4 size 2 (en bas), size 4 (au milieu) et size 6 (en haut) [11]. Comme précédemment, le résumé du passage de la solution d’un moteur à courant continu vers un moteur synchrone est présenté dans le tableau 4. La version avec un moteur de 5 kW permet de minimiser le coût. Pour le moteur « ME0907 » de 5 kW, un variateur « size 2 » 48 V 275 A est suffisant, mais ce variateur est légèrement plus cher (874 € contre 810 €) que le modèle « size 4 » 48 V 450 A (car plus vendu) : c’est la solution proposée pour minimiser le coût. Les moteurs « ME0913 » et « ME1304 » s’accommoderont parfaitement d’un variateur « size 4 » 48 V 450 A, mais pour profiter de toute la puissance des moteurs, le modèle en « size 6 » 48 V 650 A pourra être utilisé. Les variateurs « SEVCON GEN4 » sont paramétrables via un bus CAN : il faut une interface spécifique « USB-to-CAN » et un nouveau logiciel (gratuit pour les écoles membres de l’Association e- Kart). Dans le kit de câblage pour variateur « GEN4 » est fourni le faisceau de câble de commande avec une prise 35 broches, du câble en 50 mm2 pour les liaisons moteur/variateur et un forfait de paramétrage et de test du variateur en usine. Tab. 4. Fourchette de prix pour le passage en moteur synchrone. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir mot. ME0909 / ME1004 -380 € -457 € Avoir du variateur Millipak 4Q -383 € -383 € Avoir dongle Millipak 4Q -0 € -387 € Moteur ME0907 / ME1304 689 € 967 € Variateur GEN4 4845 / 4865 837 € 1 197 € Interface « USB-to-CAN » (en prêt) 530 € Kit câblage GEN4 360 € 360 € TOTAL TTC 1 123 € 1 826 € Le variateur GEN4 est un peu plus difficile à mettre en œuvre : la problématique est transférée sur les aspects informatiques. Il faut pouvoir disposer d’un ordinateur (pas trop vieux), avec une liaison internet (assez rapide), installer le logiciel SEVCON DVT (et obtenir la licence) et installer le logiciel « Team Viewer » pour la prise en main à distance de l’ordinateur par le Service-Après-Vente afin de dépanner les problèmes. Par contre, les multiples possibilités de réglage et de configuration en font un vrai centre d’intérêts pour des exploitations pédagogiques. Comme le kart gagne en performance, une piste à explorer est la réduction de masse (du châssis et/ou des composants). Le passage en batterie au plomb d’une capacité de 38 Ah permettra de réduire la masse du kart (11,6 kg pour la batterie de 38 Ah contre 16,6 kg pour le modèle 48 Ah). L’accélération sera plus importante et la consommation électrique moindre [7]. 4.5. Année 5 : passage en 72 V L’action combinée du passage en batterie 38 Ah et de l’ajout de 2 batteries supplémentaires n’impacte la masse de batteries que de 3,2 kg (69,6 kg pour 6 x 38 Ah contre 66,4 kg pour 4 x 48Ah). L’augmentation de la tension d’alimentation permet aux moteurs électriques de développer plus de puissance grâce à une vitesse de rotation plus importante. Ceci permet également de réduire le courant dans la batterie pour une puissance donnée. Les moteurs « ME0913 » et « ME1304 » seront associés à un variateur « size 4 » (72 V 350 A 2,7 kg), ou le modèle en « size 6 » (72 V 550 A 4,6 kg). Le tableau 5 reprend des différentes modifications du projet précédent. Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 42 Le câblage reste identique à la version 48 V. Il faut juste ajouter une prise de charge unitaire pour les 2 batteries supplémentaires (et leurs cosses) et 2 chargeurs de puissance (cf tableau 5). Tab. 5. Fourchette de prix pour le passage en 72 V. Matériel Coût mini Coût maxi Avoir des 4 batteries 48Ah -656 € -656 € 6 batteries OPTIMA 38Ah 1 290 € 1 290 € 2 chargeurs 12V 40A / 80A 772 € 1 211 € Avoir var. GEN4 4845 / 4865 -502 € -718 € Variateur GEN4 8035 / 8055 837 € 1 197 € Kit câblage 72V 295 € 295 € TOTAL TTC 2 035 € 2 619 € Avec 20 kW (27 ch) ou 30 kW (40 ch) de puissance électrique, le niveau de performance atteint ici par un kart électrique est comparable à celui d’un kart thermique de compétition (125 cm³ sans boîte de vitesses d’une puissance de 15 ch à 35 ch) [23]. 4.6. Année 6 : les batteries Lithium Un avantage de la montée de la tension continue est la limitation du courant de la batterie à des valeurs de l’ordre de 200 A à 400 A. Cela convient bien aux batteries au Lithium : les pertes par effet Joule dans les câbles et dans la batterie en seront réduites de façon importante (car proportionnelles au carré du courant). Les cellules au Lithium permettront de réduire encore la masse de la batterie et d’augmenter l’autonomie du kart. Deux technologies sont disponibles sur la Boutique Kart Masters Shop : (1) Les cellules au Lithium « CALB CA » LiFePO4 « Low Density » (faible densité) 94 Wh/kg, prismatique. (2) Les cellules au Lithium polymère « LCO EPS » 156 Wh/kg, en poche. Afin d’avoir une masse de cellule Lithium inférieure à la masse des 6 batteries « OPTIMA » 38 Ah (qui est de 69,6 kg), 2 approches sont présentées dans le tableau 6 : (1) Le passage en 48 V avec 16 cellules « CALB » 100 Ah, pour une masse totale de 54,4 kg (5 956 €). (2) En 72V, avec 48 cellules « EPS » 43 Ah, 2 en série et 24 en parallèle (« 2P24S »), pour une masse de 49 kg et une capacité équivalente de 86 Ah. Le kit de cellules au Lithium comprend les éléments nécessaires à la mise en série (et en parallèle), un BMS et une télécommande pour superviser l’état de la batterie. L’offre de reprise en 48 V se base sur 4 batteries au plomb 12 V 48 Ah et 4 chargeurs 12 V 40 A. En 72 V, le calcul est effectué pour 6 batteries au plomb 12 V 38 Ah et 6 chargeurs 12 V 80 A. Tab. 6. Fourchette de prix pour le passage en Lithium. Matériel Coût en 48V LD Coût en 72V HD Avoir des 4 / 6 batteries 48Ah -656 € -774 € Batterie CALB 100Ah 48V LD 5 956 € Batterie EPS 86Ah 72V HD 11 922 € Avoir des 4 / 6 chargeurs 12V -926 € -2180 € Chargeur ZIVAN 48V 50A 1 361 € Chargeur ZIVAN 72V 85A 2 957 € TOTAL TTC 5 735 € 11 925 € Le passage en batterie au Lithium double le budget initial du kart électrique, mais permet d’optimiser la masse du véhicule et de passer de 200 kg-250 kg pour un kart au plomb à 110 kg-150 kg pour un kart au Lithium. De plus, l’autonomie est multipliée par 4 par rapport à la technologie plomb, pour atteindre environ 1 heure de roulage. Avec de telles performances, il faudra impérativement avoir un bon châssis de kart de compétition, avec de préférence des freins hydrauliques à l’avant (et à l’arrière). 5. Conclusion Dans la réalisation d’un projet d’électrification d’un véhicule, il est important que dès la première année le projet puisse aboutir, même avec des performances modestes. Le budget initial d’investissement étant relativement important, la hiérarchie qui finance sera sensible à cet argument et le véhicule pourra servir rapidement de support de communication lors des journées portes ouvertes et des différents salons pédagogiques de promotion de l’établissement. Avec le concours de l’Association e-Kart et à la société Kart Masters, il est possible de faire évoluer ce projet d’électrification sur plusieurs années, par l’échange et l’ajout de matériel plus performant (cf tableau 7). Le passage avec des batteries Lithium est possible mais double le budget du véhicule ! Autour de la réalisation du véhicule électrique, il est possible de proposer aux étudiants une multitude de projets, dans des domaines très variés [24][7]. Tab. 7. Bilan de l’évolution financière du kart électrique. Année Version mini Version haute 1) Investissement en DC 24 V 3 021 € 4 455 € 2) Passage en 48 V (1 quadrant) 1 278 € 3 396 € 3) Variateur 4 quadrants 304 € 949 € 4) Moteur synchrone en 48V 1 123 € 1 826 € 5) Moteur synchrone en 72V 2 035 € 2 619 € TOTAL TTC sur 5 années 7 761 € 13 305 € 6) Passage en batterie Lithium +5 735 € +11 925 € Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 43 6. Bibliographie [1] D. EYMARD, Le kart électrique : une application pédagogique, Revue Technologie, N° 120, mai-juin 2002, pp. 74-76. [2] P. LEBRUN, Conception et réalisation d’un véhicule électrique, Revue Technologie, N° 125, avril 2003, pp. 56-58. [3] P. LEBRUN, Conception et réalisation d’un véhicule électrique, Revue 3EI, N° 34, septembre 2003, pp. 16- 20. [4] M. CHAVES, L. PERRO, A. ROQUE, D. PRATA, J. MAIA, P. VERDELHO, J. ESTEVES, Control of an Electrical Kart With Two Independent Motors, EPE Proceedings, Septembre 1999. [5] J. Van MIERLO, J.-M. TIMMERMANS, P. LATAIRE, P. Van Den BOSSCHE, Project oriented education: Build your own electric go-kart, European Conference on Power Electronics and Applications, EPE 2005, 9 pages. [6] T. LEQUEU, B. BIDOGGIA, A. SCHELLMANNS, Y. DERRIEN, N. GODEFROY, Exemples d’applications pédagogiques autour du kart électrique e-kart, CETSIS 2007, Bordeaux, 29-31 octobre 2007, 6 pages. [7] A. SIVERT, T. LEQUEU, Je construis mon véhicule électrique - Vélo, Kart, Moto, collection ETSF, Dunod, juillet 2013, 144 pages. [8] A. SIVERT, F. BETIN, T. LEQUEU, Réalisation d’un kart électrique performant : gestion de l’énergie embarquée et choix technologiques, CETSIS 2014, Besançon, 27-29 octobre 2014. [9] Le site web de l’Association e-Kart http://www.e- kart.fr/, consulté le 8 août 2016. [10] Le site web de la société Kart Masters http://www.kartmasters.fr/, consulté le 8 août 2016. [11] Le site web de la Boutique Kart Masters Shop http://www.kartmasters.fr/shop/, consulté le 8 août 2016. [12] J. MERDY, B. SOHIER, T. JORON, le site web AILEC (Aéro Innovation Loisir ÉleCtrique), http://www.ailec.fr/, consulté le 8 août 2016. [13] S. LELONG, le site web des pilotes d’ULM de type PULMA, http://appulma.org/, consulté le 8 août 2016. [14] B. ROBIN, Ride'n Touraine - Réalisation d'un treuil électrique pour la pratique du wakeboard, projet personnel, juillet 2013. [15] ElektorWheelie sur le site web de la revue Elektor, https://www.elektormagazine.fr/magazine/elektor- 200909/11389, consulté le 8 août 2016. [16] Le site web des engins électriques à l'IUT GEII de Cuffies-Soissons, http://aisne02geii.e-kart.fr/, consulté le 9 août 2016. [17] Le site web du challenge EducEco, http://www.educeco.net/, consulté le 9 août 2016. [18] Le site web du la moto électrique de Sébastien MAHUT, http://seb-moto.e-kart.fr/, consulté le 9 août 2016. [19] Le site web de l’association Kartelec, http://www.kartelec.com/, consulté le 9 août 2016. [20] T. LEQUEU, Exemple de câblage du circuit électrique d'un kart, https://e-kart.fr/documentation/trucs- astuces/279-exemple-de-cablage-du-circuit-electrique- d-un-kart.html, consulté le 11 août 2016. [21] Site web http://www.e-kart.fr/2017/, consulté le 10 août 2016. [22] Site web http://www.thierry-lequeu.fr/, consulté le 8 août 2016. [23] A. SIVERT, F. BETIN, J.-P. BECAR, T. LEQUEU, Do Electric Go-Karts Are Getting Better than Gas- Powered Ones?, EVER Monaco, 2012, 6 pages. [24] T. LEQUEU, Un support pédagogique pluritechnologique : le kart électrique, http://www.iutenligne.net, mise à jour du 21 janvier 2005.

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Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 25 Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps… A.SIVERT1 , F.BETIN1 , B.VACOSSIN1 , J.AUBRY2 , T.LEQUEU3 (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) ESTACA’LAB, Pôle S2ET « Systèmes et énergie embarqués pour les transports », ESTACA 53061 LAVAL (3) Association e-Kart - 152 rue de Grandmont - 37550 SAINT AVERTIN, Université TOURS 1. Introduction Le vélo électrique permet de niveler la puissance humaine de pédalage lors des dénivelés positifs et de récupérer l’énergie dans les descentes. Un trajet donné peut donc être optimisé pour avoir soit :  un temps de parcours minimum ;  une énergie à fournir minimale (électrique et humaine) ;  une puissance nominale moteur la plus faible,  des pertes électriques limitées pour ne pas dépasser la température maximale du moteur et des convertisseurs électroniques de puissance… Un compromis de tous ces critères peut être atteint en pondérant plus ou moins ces stratégies en fonction des objectifs que l’on souhaite se fixer. A partir de services en ligne, comme Google Maps par exemple, qui permettent de définir le trajet et de connaitre les dénivelés, le trafic, la vitesse maximale pour chaque portion du parcours, des applications et des systèmes pilotent et estiment le temps du parcours et la consommation énergétique… Mais ces nombreuses stratégies dépendent aussi du type d’hybridation et du rendement des motorisations. Par conséquent, une rapide présentation de deux solutions d'hybridation d’un vélo électrique sera présentée ainsi qu’un modèle des puissances mécaniques mises en jeu, ce qui permettra alors d’effectuer une comparaison de différentes stratégies et d’aborder l’incertitude des estimations. 2. Hybridation d’un vélo électrique Une hybridation série ou parallèle peut être réalisée sur un vélo électrique. Pour l’hybridation série [7], le pédalier est remplacé par un alternateur (type 200 W à 80 tr/min) qui charge un élément de stockage de l’énergie. La puissance de charge de la batterie peut être modulée en fonction de la puissance humaine : le cycliste peut alors régler la puissance qu’il veut fournir entre 40 W à 200 W. L’énergie stockée dans la batterie fournit est transférée au moteur via un convertisseur électronique de puissance. Cette hybridation permet éventuellement de recharger la batterie même à l’arrêt si le vélo est un tricycle. L’alternateur, qui doit être conçu pour présenter un bon rendement, permet de simplifier la transmission de la puissance humaine : il n’y a plus besoin de la chaîne mécanique. L’hybridation parallèle est la plus courante. Elle permet d’additionner la puissance d'une motorisation électrique à la puissance humaine fournie via un pédalier, un braquet et une chaine. Cette chaîne a une consommation d’environ 10W qu’il faudra retirer de la puissance de la motorisation. L’avantage de cette hybridation parallèle par rapport à l’hybridation série est de pouvoir rouler même s’il y a un problème électrique (problème de moteur ou de convertisseur Résumé : une multitude de stratégies est possible pour commander un vélo électrique, notamment grâce à la possibilité de récupération d’énergie lors des phases de freinage. Sur un trajet donné, cet article va présenter plusieurs stratégies pour minimiser un ou plusieurs critères tels que : le temps de parcours, la fatigue due au pédalage, l’énergie stockée dans la batterie, la puissance du moteur, les pertes électriques et les échauffements… En fonction de ces stratégies, les performances, l’efficacité énergétique et le dimensionnement des composants du vélo électrique peuvent être déterminés. En effet, chaque stratégie nécessite des limites de puissance et des valeurs de capacité énergétique de la batterie différentes. Ces stratégies peuvent être calculées via une application sur smartphone et basée sur un algorithme connaissant le trajet à effectuer et pouvant directement piloter le variateur du vélo. Mais quels sont les critères à minimiser pour définir un trajet ? Comment les applications proposent- elle un parcours ? Quelles sont les incertitudes de ces applications sur l’énergie consommée ? Comment l’application connait-elle la puissance de pédalage ? Comment l’application peut-elle connaitre les paramètres du véhicule et ses pertes, son besoin en énergie, son autonomie ? Cet article permet de répondre à ces questions pour mieux comprendre les besoins d’un véhicule électrique et sa consommation. Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 26 défectueux). De plus, cette solution d'hybridation est moins lourde (alternateur en moins). Les cycles électriques de l’I.U.T. de Soissons ont une poignée délivrant une consigne pour l’asservissement de vitesse qui prend en compte une limitation du courant de la batterie 72V à 40A, donc une limitation la puissance moteur à 3kW et une limitation du courant moteur à 80A. En revanche, le freinage électrique est imposé grâce à un asservissement du couple avec la même poignée de commande dès que l’on effleure le frein mécanique constitué d'un contact poussoir. Par conséquent, il est très facile de vérifier les stratégies proposées. Mais quelle puissance mécanique doit fournir la motorisation ? Quelle est la valeur de la puissance humaine qui peut être mise œuvre ? 3. Puissance mécanique et consommation La puissance mécanique résistive d’un cycle électrique est souvent modélisée par l’équation (1) suivante [1][2] : Présistance(W)=kaero⋅Vit3 +kroul⋅Vit+pente⋅ M⋅g⋅Vit( km h⁄ ) 3,6 Avec M, la masse du véhicule et de son conducteur, g l’accélération de la pesanteur, kroul le coefficient de roulement des pneus [3] et kaero le coefficient d’aérodynamisme L’ensemble de ces paramètres est facilement identifiable. Pour bien appréhender les stratégies, un VTC relativement chargé sera pris en considération. kaero W/(km/h)3 kroul W/(km/h) Masse chassis Masse elect Masse Cycliste+bagage 0,0065 7 à 4 20 kg 10 kg 80 kg+30 kg Tableau 1 : coefficient d’un VTC électrique Pour bien comprendre les différentes stratégies, un profil de dénivelé simpliste sera choisi avec 5 portions de pentes différentes valant respectivement 0%, 10%, -10%, 5% et -5% et correspondant à la figure 1. fig 1: trajet de 6 km avec différentes pentes. Pour une personne adulte en bonne santé, la puissance motrice soutenable est environ de 100 W pendant 6 heures avec un rendement de 20 à 25%. La puissance peut atteindre 200W pendant 1 heure, voire 300W pendant 10 minutes et 750 W pendant 5 secondes. Pour un sportif de haut niveau, la puissance peut atteindre 350 W pendant 5 h. L’énergie journalière issue de l’activité physique humaine doit être d’environ 1000 Wh à 2000 Wh et peut atteindre 5000 Wh dans des cas extrêmes. Avec une limitation de la puissance électrique du vélo précédent à 250 W et en fonction de la puissance humaine proposée ci-dessus, quelle sera le profil de vitesse possible en fonction du dénivelé ? Quelle sera la durée du trajet ainsi que la dépense énergétique ? 4. Stratégie de la puissance moteur constante Avec des choix arbitraires de 250W pour la puissance maximale du moteur électrique et de 100W pour la puissance humaine, la vitesse en régime établi dépend de la résolution de l’équation (1) correspondant à l’expression (2) suivante : Vit(km h⁄ )=A1 3⁄ - kl(pente) 3⋅kaero⋅A1 3⁄ (2) Avec : kl(pente)= kroul+ M⋅g 3,6 ⋅pente A= Pmot kaero + (3⋅(4⋅kl3+27⋅Pmot 2 ⋅kaero)) 1 2⁄ 18⋅kaero 3 2⁄ Pmot correspond aux puissances motrices humaine et électrique. Sur la figure 2, on peut observer les dynamiques de la vitesse en simulation. La vitesse sera de 8 km/h pour une pente de 10%, de 14 km/h pour une pente de 5% et de 32 km/h sur du plat. fig 2: vitesse en fonction de la pente et de la distance pour une puissance de 350 W Le temps pour faire ce trajet de 6 km est de 980 s. La vitesse moyenne est donc de 22 km/h avec une vitesse maximale de 77 km/h alors que le guidonnage intervient à partir de 60 km/h. Par conséquent, cette vitesse maximale est inappropriée. De plus, une vitesse trop faible en dessous de 30 km/h est dangereuse à cause de la différence de vitesse avec les autres usagers de la route (voitures, camions…). Avec une puissance de 250 W + 100 W, l’énergie totale consommée pour effectuer ce trajet correspond à l’équation (3) suivante : E(W⋅h)= Pmotmoy ⋅ t 3600 =350⋅ 980 3600 =95 W.h (3) Vitesse (km/h) Dénivelé (m) Distance (m) Distance (m) Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 27 Donc l’énergie au km pour le trajet est de 15,8 Wh/km avec 27 Wh d’énergie humaine. Les valeurs d'énergie fournie par le moteur électrique et humaine évoluent linéairement par rapport au temps puisqu’elles sont constantes. En revanche, représentées en fonction de la distance parcourue, les courbes de consommation d’énergie comportent des pentes différentes. Cela est dû au fait que la vitesse n’est pas constante. L’énergie moteur est donnée via les équations (4) et (5) suivantes avec Δd correspondant à la discrétisation de la distance (50 m avec Google Maps), Δz l’altitude et V la vitesse en m/s : Emoteur+humaine = Ecinétique+Eaérodynamique+Eroulement+Epotentielle Pmot⋅ Δd ΔV = 1 2 MV2 +kaero⋅3,62 V2 Δd+kroul⋅3,6V⋅Δd+MgΔz Pour obtenir un bilan rigoureux, il est préférable de raisonner sous forme énergétique avec une discrétisation de la distance et donc du trajet et non de raisonner en fonction du temps. Les différentes énergies demandées par le véhicule en fonction de la distance sont observables sur la figure 3 suivante. fig 3: différentes énergies pour une puissance constante de 350 W. Sur la figure précédente, les pertes aérodynamiques qui fluctuent en fonction de la vitesse sont relativement importantes. D’ailleurs, pour minimiser la consommation énergétique du véhicule, une expérimentation à vitesse constante est évidente. Stratégie de la vitesse constante ou de la minimisation de l’énergie Pour faire une comparaison avec la commande précédente, la même vitesse moyenne de 22 km/h sera choisie. On peut observer sur la figure 4 que la puissance du moteur varie fortement avec un freinage électrique lors des descentes grâce au variateur qui régule la vitesse. L’énergie totale est de 42,5 Wh avec la même énergie humaine que dans le cas précédent. La puissance moyenne est seulement de 157 W avec une puissance électrique de 57 W correspondant à la puissance résistive à 22 km/h (1). L’énergie demandée par le véhicule est seulement de 7 Wh/km. En effet, l’énergie potentielle lors des montées est restituée lors des descentes. Par conséquent, une commande à vitesse constante minimise la consommation d’énergie [7], mais demande une puissance plus importante au moteur. Sur la figure 4, on peut observer un écart de puissance de pédalage de 100W correspondant à la différence entre la puissance du véhicule et la puissance moteur électrique. Fig 4 : Puissance en W et énergie en W.h en fonction de la distance en m, pour une vitesse de 22 km/h constante. Il y a donc un compromis à établir entre le temps de trajet et la consommation d’énergie. 5. Stratégie du temps minimal avec vitesse imposée en montée et descente. Une vitesse constante de 35 km/h correspond à une vitesse d’usage correcte pour un cyclotouriste aussi bien sur le plat qu’en montée. Notons que pour rouler en toute sécurité dans les descentes, la vitesse sera alors limitée à 50 km/h. Dans ce cas, la puissance et l’énergie en fonction de la distance correspondront aux graphes de la figure 5. La puissance lors des montées est plus grande que dans le cas précédent. Il en est de même pour la puissance de freinage présentée pour la pente à -10%. En effet, la puissance de freinage est nécessaire moins longtemps puisque la vitesse en descente est de 50 km/h. En revanche, ce n’est pas le cas pour la pente de -5%. Il faut 555 s pour effectuer le parcours de 6 km avec une vitesse moyenne de 39 km/h, une énergie totale de 88 Wh, dont 15 Wh d’énergie humaine, et une puissance moyenne totale de 570 W dont toujours 100 W d’origine humaine. L’énergie nécessaire pour le véhicule est alors de 14,6Wh/km. Différentes Energie véhicule (W.h) Distance (m) Energie cinétique×10 Energie moteur et humaine Energie demandée par le véhicule (humaine+ électrique) Energie aérodynamique perdue Energie Véhicule Distance Energie Electrique Energie humaine Puissance véhicule (humaine+électrique) Distance (m) Puissance moteur électrique Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 28 fig 5 : Puissance en W et énergie en Wh en fonction de la distance en m, pour un temps minimal avec limitation de la vitesse. Si l’on réduit le temps de trajet, la consommation d’énergie humaine est plus faible, ce qui engendre moins de fatigue. Par conséquent, en vélo électrique, les distances parcourues peuvent être beaucoup plus longues que celle effectuées avec un vélo traditionnel. Cependant, dans ce cas, il faut une batterie de capacité énergétique suffisante. Une autre stratégie peut être étudiée. C’est celle pour laquelle il n’y a pas besoin d’énergie extérieure. C'est-à-dire que l’énergie est entièrement fournie par le cycliste et la puissance est nivelée par la motorisation électrique. 6. Stratégie sans énergie extérieure (vélo électrique autonome). Cette stratégie permet de ne pas recharger la batterie sur une prise extérieure, toute l’énergie provenant de la puissance humaine de pédalage [7]. En revanche, la motorisation électrique nivelle la puissance. Sachant que les énergies aérodynamiques et de résistance de roulement correspondent à l’énergie humaine fournie, la vitesse moyenne est déterminée par l’équation 2 pour une puissance humaine de 100 W et donne une valeur de vitesse de 17km/h. Donc, le temps pour effectuer le parcours est de 1270 s avec une énergie correspondant à l’équation (6) suivante : Etrajet(W.h)=Phumanmoy ⋅ t 3600 =100⋅ 1270 3600 =35W.h La consommation du véhicule passe à 5,83 Wh/km. La batterie doit être dimensionnée en fonction de l’énergie potentielle relative à la plus grande montée. Pour le profil du dénivelé précédent, la capacité énergétique devra correspondre à l’énergie potentielle suivante (7) : Ebatterie(W.h)=Mg.Δz/3600=140.9,8.100m/3600=39W.h Les courbes suivantes (figure 6) de la puissance et de l’énergie correspondent à cette dernière stratégie. On peut observer que sur le plat de 0 à 1000 m, la puissance est bien de 100 W. Cependant, il faut toujours des puissances motrices et de freinage relativement importantes. La figure 6 montre aussi l’évolution de l’énergie demandée par le véhicule et de l’énergie du pédalage en fonction de la distance parcourue. fig 6 : Puissance en W et énergie en Wh en fonction de la distance en m, pour une vitesse donnée avec une stratégie de non utilisation d’énergie extérieure. Evidemment, si la puissance humaine est plus importante, la vitesse moyenne pourra être plus grande. L’avantage du vélo électrique est de pouvoir effectuer un trajet à effort constant. Mais comment l'outil Google Maps détermine le chemin à prendre pour un trajet donné ? Est-ce que l’application prend en compte le dénivelé pour proposer un parcours ? Quels sont les traitements dynamiques réalisés permettant de définir un trajet ? Energie (Wh) Distance Energie Humaine Energie consommée par le véhicule Puissance véhicule Distance (m) Distance Energie véhicule Puissance du véhicule Distance Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 29 7. Algorithme dynamique de proposition de trajet Google Maps API [8] permet de savoir comment sont calculées les distances et les durées des trajets entre différents points. Mais l’application ne prend pas en compte l’élévation pour proposer un itinéraire et ne donne pas une estimation de la consommation comme l’application viamichelin.fr. Il existe plusieurs algorithmes pour définir un trajet, mais le plus connu est celui de Bellman [9] : le problème est de trouver la distance la plus courte entre plusieurs points GPS. L’algorithme de Bellman peut être utilisé en temps réel pour une distance donnée et permet de calculer la puissance nécessaire afin de minimiser la consommation d’énergie [10]. Avec la stratégie de la vitesse moyenne, l’élévation a peu d’importance. Par contre, pour la stratégie du temps minimum, le dénivelé aura une grande importance et de grandes conséquences sur l’autonomie. Évidemment, l’algorithme de proposition de trajet se complique si l’on prend en compte la stratégie de pilotage, le trafic, la minimisation de consommation d’énergie, la minimisation du temps de trajet et le rendement de la motorisation pour proposer un trajet. Mais d’ailleurs, quel est l’impact du rendement de la motorisation sur la stratégie de pilotage ? 8. Relation entre le rendement de la motorisation et la stratégie de pilotage. Dans les quatre stratégies précédentes, le rendement du moteur n’a pas été pris en compte. Or, le rendement d’un moteur roue de vélo en fonction de la vitesse correspond à la figure 7. fig 7 : caractéristiques du moteur HS3540 en fonction de la poignée d’accélération avec une pente de 0% en 72V [11] On peut observer que le rendement est pratiquement constant sauf pour les basses vitesses. En effet, il n’y a pas de boite de vitesses entre le moteur roue et la roue arrière du vélo soumise à la puissance résistive. Enfin, il y a des courants importants et donc des pertes plus importantes dans le moteur lorsque celui-ci tourne à basse vitesse. Pour ne pas avoir d’échauffement important de la motorisation, la stratégie d’un pilotage minimisant le temps de parcours, avec des vitesses au- delà de 35 km/h pour avoir une meilleure dissipation, est la plus intéressante. Il y a une optimisation de la consommation énergétique due au rendement à partir d’une certaine vitesse. Ceci a d'ailleurs déjà été démontré dans cette publication [6]. De plus, le rendement de l’énergie humaine est compris entre 20 et 25%. Par conséquent, la stratégie de la minimisation du temps du trajet est la plus intéressante pour minimiser l’énergie d’origine humaine dépensée. Notons que, naturellement, pour rester en bonne santé, un minimum d’énergie musculaire doit être dépensé au quotidien. 9. Instrumentation des vélos électriques et estimateurs de consommation d’énergie. L’objectif des estimateurs est de déterminer l’autonomie restante qu’il est possible d’obtenir par rapport à la capacité énergétique de la batterie tout en prenant en compte l’énergie de pédalage. De nombreux GPS et applications de smartphones pour vélo proposent des estimateurs de kilocalories. Certaines applications proposent l'enregistrement des données sur fichier au format .CSV et affichent les courbes de vitesse, d’énergie, de puissance, les pulsations cardiaques, le tout en fonction de la distance. On peut citer les applications :  « Mes parcours »  « Openrunner » Pour les vélos électriques, il existe des estimateurs gratuits de consommation en ligne pour smartphone. Citons ici :  https://www.ebikemaps.com/http://www.ebikes.ca/tools/trip-analyzer.html Ces estimateurs permettent de supputer la puissance de la motorisation, la température du moteur, l’énergie consommée en fonction d’un itinéraire que l’on a défini sur Google Maps. Depuis 2013, pour environ 180 €, l’instrumentation « cycle analyst », que l’on peut installer sur tout véhicule électrique, permet de faire une mesure de la consommation à 1% prés. De plus, cette instrumentation permet depuis 2015, de mettre un capteur de pédalier pour mesurer la vitesse, le couple et donc la puissance de pédalage. En revanche, cette application n’inclut pas de fonction GPS. Il faut donc l’associer à un smartphone pour générer le dénivelé positif et négatif. Les données sont sauvegardées et permettent de faire une analyse du périple ainsi que des comparaisons avec un estimateur en ligne. En général, l’instrumentation des vélos électriques n’est précise qu’à 20% près, ce qui n’est pas satisfaisant pour faire une étude et rassurer le cycliste sur un parcours (exemple : console Intuvia du fabricant Bosch, 95 €). En 2016, cette même marque a développé une console avec GPS appelée Nyon (360 €) permettant une estimation de consommation en ligne. Cependant, ce GPS estimateur n’est compatible qu’avec le moteur pédalier de la même marque et ne peut qu’être adapté à un vélo droit. Ces estimateurs en ligne ne connaissent pas en général la puissance de pédalage, ni les coefficients de roulement et d’aérodynamisme du cycle. Par conséquent, il y a un décalage important Rendement (%) Vitesse (km/h) Puissance résistive (Watt)/15 Poignée d’accélération (%) Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 30 entre l’estimation et la réalité. Seule l’estimation proposée par Ebikemaps est adaptative, c'est-à-dire qu’à chaque trajet, on peut lui indiquer la valeur de la consommation ce qui permet d’ajuster les paramètres du véhicule. Il faut donc une instrumentation précise (à 1% si possible / Ex : cycle analyst,150€) de la consommation électrique, du dénivelé positif et négatif, de la distance et de la vitesse moyenne pour obtenir des résultats corrects. De plus, à partir de l’équation (5) de l’énergie discrétisée en fonction de la distance, avec la stratégie qui minimise la consommation d’énergie électrique en utilisant le freinage électrique, l’énergie électrique correspondra à l’équation (8) suivante : E(W.h)=( Présistive(Vmoy) ηm − Phumain) ⋅ Dist Vmoy + [ Mg 3600 ⋅ D+ ηm − D- ⋅ηm] (8) Avec D+ la somme des dénivelés positifs et D- la somme des dénivelés négatifs en mètres. Exemple : pour le parcours étudié et un rendement moteur considéré comme constant à 80%, on peut observer que l’énergie perdue dans le moteur est loin d’être négligeable (9). EElec= EVeh-Ehumain ηm +Edénivelé D+ − Erécupérée D- (9) EElec= 157-100 0,8 + 6km 22km/h + 1409,8 3600 ⋅( 150 0,8 -150⋅0,8)) EElec= 15,5 W.h 0,8 +25,7 W.h = 45,1 W.h On peut observer sur les courbes de la figure 8 cette énergie électrique en prenant en compte le rendement du moteur. A cause de ce rendement, si l’on compare la courbe de puissance suivante à la courbe de la figure 4, on peut observer que la machine électrique demande plus de puissance lorsqu’elle fonctionne moteur. En revanche, la puissance de récupération est plus faible. On peut observer les pertes du moteur électrique et son échauffement en prenant en compte une résistance thermique de 0,29°K/W et une constante de temps de 18 min. Si la montée dure trop longtemps (13 km à 22 km/h) alors le régime établi de température sera presque atteint. Or, la température du bobinage ne doit pas dépasser 90°C. Dans ce cas, l’instrumentation proposée par la solution « cycle analyst » limite la puissance du moteur pour réduire les pertes et l’échauffement. Un deuxième capteur de température peut être placé sur le variateur pour le protéger. Avec la stratégie de minimisation du temps où le freinage électrique est faible, la consommation peut être déterminée approximativement par l’équation (10) suivante : E(W.h)=(Présistive(Vmoy)- Phumain)⋅ distance Vmoy + Mg⋅D+ 3600 (10) Exemple : avec le parcours précédent, en négligeant l’énergie récupérée dans les descentes et avec la vitesse moyenne de 39km/h, on obtient : E= ( 470 0,8 -100) ⋅ 6 39 + 140⋅9,8⋅150m 3600⋅0,8 =145 W.h Les pertes de la motorisation étant plus grandes, la différence d’énergie est encore plus significative par rapport à la valeur pour laquelle le rendement est de 100%. fig 8 : puissances en W et énergies en Wh en fonction de la distance en m, pour une vitesse de 22km/h constante avec un rendement du moteur de 80%. Dans les 2 équations précédentes, l’énergie cinétique n’a pas été prise en compte. Peut-on récupérer cette énergie lors des freinages ? Effectivement, l’énergie cinétique peut être récupérée avec un freinage électrique, mais il faut anticiper le freinage. En effet, le freinage d’urgence demande une puissance très importante que ne pourra pas absorber le moteur. Exemple : avec un freinage de 5 secondes pour notre véhicule lancé à 35 km/h, la puissance moyenne et maximale est déterminée par l’équation (11) suivante : Pfreinage moy= M⋅V2 2⋅3,62⋅tempsfrein = 140⋅352 2⋅3,62⋅5 =1654W (11) Pfreinage max = 2 ⋅ Pfreinage moy = 3308

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Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines Jacques COURAULT 1. Introduction Ces dernières décennies l’électronique de puissance a été l’un des moteurs de l’évolution des propulsions marines. Progressivement, les solutions vapeur et fioul ont été remplacées par des solutions électriques, jugées plus économique à l’exploitation et plus souples à l’utilisation. De plus les propulsions électriques autorisent des solutions de propulsions réparties, comme les POD par exemple, qui accroissent la manœuvrabilité des navires. Nous allons dans cet article passer en revue les différents types de conversion dans un mode historique. Ce qui tient compte d’une part des composants de puissance disponibles et d’autre part de nos connaissances en matière de topologie des convertisseurs. Le thyristor, dès le début des années soixante, a été le composant qui a initié, d’une manière générale, les motorisations électriques dans l’industrie. En propulsion marine c’est bien sûr des motorisations avec moteurs à courant continu, pour les petites puissances de l’ordre du mégawat, et cycloconvertisseurs pour les puissances plus élevées qui furent les premières. La seule topologie pratiquée avec ces types de conversion était le pont de Graëtz. Au début des années quatre-vingts sont apparus les premiers IGBT de puissance ouvrant la porte à l’alimentation des machines alternatives et plus particulièrement des machines asynchrones. Parallèlement les algorithmes de contrôle ont été développés et permis d’obtenir des performances comparables, voire supérieures, à celles obtenues avec les machines à courant continu alimentées par ponts de Graëtz. 2. Alimentation des machines par convertisseurs directs. Le pont de Graëtz et le cycloconvertisseur, lui-même constitué de plusieurs ponts de Graëtz sont des convertisseurs directs par opposition à d’autres qui comportent entre réseau et machine un stockage d’énergie, en courant ou en tension, ils sont dits convertisseurs indirects. 2.1. Entrainement des moteurs à courant continu. La topologie du pont de Graëtz est ancienne, elle date du début du 20ème siècle, mais sa généralisation doit beaucoup aux thyristors, qui ne sont apparus sur le marché qu’au début des années 60. C’est dans le domaine des petites puissances (P<1MW) que se font les premières propulsions, principalement quand une Résumé : Dans cet article sont évoqués et comparés les convertisseurs ou variateurs de vitesse utilisés pour la propulsion des navires de surface à vocation commerciale. Quelques explications sur les fonctionnements possibles du cycloconvertisseur sont données, avantages et inconvénients, principalement pour les réseaux de bord. Ce convertisseur, fut le premier à être utilisé en propulsion, aujourd’hui il peut être considéré comme obsolète du fait du développement des convertisseurs dits indirects. Pour les puissances supérieures à environ 16 MW les convertisseurs indirects en courant sont difficilement contournables. Quelques explications sont données sur ces convertisseurs (redresseur / onduleur) peu pris en considération dans la littérature technique. Pour les puissances plus faibles, du fait du développement des composants blocables par la commande, les alimentions en tension s’imposent. Les schémas possibles sont nombreux, plusieurs sont évoqués, en particulier avec des solutions multiniveaux adaptés pour monter en tension, donc en puissance. Ces convertisseurs dits MLI voire DTC, sont largement expliqués dans la littérature technique, c’est la raison pour laquelle les fondamentaux ne sont que partiellement évoqués. Cependant, il ressort de cet article que les pulsations du couple électromagnétiques sont fondamentales, elles doivent être connues des mécaniciens qui dimensionnent les lignes d’arbres : ces pulsations font l’objet d’une évaluation. Quelques architectures de propulsion sont proposées, avec leurs avantages et leurs inconvénients, certaines sont classiques d’autres plus futuristes elles s’inscrivent dans une évolution possible. Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 5 fonction de positionnement dynamique est requise : en recherche scientifique ou dans l’industrie pétrolière. Le pont de Graëtz ne permet pas naturellement la réversibilité en couple des machines, le courant est unidirectionnel. Cette réversibilité étant le plus souvent souhaitée, plusieurs solutions ont été envisagées :  Deux ponts antiparallèles. o Circulation de courant (hautes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Logique de basculement (bonnes performances dynamiques, non requises en propulsion). o Bande morte (calage au repos >140°, performances dynamiques très suffisantes en propulsion).  Réversibilité par le champ. Suffisante dans une grande majorité des cas. A une époque les thyristors étaient des composants coûteux, donc une réversibilité par le champ, en inversant le courant d’excitation, conduisait à des coûts moindres. Avec ces dispositifs les quatre quadrants de l’espace Cmot, rotation sont accessibles. Mais les difficultés principales, qui sont essentiellement liées à la maintenance des moteurs à courant continu, demeurent (balais et collecteur). Aujourd’hui le moteur à continu est totalement abandonné. 2.2. Entrainement des moteurs à courant alternatif. La puissance de certains moteurs de propulsion dépasse les 20 MW, l’utilisation du moteur à courant continu était impossible, les machines synchrones étaient les seules possibles à ce niveau de puissance. C’est dans ce but que les cycloconvertisseurs ont été développés et utilisés. Ils peuvent alimenter aussi bien des machines synchrones que des machines asynchrones. Figure 1 – Principe du cycloconvertisseur Pendant plusieurs décennies le cycloconvertisseur a été considéré comme le convertisseur par excellence des propulsions de navires, en particulier sur les brise- glaces, application nécessitant des couples importants aux basses vitesses, voire à l’arrêt. La réputation n’est pas usurpée mais d’autres convertisseurs ont des performances équivalentes (voir les alimentations en courant). Les performances d’un cycloconvertisseur ont pour origine sa topologie mais aussi son contrôle : maitrise du flux et de l’angle interne de la machine. A l’origine, on ne parlait pas de contrôle vectoriel, mais c’est bien ce que les ingénieurs de l’époque ont dû mettre en œuvre pour contrôler de manière optimale le couple des machines. . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31 N . . Id1 .. Id2 . .. .. . . .. .. . . .. .. . Ed1 Ed3 Ed2 U12 U23 SY ou ASY 1 2 3 Is11 Is21 Is31 Is1 Pont positif Pont négatif Id3p Id3n Id3 Id3 Id3p Id3n Temps mort ou temps de basculement du pont P au pont N Is31Is31 N Les convertisseurs pour les propulsions marines La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 Thème 6 Chaque phase machine est alimentée par un convertisseur réversible (deux ponts de Graëtz antiparallèles), le courant délivré est ainsi bidirectionnel. Soit le passage d’un pont sur l’autre est réalisé en circulation de courant soit il l’est avec une logique de basculement très performante, de manière à minimiser les temps morts. La figure 1 a retenu l’option logique de basculement ; ledit basculement ne peut se faire qu’à courant nul… La mesure d’un courant nul est toujours délicate à réaliser, aussi on préfère faire une détection de tension aux bornes des semi-conducteurs : tension aux bornes de tous les thyristors équivaut à un courant nul. Ce temps mort doit être inférieur à 2 ms. Il faut noter dans la figure 1 que les convertisseurs de phase sont en étoile, cela permet d’augmenter la tension de sortie en introduisant sur les tensions Ed1, Ed2 et Ed3 de l’harmonique 3 (qui entre phases se trouve éliminé). Figure 2 – Dynamique en courant D’autres structures plus sophistiquées sont possibles. La figure 1 montre une structure hexaphasée mais des structures dodécaphasées sont envisageables, en dodécaphasé série ou dodécaphasé parallèle. Le but de ces options étant d’améliorer le contenu harmonique des courants sur le réseau. D’une manière générale, la dynamique en couple des équipements de propulsion est faible… Mais les différents convertisseurs d’un cycloconvertisseur doivent avoir une grande dynamique en courant pour garantir une bonne qualité du couple : lesdits régulateurs doivent prendre compte les phénomènes de conduction continue et discontinue avec la même rapidité pour suivre une référence courant sinusoïdale. De plus, comme le montre la topologie de la figure 1, la somme des trois courants machine doit être nulle, d’où la présence d’un quatrième régulateur, dit homopolaire, pour assurer cette fonction. Comportement sur le réseau : Le comportement d’un simple pont de Graëtz sur le réseau est bien connu, le

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La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Promotion et Abonnements (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél :01 56 90 37 abo@see.asso.fr tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE .................. 40 € Pays hors UE.................. 50 € Collectivités : France et UE .................. 57 € Pays hors UE.................. 70 € Au numéro : France et UE .................. 12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Octobre 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 86 p. 2 Éditorial, p. 3 Abonnements p. 4 Les convertisseurs pour les propulsions marines J. COURAULT p. 25 Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps… A. SIVERT 1 , F. BETIN 1 , B. VACOSSIN 1 , J. AUBRY 2 , T. LEQUEU 3 1 Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), IUT de l’Aisne GEII, SOISSONS 2 ESTACA’LAB, « Systèmes et énergie embarqués pour les transports », LAVAL 3 Association e-Kart , Université TOURS TOURS p. 34 Réalisation d’un kart électrique : des solutions pour faire évoluer le projet T. LEQUEU 1 , V. DEWANCKER 2 , S. JACQUES 3 , A. SIVERT 4 1 Université François Rabelais de Tours 2 Société Kart Masters SABLE SUR SARTHE 3 Université François Rabelais de Tours – Polytech Tours TOURS 4 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS p. 44 Batteries de Smartphone (Application, diagnostic) A. SIVERT 1 , B. VACOSSIN 1 , F. BETIN 1 , N. DAMAY 2 1 U.P.J.V. Université de Picardie Jules Verne – IUT de l'Aisne GEII SOISSONS 2 Sorbonne universités, Université de technologie de Compiègne COMPIEGNE p. 53 Hommage Revue 3EI n°0 p. 58 Conversion continu / alternatif pour alimentation ininterruptible A. CUNIERE J.L. EOUZAN Lycée PIERRE DE COUBERTIN MEAUX p. 63 Annonces, Publications p. 67 Abonnements Revue 3EI & REE Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). LaRevue 3EI publication trimestrielle de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 09 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Exemples de tractions électriques Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°86 Octobre 2016 2 Ce 86ème numéro de la revue 3EI est consacré à quelques exemples de tractions électriques. Nous poursuivons ainsi notre travail d'exploration sur le thème de la journée 3EI 2016. Les conférenciers de cette journée nous ont exposé avec souvent beaucoup de pédagogie et toujours beaucoup d'enthousiasme des applications aux véhicules routiers (voiture, vélo électrique, karts...). Le thème de ce numéro permettra de poursuivre notre route mais aussi de nous lancer à l'assaut des mers ! Le premier article du thème, écrit par M. Courault, traite de la traction électrique pour les propulsions marines. Son texte d'une très grande densité nous offre un panorama des solutions technologiques mises en œuvre sur les paquebots ou les navires de charge comme les méthaniers. Cette introduction est idéale pour ceux d'entre nous qui, ignorants du domaine, s'interrogent sur le mode de propulsion des géants des mers que sont les "Queen Mary 2" ou autres "Harmony of the Sees" construits par les chantiers STX de Saint-Nazaire. L'article de Arnaud Sivert sur "Différentes Stratégies de pilotages pour Véhicule Electrique ; Optimisation : puissance moteur, énergie véhicule, temps…", rappellera à tous les participants de la journée 3EI, la très enthousiasmante présentation de son auteur mais aussi les intéressantes discussions autour de son bolide dans le hall d'honneur de la salle de conférence du CNAM ! Dans le dernier article du thème, l'équipe de Thierry Lequeu présente leur expérience de la réalisation d'un Kart électrique avec leurs étudiants d'IUT. Bien que le texte soit centré sur le kart électrique, leur expérience est aussi transposable à la réalisation de véhicules non terrestres (bateaux électriques, ULM, treuils électriques...) ou terrestres (Gyropodes, vélo ou tricycles électriques ...). Si vous souhaitez vous lancer dans l'aventure, n'hésitez-pas à vous mettre en contact avec les auteurs... Hors thème : Quoi de plus commun qu'une batterie de Smartphone ? Qui n'a jamais pesté contre un téléphone mobile qui se décharge trop vite ? Que faut-il faire pour optimiser la durée de vie de ses batteries ? Autant de questions que nous nous sommes tous déjà posé et qui sont maintenant presque vitales pour nos étudiants hyper connectés ! Arnaud Sivert et son équipe proposent de répondre à ces interrogations dans un article très pédagogique relatant le travail mené avec leurs étudiants. Les deux derniers articles du numéro 86 constituent un hommage aux fondateurs de la revue3EI. En effet, en mai 1994 paraissait le numéro "0" de la revue. Vous retrouverez deux extraits de ce numéro initial qui lançait cette aventure qui se poursuit depuis 22 ans ! L'ambition de ces fondateurs reste la notre. Nous souhaitons que la revue soit "un moyen favorisant les échanges pédagogiques entre les enseignants" du domaine du génie électrique et plus généralement des sciences et technologies. L'année 2017 arrive à grands pas. N'hésitez pas à nous proposer vos articles que nous serons heureux de diffuser au plus grand nombre. Si vous manquer d'idées de thèmes à aborder, en voici trois que nous envisageons de traiter dans nos prochains numéros :  Les systèmes magnétiques,  Maintenance des systèmes pluri technologiques,  TIPE en CPGE. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER

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La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 1 3EI : Enseigner l’Electrotechnique et l’Electronique Industrielle La Revue 3EI, Édition SEE, 17 rue de l’Amiral Hamelin 75783 PARIS Cedex 16 Directeur de la publication François GERIN Président de la SEE Rédacteur en Chef Franck LE GALL Adresser les propositions d’article à : revue3ei@gmail.com ou sur le site https://www.see.asso.fr/3ei rubrique "soumettre un article" Communication Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Abonnement, Publicité (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Aurélie BAZOT – Tél : 01 56 90 37 17 tarifs TTC : ( revue papier ) Individuel : France et UE………..40 € Pays hors UE………..50 € Collectivités : France et UE……….57 € Pays hors UE……....70 € Au numéro : France et UE……….12 € Impression JOUVE 53100 Mayenne Siège social : 11 bd de Sébastopol 75027 Paris Cédex 1 Tel : 01 44 76 54 40 Dépôt Légal : Juillet 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 85 p. 2 Éditorial, p. 3 Bulletin d’abonnement, p. 5 La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx A. BOUDRIOUA Université PARIS 13 p. 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation P. LECOY ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE p.14 Les fibres optiques dans l’automobile J. M. MUR Société française d’optique p.21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application B. JOURNET, J.-B. DESMOULINS, S. CASSAN, N. CHI THANH, ENS Cachan – Université Paris Saclay CACHAN p.29 Régulation de température d’une cuve J. M. ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII CHATEAUROUX p.37 Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W A.SIVERT, B.VACOSSIN, S.CARRIERE, F.BETIN IUTde l’Aisne GEII, SOISSONS p.48 Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP) A.SIVERT1 , B. CAUQUIL2 , E. MOREL, F. BAILLY, F.BETIN1 1 IUTde l’Aisne GEII, SOISSONS 2 Université Paul Sabatier TARBES p.57 Annonces, Publications Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans la présente édition, faite sans l'autorisation de l'éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d'une part, les reproductions strictement réservées à l'usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective et, d'autre part, les analyses et courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d'information de l'œuvre dans laquelle elles sont incorporées. Toutefois des copies peuvent être utilisées avec l'autorisation de l'éditeur. Celle-ci pourra être obtenue auprès du Centre Français du Droit de Copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris, auquel la Revue 3EI a donné mandat pour la représenter auprès des utilisateurs. (loi du 11 mars 1957, art.40 et 41 et Code Pénal art. 425). La Revue 3EI publication trimestrielle de la SEE SOCIETE de l'ELECTRICITE, de l'ELECTRONIQUE et des TECHNOLOGIES de l'INFORMATION et de la COMMUNICATION. 17, rue de l’Amiral Hamelin, PARIS 75783 CEDEX 16 Tél : 01 56 90 37 09 Fax : 01 56 90 37 19 site web : www.see.asso.fr SEE, association reconnue d'utilité publique par le décret du 7 décembre 1886 Siret 785 393 232 00042, APE 9412 Z, n° d'identification FR 44 785 393 232 Thème : Fibres optiques et Opto-électronique Hors Thème : Editorial La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 2 En ouverture de cet éditorial, nous souhaitons remercier tous les participants de la journée 3EI dédiée à la mobilité électrique, journée qui s'est tenue au CNAM de Paris le 30 juin dernier. De l'avis de tous, cette journée a été un franc succès. Les conférences et les activités présentées ont permis de nombreux échanges entre collègues et nous ont donné l'envie de reproduire l'expérience l'année prochaine. Préparez-vous donc déjà à une journée 3EI en 2017. Tout est encore à définir ; la date, le lieu et surtout le thème mais quels que soient ces choix, vous pouvez déjà imaginer les activités pédagogiques que vous pourrez présenter sous la forme de posters ou de démonstrations. Pour ce numéro de juillet, nous avons choisi un thème lumineux : fibre optique et optoélectronique. Nous remercions vivement M. Boudrioua, responsable de l'équipe LUMEN de l'université Paris 13 et du club "fibre optique" de la Société Française d'Optique (Editeur de la revue "Photoniques - la lumière et ses applications"), d'avoir piloté la rédaction de la majorité des articles du thème. L'article introductif, écrit par M. Boudrioua, nous présente un état des lieux du développement des réseaux de fibres optiques dans nos sociétés. M. Lecoy fait le point sur les immenses avantages que revêtent les capteurs à fibres optiques dans les domaines de la compatibilité électromagnétique, des environnements difficiles mais aussi de la mise en réseau. Il apparaît ainsi que cette technologie devient aujourd'hui d'un intérêt majeur pour de nombreuses applications classiques du domaine du Génie Electrique. Dans le troisième article du thème, on pourra, grâce à M. Mur, comprendre l'intérêt croissant que porte le monde de l'automobile aux réseaux de fibres optiques. Déjà utilisés dès 1998, ces réseaux et les protocoles associés ne feront que prendre une place grandissante avec la perspective de la voiture sans conducteur. Pour clore le thème, M. Journet et ses collègues nous proposent une application pédagogique sur les photodiodes. Ils exposent une méthode de caractérisation et de modélisation ainsi qu'une application à la transmission d'un signal audio, qui pourront être utilisées à différents niveaux d'enseignements. Le hors thème rassemble trois articles : M. Roussel et M. Boudjelaba étudient de la régulation industrielle de température d'une cuve d'eau par les méthodes de Broïda ou de Ziegler Nichols. Cette régulation a été mise en œuvre avec des étudiants d'IUT GEII mais pourra aussi être utilisée avec des élèves de BTS Electrotechnique qui doivent aussi être formés à ces méthodes. M. Sivert, qui nous a enthousiasmé lors de la journée 3EI avec sa présentation de ses véhicules à assistance électrique, nous propose deux articles : Un premier texte, écrit en collaboration avec ses collègues de l'IUT de Soissons, traite de l'étude par des étudiants de l'IUT d'un convertisseur-régulateur de DEL blanche. Il donne ainsi des réponses utiles à ceux d'entre nous qui souhaiteraient se lancer dans l'étude de ces convertisseurs ou des DEL blanches. Le second article dans lequel il revient plus directement sur sa passion des véhicules électriques est dédié au challenge SUNTRIP bien connu de beaucoup de lecteurs de la revue 3EI. On constatera une nouvelle fois que ce genre de compétitions est un plus indéniable quand il s'agit de motiver les étudiants inscrits dans nos formations. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue 3EI Faites connaître notre revue ! Vous en assurez ainsi la pérennité. La Revue 3EI Comité de publication Hamid BEN AHMED Arnaud BRUGIER Jacques COURAULT Jean FAUCHER Gilles FELD Jean Michel GAY Jean-Philippe ILARY Chérif LAROUCI Marie-Michèle LE BIHAN Franck LE GALL Denis LABROUSSE Pascal LOOS Marc PETIT Sylvain PIETRANICO Oviglio SALA Jean-François SERGENT Jean-Claude VANNIER La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 3 Abonnement 3EI La Revue 3EI n°85 Juillet 20164 Abonnement REE La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 5 La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx Azzedine BOUDRIOUA Professeur à l’Université Paris 13 Vice-Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ La fibre optique est incontournable dans toute politique de développement Bien que le secteur des télécommunications a connu ces dernières années un ralentissement à l’instar de la situation économique globale, les professionnels du domaine prévoient un développement majeur dans les quelques années à venir. Cette croissance est notamment favorisée par le besoin croissant de communication, l’accès à tous aux sources de l’information : Internet, trafic audio et vidéo … Par ailleurs, même si le développement de réseaux de transport longue distance à base de fibres optiques a connu une pause, les applications dans les réseaux métropolitains et dans une certaine mesure dans l’accès, sont en augmentation. Dans ce contexte, l’industrie des composants optoélectronique s’oriente progressivement vers une production de volume, avec une baisse annuelle des prix importante (20 à 25 % sur ces dernières années). De même, alors que les composants actifs (sources, détecteurs et amplificateurs) étaient la partie la plus importante d’une liaison optique, la généralisation des systèmes WDM (Wavelength Division Multiplexing) et DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) a mis sur le devant de la scène les composants passifs de type filtres, multiplexeurs, compensateurs … De ce fait, la tendance actuelle est de vouloir intégrer pour des raisons de coût et d’efficacité le maximum de fonctions actives et passives ; d’où une approche hybride permettant au besoin d’associer des fonctions optoélectroniques. On note également, une migration de la part des fabricants vers les sous-systèmes. Par exemple, les éléments qui composent un amplificateur optique sont la fibre dopée, le laser de pompe, l’égalisateur de gain ainsi que d’autres composants passifs (filtres, isolateurs). Les besoins de composants intelligents, reconfigurables et commandables sont clairement exprimés, afin de rendre le réseau programmable et dynamique. Plus particulièrement, le déploiement du réseau de télécommunications à haut débit (10 Gb/s, 40 Gb/s et au- delà) nécessite le développement de nouveaux composants et architectures optoélectroniques adaptés à ces vitesses de transmission. L'extension de la bande passante utilisable est également un enjeu important et concerne à la fois, l'élargissement de la bande C (C++ ) et la couverture des bandes L et S par des amplificateurs adéquats. En optimisant les filtres d'égalisateur de gain, des bandes passantes dépassants 40 nm sont possibles avec un bruit en dessous de 6 dB. Les enjeux stratégiques et économiques de ces développements découlent notamment de la nécessité de disposer de composants et d’outils économiquement viables (en matière de bas coûts de production et d’utilisation). Résumé : Ces dernières décennies, les télécommunications optiques ont connu un développement sans précédent dû, notamment, à l'explosion de l'Internet. Ce développement est le fruit d'un grand effort de recherche et de développement dans le domaine de l'optique guidée qui a conduit à l'amélioration des performances des fibres optiques et la mise au point des composants optoélectroniques nécessaire pour générer la lumière, la détecter, la moduler ou la commuter. Les recherches et développement menés dans ces domaines ont permis de rendre disponible sur le marché des composants optoélectroniques de tout genre à des coûts faibles. De ce fait, d'autres applications dans des domaines divers ont vu le jour. En effet, de nos jours l'utilisation de l'optique touche des domaines stratégiques comme le spatial et le militaire ainsi que des domaines de la vie de tous les jours comme le stockage de données, la médecine et bientôt des secteurs jusque-là insoupçonnés comme l'automobile. La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 6 Dans ce contexte, on ne peut plus concevoir un développement économique sans réseaux à fibres optiques. La recherche d’aujourd’hui ce sont les emplois demain Le développement du réseau FTTx est une réalité L’énorme développement du FTTx (Fiber To The x : x peut signifier Home, Builing, Office, …) est sans doute le secteur le plus prometteur ces dernières années. Par exemple, en FTTH, le nombre d’abonnés ne cesse de croitre en France (plus de 2 millions d’abonnés) et dans le monde et plusieurs fournisseurs proposent des solutions à 1 Gbit/s depuis de nombreuses années. L'importance croissante du FTTA (Fiber to the antenna) tiré par la 4G montre qu'il y a convergence plus que concurrence entre les réseaux optiques et les réseaux de mobiles. En France, le déploiement des réseaux de nouvelle génération à Très Haut Débit représente un enjeu industriel et économique majeur dans le cadre du Plan France Très Haut Débit lancé par le gouvernement en 2013. L’objectif est de déployer le très haut débit sur l’ensemble du territoire d’ici 2022. Un grand chantier nécessitant un investissement de 20 Milliards €. Il est notamment prévu une augmentation de la demande de main d’œuvre qualifiée avec la montée en charge des travaux à partir de 2015. Les projections des volumes d’emplois et de formation à mobiliser d’ici 2020 se comptent par plusieurs dizaines de milliers : - la mobilisation de 20000 emplois (ETP) pour assurer le déploiement de la fibre dans le bâti (immeubles et maisons individuelles), - la réalisation de 31650 formations pour accompagner la montée en compétences de ces emplois. L’état s’appuie sur l’expertise des opérateurs et des industriels, structurés dans différents groupes de travail : Objectif Fibre, Interop, le CREDO, FIRIP …D’ors et déjà 9 centres de formation FTTH référencés par Objectifs Fibre cadrent le territoire national. Ces groupes de travail ont pour objectif de définir des référentiels techniques partagés, édités sous forme de guides pratiques de portée nationale, traitant de l’ensemble des règles de déploiement de la partie terminale d’un réseau en fibre optique. Ailleurs, la tendance est la même et certains pays ont pris une avance considérable par rapport à la France. De même, en 2014, les gouvernements allemand et italien annonçaient le déploiement de réseaux très haut débit En janvier 2015, Barak Obama (USA) souligne que le déploiement de la fibre optique dans les zones rurales est une priorité de la fin de son mandat. Les 9 centres de formation FFTN référencés par objectifs Fibre Le très haut débit et la fibre optique Le déploiement des réseaux de nouvelle génération à Très Haut Débit représente un enjeu industriel et économique majeur pour la France (Plan France Très Haut Débit) et pour le monde entier. Rappelons que généralement le très haut débit consiste à offrir aux usagers un débit supérieur à 30 Mbits/s (texte européen). Les besoins concernent aussi bien la transmission des données (voix, vidéo, la télévision l’Internet), les jeux en ligne et en réseaux, le téléchargement, la téléphonie mobile 4G, le télétravail, la télémédecine et la télé-sécurité pour ne citer que ces secteurs. Cependant, il est pratiquement impossible de transmettre du très haut débit (> 30 Mbits/s) sur la majorité des lignes existantes de la boucle locale cuivre. Cela est dû à l’augmentation des pertes en fonction de la fréquence et de la distance. Aussi, on assiste depuis de nombreuses années à un passage progressif sans ou avec mesures d’accélérations/incitations vers le très haut débit et la fermeture programmée et rapide du réseau cuivre avec incitation au passage du cuivre à la fibre. Au niveau européen, on note la recommandation for Next Generation Access qui prévoit un délai de prévenance de 5 ans pour les opérateurs historiques. La fibre optique comme vecteur du développement socioéconomique : Le réseau FFTx La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 7 Cette étude, réalisée par les cabinets Ambroise Bouteille & associés et IDATE Une des voies prometteuses pour le développement de nouvelles générations de réseaux optiques concerne sans doute les réseaux tout-optiques ainsi que les réseaux optiques de données (paquets). Le remplacement dans les réseaux des transpondeurs par des régénérateurs optiques pourraient contribuer à réduire le coût du système. De plus, la réduction de l’intervention de l’électronique dans le système est plus favorable à une intégration et une miniaturisation. Cet avantage devrait être de plus en plus important au fur et à mesure que le débit augmente. Le “graal” serait bien évidemment de pouvoir disposer d’une ligne de transmission totalement optique où la lumière est manipulée par la lumière. En conclusion, Le déploiement du réseau optique FFTx est une réalité. Il constitue un phénomène durable et ce n’est que le début … Au niveau français, il y a incontestablement un retard relativement important à rattraper mais les chantiers lancés ces dernières années par les pouvoirs publics et l’implication des industriels du secteur sont en train de changer la donne. Il reste néanmoins à prendre des décisions audacieuses à temps pour répondre efficacement au besoin croissant et rapide de la demande en débit que la planète entière connaitra dans les quelques années à venir. Quelques références [1] R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, Optical networks: practical perspective, second edition. [2] Zeno Toffano, composants photoniques et fibres optiques, Ellipse Edition Maketing 2001. [3] Paul Vaugel, Technology for next generation core and metro networks, Telscom version1, octobre 31th 2002. [4] Steven Gabarró, Maurice Khauv, Multiplexage en longueurs d’onde denses, EPITA, MMA 2002, pp 1-14. [5] FTTH. [6] N. M. SAAD, ‘Contribution à l'étude de l'application de la technique CDMA aux systèmes de transmission optique, thèse en télécommunications des hautes fréquences et optiques, université de Limoges, 2005. [7] S. Song, W. Laurier , An overview of DWDM networks IEEE Canadian Review- Spring / Printemps 2001, pp 15-18. [8] W.Laurier, Le DWDM et les réseaux à intégration de l'avenir, IEEE Canadian Review - Summer / Été 1999, pp 1-4. [9] Les Fibres optiques, Dossier technique, Thème d’autonomie 1999. Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation Pierre LECOY, Professeur à Centrale Supélec, chercheur au laboratoire ETIS (CNRS UMR 8051, ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE) Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ 1. Introduction Maîtrisées industriellement dès la fin des années 1970, les fibres optiques ont connu un développement spectaculaire en télécommunications et dans les réseaux, depuis les réseaux locaux et embarqués (voir l’article de Jean-Michel Mur sur les fibres optiques dans l’automobile) jusqu’aux réseaux longues distances et intercontinentaux, en passant par toutes les variantes du FTTx (fiber to the … home, building, office, etc… ). Au cœur de l’explosion d’Internet et de l’accès de plusieurs milliards d’êtres humains aux échanges numériques, y compris à travers les réseaux de mobiles dont elles constituent l’infrastructure fixe, les fibres optiques apportent leur contribution à la green IT grâce à une meilleure efficacité énergétique et à l’utilisation de matériaux disponibles et peu polluants. Mais la disponibilité à faible coût des technologies fibres optiques (et des composants associés) grâce au secteur des télécom, a ouvert la voie à d’autres utilisations, notamment dans les capteurs et l’instrumentation de mesure, qui ont fait l’objet de nombreux travaux théoriques et expérimentaux dès les années 1980. La principale motivation provenait des avantages spécifiques des fibres optiques, bien connus dans le domaine des communications, et qui sont particulièrement intéressants pour des applications instrumentales qui doivent fonctionner dans des conditions difficiles et/ou être intégrées dans des systèmes ou dans des structures :  la faible perturbation apportée par les fibres optiques qui sont légères, de petite taille, non sujettes à la corrosion, ne conduisant ni l’électricité ni la chaleur ;  leur sécurité intrinsèque (absence de courants électriques), cruciale dans les applications médicales ou industrielles, et leur insensibilité aux parasites électromagnétiques, leur permettant de fonctionner de façon fiable dans des milieux fortement perturbés ;  la possibilité qu’elles offrent d’analyser à distance, et avec une haute résolution spatiale, des milieux d’accès difficile ou dangereux (certains matériaux permettant le fonctionnement dans des environnements fortement radiatifs) ;  la possibilité d’alimenter électriquement le capteur par la fibre optique elle-même (ou une deuxième fibre dédiée) transportant une puissance lumineuse (fournie par un laser), convertie par un petit récepteur photovoltaïque (technique de l’opto- alimentation, permettant de faire des capteurs totalement isolés) ;  et enfin, la possibilité d’utiliser la fibre optique elle-même comme élément sensible à un certain nombre de grandeurs physiques. On peut ainsi constituer des capteurs distribués ou des réseaux de capteurs, dans lesquels la fibre optique sert à la fois d’élément sensible et de support de transmission. Cependant, après une phase de foisonnement dans les laboratoires dans les années 1980 – 1990, seuls certains capteurs à fibres optiques ont atteint la maturité technologique. C'est le cas de ceux où la fibre optique améliore un système de mesure existant sans modifier son principe, mais surtout lorsque la fibre optique permet d'instrumenter l'ensemble d'un système, d'une structure ou d'un matériau en s'y intégrant. Ce n'est plus alors un capteur au sens d'un composant isolé, mais un élément d'un véritable système intelligent. De plus, le développement de la photonique Résumé : Dès l’apparition des fibres optiques il y a près de 40 ans, leur utilisation dans le domaine des capteurs et de l’instrumentation a constitué un thème majeur et particulièrement inventif de la recherche aussi bien académique qu’industrielle. Sans atteindre le volume de marché des télécoms et des réseaux, les capteurs à fibres optiques n’en sont pas moins devenus une réalité industrielle dans des domaines très variés (génie civil, énergie, aéronautique, automobile, médical, sécurité, production industrielle …). Cet article expose les principes et les applications des capteurs à fibres optiques les plus utilisés. Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 9 sur silicium permet de réaliser des microsystèmes intégrant un capteur optique, les interfaces opto- électroniques et les circuits de traitement. 2. Instrumentation de mesure optique à fibres Il s’agit de mesures optiques faites à distance par l’intermédiaire de fibres optiques qui jouent un rôle passif, mais apportent de grands avantages de mise en œuvre : accessibilité, haute résolution spatiale, possibilité de cartographie par déplacement du point de mesure, sécurité ... Certains de ces concepts sont relativement anciens, mais ils ont bénéficié des progrès technologiques et des baisses de coût de l’optoélectronique. De nombreuses applications sont opérationnelles :  physico-chimie : mesure du pH, colorimétrie, réfractométrie, spectroscopie infrarouge et Raman, vélocimétrie Doppler, absorption infrarouge caractéristique d’une espèce chimique à détecter, fluorescence (temps de décroissance et spectre), avec de nombreuses applications industrielles et médicales ;  mesure de température par pyrométrie (analyse du rayonnement du corps noir): compte tenu du spectre de ce rayonnement, essentiellement situé dans l'infrarouge, on peut le transmettre par des fibres optiques de silice si la température est supérieure à 300°C, et par des fibres en verres fluorés dès la température ambiante ;  d’autres types de mesures de température par la réponse optique (absorption, réflexion, photoluminescence, fluorescence … ) d’un matériau placé en bout de fibre, depuis les températures cryogéniques (quelques milli-Kelvin) jusqu’à plusieurs centaines de degrés ;  sans oublier l’endoscopie utilisée depuis longtemps en médecine, mais aussi dans l’industrie, le génie civil, l'archéologie ... même si la miniaturisation des caméras fait reculer son marché. Des applications plus spectaculaires ont également été développées pour les détecteurs de particules, ou pour l’optique adaptative en astronomie, où la phase de la lumière peut être contrôlée dans les fibres optiques. 3. Les capteurs à fibres optiques Cette appellation correspond en principe aux capteurs où le phénomène physique agit directement sur la matière ou la structure de la fibre optique, qui peut avoir été modifiée pour être sensible à la grandeur à mesurer, ou au contraire être une fibre télécom standard. Les frontières ne sont bien entendu pas étanches entre ces catégories. Une première famille de capteurs, développée dans les années 1980, utilisait les défauts constatés dans les premières liaisons à fibres optiques, notamment leur sensibilité aux courbures et aux micro-courbures, ou aux défauts d’alignement dans les connecteurs. Leur avantage, essentiellement économique, est d’utiliser des fibres et des composants d’extrémité disponibles et peu coûteux, et d’être de principe très simple au niveau du traitement du signal, puisqu’il s’agit de détecter les variations de puissance lumineuse transmise. Ils ont trouvé des applications dans des systèmes industriels ou de sécurité, lorsqu’une haute précision n’est pas requise (détection, comptage ... ). Par exemple :  capteurs de micro-déplacements (longitudinaux ou angulaires) par des techniques de type filtrage spatial au raccordement de deux fibres, ou en réflexion à l'extrémité, pouvant être utilisés en capteurs de force ou transducteurs de vibrations ;  mesure d’indice du milieu extérieur par l’intermédiaire du coefficient de réflexion de Fresnel en bout de fibre, utilisée pour la mesure de niveau ou le comptage de bulles;  pertes sous courbure ou microcourbures dans une fibre optique soumise à des contraintes ; couplée à la réflectométrie temporelle (OTDR), cette méthode a permis la localisation de contraintes dans les structures où la fibre est intégrée, mais n’étant pas très fidèle et fragilisant la fibre, elle a disparu au profit des capteurs Bragg et Brillouin décrits plus loin. 4. Capteurs de type interférométrique Ces capteurs sont, eux, basés sur des techniques cohérentes : analyse de la phase, de la fréquence ou de la polarisation de la lumière, principalement dans les fibres optiques monomodes (des capteurs utilisant les interférences entre modes dans les fibres multimodes ont été expérimentés mais sont restés à l’état de prototypes). Ils sont beaucoup plus sensibles que les précédents et ne compromettent pas la fiabilité de la fibre optique, mais sont de mise en œuvre plus délicate et nécessitent des traitements du signal pour obtenir des Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 10 mesures absolues (et non relatives) et séparer les effets des différentes grandeurs physiques d’influence (notamment la température). Un des plus anciens capteurs de cette catégorie est basé sur l'interféromètre de Mach-Zehnder constitué de deux bras qui sont deux fibres monomodes (ou deux guides en optique intégrée) de longueurs L identiques (figure 1). Le déphasage  entre bras de mesure et bras de référence va être dû à l’allongement d'un bras ou à la variation d'indice n, elle-même due le plus souvent à la variation de température T ou à une pression différentielle P (par photoélasticité). Dans le montage classique à fibres et à deux coupleurs, le récepteur reçoit une intensité modulée par cos2  ; la phase est mesurée à π près et on doit lever l'ambiguïté (par une mesure à deux longueurs d'onde par exemple). Le deuxième montage, qui peut être fait en optique intégrée, crée des franges d'interférence entre les faisceaux sortant des deux guides qui défilent ; on peut ainsi les compter et surtout détecter leur sens de variation. La principale application qui a été développée est le capteur acoustique, de grande bande passante, utilisé dans les hydrophones. Il s'agit là d'une mesure dynamique et différentielle. Des capteurs chimiques de ce type ont également été réalisés, surtout en optique intégrée, en utilisant la variation de l'indice effectif dans le bras de mesure, sous l'effet d'un corps chimique à son contact. L'interféromètre de Michelson, construit sur un coupleur en X à fibres monomodes ou en optique intégrée sur silicium, permet les mêmes mesures, mais est surtout intéressant pour les mesures de déplacements micrométriques relatifs, par interférométrie en lumière non cohérente. L'interféromètre de Fabry Pérot est constitué de deux miroirs parallèles espacés de L intégrés entre deux fibres optiques, ou face à une fibre optique (dont la face de sortie constitue l’autre miroir de la cavité ce qui permet d’exploiter le capteur en réflexion, facilitant l’accessibilité du point de mesure. Par résonance de la cavité Fabry-Pérot, la puissance est maximale pour un peigne de longueurs d'onde vérifiant : = 2 n.L/p où p est entier, et n l’indice de la fibre (ou du matériau entre les fibres). La source est donc non cohérente et fonctionne en continu. L’analyse du spectre, qui peut être faite dans un interféromètre de Fizeau comme dans la technologie WLPI d’Opsens (figure 2), permet d’en déduire le déplacement (ou la variation de pression externe qui l’a provoqué), ou, pour d’autres applications, la variation de l’indice du matériau séparant la fibre et le miroir, et d’en déduire suivant le cas, les variations de température ou de composition chimique. Comme dans les interféromètres précédents, il s’agit d’une mesure indirecte, et le conditionnement du capteur doit être conçu et étalonné pour remonter sans ambiguïté à la grandeur à mesurer. Figure 2. Interféromètre de type Fabry-Pérot utilisé par la technologie WLPI de la socitété Opsens. (Document FTMesures) Figure 1. Interféromètre de Mach Zehnder à fibres ou guides optiques (P. Lecoy) Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 11 L’interféromètre de Sagnac ou interféromètre en anneau est principalement utilisé dans le gyroscope à fibre optique, qui est le plus ancien des capteurs à fibres optiques (le premier démonstrateur date de 1976), à la source d'une intense activité scientifique et industrielle. Il s’agit à la base d’un gyromètre (mesure d'une vitesse de rotation), qui mesure par interférométrie le déphasage entre les deux sens de propagation sur la même fibre optique montée en anneau. L’influence de la température est alors compensée et seuls les effets non réciproques sont détectés. Si le montage tourne autour d'un axe perpendiculaire au plan de la fibre, le déphasage  est proportionnel à la vitesse de rotation Ω :  = c .NS.8   où S est la surface de la boucle et N est le nombre de tours, qui peut être très grand, ce qui permet des précisions et des fidélités qui atteignent 10-5 degrés/h. En assemblant 3 capteurs selon 3 axes, on peut faire un gyroscope (mesure et conservation d'une direction) beaucoup plus compact et robuste que les centrales inertielles. Enfin, d’autres capteurs interférométriques sont basés sur la variation de polarisation dans la fibre optique, qui peut être provoquée par des contraintes non isotropes (biréfringence due à la photoélasticité) ou à un champ magnétique longitudinal (effet Faraday, à la base notamment de capteurs de courant). Du fait de leur complexité et de la difficulté de les exploiter à distance, ils n’ont pas été très développés. Capteurs à réseaux de Bragg Un des capteurs à fibres optiques les plus répandus actuellement est le capteur à réseau de Bragg (FBG, Fiber Bragg Grating), photoinscrit dans la matière du cœur de la fibre. Cette technologie, apparue dans les années 1990, consiste en une modulation périodique et longitudinale de l'indice de réfraction du cœur d’une fibre monomode, de période spatiale , qui provoque la réflexion de la longueur d’onde  correspondant à des interférences constructives entre les ondes réfléchies (figure 3) :  = 2 .n1eff où n1eff est l’indice effectif moyen du cœur de la fibre Cette technologie a été développée pour les communications sur fibres optiques, où elle permet de réaliser des filtres, des multiplexeurs en longueur d’onde, ou encore des compensateurs de dispersion chromatique avec des réseaux chirpés (c'est-à-dire de pas variant lentement le long de la fibre). Elle est maintenant bien maîtrisée et les réseaux photoinscrits présentent une longue durée de vie sous illumination. Très rapidement, elle a fait l’objet de développements pour les capteurs, notamment en France au CEA. En effet, lorsque la fibre subit un allongement relatif , qui augmente , on observe une variation de la longueur d'onde réfléchie :   = K. + T, où le coefficient K, voisin de 0,8, est dû à la photoélasticité qui diminue légèrement neff, et T est la variation de température qui fait aussi varier l’indice et dilate le verre (d’où le coefficient  de l’ordre de 6.10-6 /°C). Ceci constitue un effet parasite qu’il faut compenser, mais on peut aussi mesurer la température par cet intermédiaire. On peut mesurer cette variation de longueur d’onde à distance avec une parfaite fidélité : la longueur d'onde de la lumière réfléchie, contrairement à son intensité ou à sa polarisation, n’est pas modifiée par sa propagation sur la fibre optique. Une mesure de la longueur d’onde à 1 pm près correspond à un allongement relatif de 0,8.10-6 ou à une variation de température de 0,1°. Une méthode simple pour séparer ces grandeurs consiste à utiliser deux capteurs soumis à la même température, seul l’un d’eux subissant l’allongement. Figure 3. Principe du réseau de Bragg. Document Xblue, projet HOBAN Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 12 Ces capteurs, exploités en réflexion, se prêtent bien à une mise en série en décalant les plages de longueur d’onde des différents FBG, et en les interrogeant par réflectométrie avec une source large spectre ou un laser à balayage rapide en longueur d’onde. On réalise ainsi un capteur multipoints (ou distribué) pouvant associer plusieurs dizaines de capteurs élémentaires le long d’une fibre unique. Leur intérêt essentiel est leur facilité d'intégration le long de la fibre, ainsi que leur cadence de lecture élevée (plusieurs kHz). Ils sont très employés pour la surveillance des structures aéronautiques et nucléaires, machines électriques, bâtiments (même des monuments historiques grâce à leur caractère peu invasif), ouvrages de génie civil, digues, mines, ouvrages souterrains ... 5. Capteurs répartis Raman et Brillouin Cette dernière catégorie de capteurs a pour particularité d’utiliser comme élément sensible la fibre optique elle-même, et d’en faire un capteur continûment sensible donnant un profil de température et/ou de contraintes le long de son parcours, avec l’équivalent de plusieurs milliers de points de mesure élémentaires, ce nombre dépendant en fait de la résolution de la technique d’interrogation. En contrepartie, ils sont plus complexes à exploiter que les réseaux de Bragg, et le temps d’interrogation est plus long (de l’ordre de la minute). Ils sont basés sur les phénomènes de diffusion (scattering) Raman et Brillouin, habituellement classés dans l’optique non linéaire, qui sont en fait des interaction photon - phonon, c'est à dire un échange d'énergie entre une onde optique et les vibrations des liaisons moléculaires du matériau (figure 4). Figure 4. Diffusion Raman et Brillouin (cité par P. Ferdinand) Dans l’effet Raman, lorsqu'une onde pompe de fréquence p interagit avec un matériau, certains photons perdent une partie de leur énergie hp au profit d'un phonon, particule associée à la vibration de fréquence  qui apparaît dans la matière. Ils sont alors diffusés avec une énergie plus faible, autrement dit une longueur d'onde plus élevée, et constituent une onde Stokes de fréquence : s = p -. Le décalage de fréquence  ne dépend que du matériau, et pas de la longueur d'onde pompe. Le spectre de l’onde Stockes est caractéristique de la composition chimique et du caractère ordonné ou désordonné de la matière, ce qui en fait une méthode d’analyse chimique connue et pratiquée depuis longtemps. La silice présente ainsi un spectre continu relativement large, avec un pic caractéristique à 490 cm-1 . En sens inverse, quelques phonons créés par agitation thermique vont céder leur énergie à des photons, qui vont diffuser sous forme d'une onde anti- Stokes de fréquence : a = p +  donc une longueur d'onde plus faible. Le rapport d’amplitude entre les raies Stokes et anti-Stokes vaut : exp h. kT Il ne dépend que de la température, ce qui permet d'utiliser ce phénomène pour connaître la température de la fibre au point de mesure avec une très grande fidélité et une précision de l’ordre de 0,1°C. La localisation de ce point est faite par la classique réflectométrie temporelle (OTDR, Optical Time Domain Reflectometry basée sur le décalage temporel entre l’impulsion émise et la réponse, mesurée simultanément aux 2 longueurs d’ondes Stokes et anti- Stokes) ou, pour une plus haute résolution (mais une portée plus courte), par réflectométrie fréquentielle (OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) où le laser est modulé en longueur d'onde (sous forme d'une rampe ou chirp) au lieu d'émettre des impulsions. C’est le décalage de longueur d’onde entre la lumière émise et la lumière rétrodiffusée qui permet de connaître la distance. Cette méthode est maintenant utilisée industriellement pour détecter et localiser des points chauds (ou froids, en cas de fuite de gaz par exemple) le long des lignes d’énergie ou de tubes transportant des fluides. La diffusion Brillouin suit un mécanisme de même nature que la diffusion Raman, mais l'interaction se fait avec des phonons acoustiques, c'est à dire des vibrations du matériau provoquées par l’intensité de la lumière, et s'y propageant avec la vitesse Va des ondes acoustiques, de plusieurs milliers de m/s dans le verre. On observe principalement une rétrodiffusion Brillouin (en sens inverse) avec un changement de fréquence B Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 13 déterminé par l'accord de phase entre les ondes optique et acoustique : B = 2p c n Va qui est de l’ordre de 10 à 13 GHz dans les fibres de silice. Ce phénomène est principalement utilisé en capteurs, où la variation du décalage de fréquence B, de 10 à 100 MHz, est due aux variations de température ou aux contraintes qui modifient Va. Pour séparer ces deux causes, le câble contient en général deux fibres soumises à la même température, mais l’autre est soumise aux contraintes et l’autre non. Ces variations de fréquence sont mesurées à distance et localisées par une technique de réflectométrie adaptée (battement entre la rétrodiffusion Rayleigh, qui n’est pas décalée en fréquence, et la rétrodiffusion Brillouin). Récemment de nombreux capteurs répartis de ce type ont été installés le long d’ouvrages d’art, de réseaux de transport d’électricité ou de gazoducs, de sites industriels, d’enceintes de confinement nucléaire ... 6. Conclusion Les capteurs à fibres optiques ont démontré leurs avantages : immunité électromagnétique, faible intrusivité, fonctionnement en environnement difficiles, aptitude à la mise en réseau et aux concepts de capteurs distribués et répartis. 40 ans après l’apparition du gyromètre à fibres optiques, grâce aux progrès des technologies optiques mais aussi électroniques (traitement du signal), et sont devenus une réalité industrielle dans de nombreux domaines : surveillance des structures, transport, énergie, sécurité, contrôle industriel … dans un contexte économique mondial qui a fortement évolué, la Chine et l’Asie en général rattrapant les acteurs historiques (Europe, Amérique du nord et Japon). 7. Quelques références H. Lefèvre, The Fiberoptic gyroscope, Artech, A993 E. Udd, Fiberoptic sensors, CRC Press, 2006 P. Ferdinand, Réseaux de capteurs à fibres optiques, Mesures et multiplexage, Techniques de l’Ingénieur, R 460v2, mars 2008 P. Ferdinand, Réseaux de capteurs à fibres optiques, Applications, Techniques de l’Ingénieur, R 461, sept. 2008 P. Ferdinand, La saga des Capteurs à Fibres Optiques depuis 35 ans, Colloque 2013 du Club CMOI « Contrôles et Mesures Optiques pour l’Industrie » de la Société Française d’Optique, 18-21 nov. 2013, Orléans P. Lecoy, Communications sur fibres optiques, Lavoisier-Hermès, 2014 Laboratoires et entreprises impliquées http://www.ifsttar.fr/ (université de Marne la Vallée) http://www.xlim.fr/ (université de Limoges) http://laboratoirehubertcurien.fr/ (université de St Etienne) http://www-leti.cea.fr/ https://www.ixblue.com/ https://www.hbm.com/fr/ http://www.ftmesures.com/ http://www.cementys.com/ http://www.idil-fibres-optiques.com/ Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 14 Les fibres optiques dans l’automobile Jean-Michel MUR Président d’honneur du Club fibres optiques & réseaux Société française d’optique Jm.mur@orange.fr Proche de nous mais déjà loin le temps où le premier réseau en fibre optique en plastique prenait place dans nos automobiles. C’était en 1998, via le réseau D2B (domestic dual bus) qui a équipé nombre de véhicules luxueux avec le constructeur pionnier Mercedes suivi par Jaguar, Peugeot 604, etc. Ce réseau largement installé est désormais obsolète. L’aventure a connu, en 2001, byteflight, le réseau exclusif de BMW, créé en partenariat avec Motorola et Infineon. Byteflight, qui a commencé par équiper les BMW Série 7, a tiré sa révérence, lui aussi. Dans le même temps, sont arrivés les premiers réseaux MOST 25 (media oriented systems transport) à 25 Mbit/s. Puis l’industrie automobile a installé les MOST 50 à 50 Mbit/s et, en parallèle, l’IDB-1394 (intelligent transportation system data bus) qui, via le port Customer convenience port (CCP), est la version pour l’automobile du standard 1394 de l’association américaine IEEE. Plusieurs amendements plus tard sur ce standard, en 2008, a été avalisée la nouvelle version « 1394-2008 - IEEE Standard for a High-Performance Serial Bus ». Et les évolutions s’ensuivirent… 1. De nos jours, quels protocoles ? Trois protocoles principaux sont présents sur ce marché : le MOST 150, l’IDB-1394 et Ethernet ; le leader étant MOST avec plus de 200 modèles d’automobiles différents et plus de 200 millions de nœuds livrés depuis 2001. En 2012, est arrivée la version MOST 150 qui doit son nom à son débit de transmission de 150 Mbit/s. C’est l’évolution des premiers réseaux en anneau MOST 25 puis MOST 50, avec deux apports clés : un canal pour Ethernet et la montée en débits. MOST 150 intègre un canal Ethernet avec une largeur de bande variable – MOST Ethernet Packet (MEP) – pour supporter les trames Ethernet en sus des trois canaux classiques pour le contrôle des messages, les données en flux continu et les données en paquets. La demande de débits de plus en plus élevé provient de l’inflation des applications dont celles en vidéo avec multi-écrans qui sont très gourmandes en bande passante. Cette montée en débits semble un point positif pour le MOST 150. En fait, c’est une course pour rattraper les 200 à 800 Mbit/s de l’IDB-1394 – avec un maximum futur de 3,2 Gbit/s – et la montée du 100 Mbit/s de l’Ethernet vers l’attendu 1 Gbit/s du Gigabit Ethernet (GbE). Un point noir supplémentaire pour le MOST 150, la nécessité de faire appel à des Codec – et aux coûts associés – pour la compression et décompression des informations multimédia. Pour les réseaux IDB-1394, l’automobile n’est qu’un des marchés couverts car on rencontre IEEE 1394 aussi en audio-vidéo, avionique, défense, capteurs… à un point tel qu’en octobre 2015, le groupement d’industriels intitulé 1394 Trade Association a été dissous en estimant que les marchés et le protocole étaient devenus matures. IDB-1394 a comme principales caractéristiques la transmission des données dans les modes asynchrone et isochrone, soit en temps réel, sur des bus en transmission parallèle à 32 ou 64 bits ; les débits, du simple 100 Mbit/s au très haut débit de 3,2 Gbit/s ; le support physique qui peut être en paires torsadées blindées (shielded twisted pair – STP), en quatre paires (shieldedt wisted quad – STQ), en coaxial en cuivre ou en fibre optique en plastique ou en silice. Ce protocole gère, bien évidemment, la notion de multiples canaux de transmission et de multi-utilisateurs, le tout en simultané sur le même bus ou sur une topologie en arbre, en étoile ou en anneau. À noter, que cette norme IEEE 1394-2008 devrait évoluer en 2016. Quant à la pieuvre Ethernet, avec ses ramifications dans tous les types de réseaux, elle se devait de se créer une place dans l’automobile. Le démarrage a été poussif et peu de constructeurs sont friands de ce protocole pour trois raisons : le débit limité à 100 Mbit/s, le câblage en paires torsadées catégorie 5, lourd et onéreux, et la qualité de service (QoS), autre point noir car nécessitant du logiciel et des mémoires- tampons supplémentaires. Après diverses remises en question, certains annoncent qu’il se pourrait que l’année 2016 soit celle où « Automotive Ethernet » puisse prendre la forme d’une dorsale pour les réseaux des véhicules grâce à l’arrivée du 1 GbE sur une simple paire torsadée. D’autres experts sont dubitatifs pour deux raisons : la norme définissant le GbE sur fibre optique plastique est en cours de développement par le groupe de travail IEEE P802.3bv « Gigabit Ethernet over plastic optical fiber tasktorce », elle n’est attendue Résumé : Présente dans nos véhicules depuis une bonne quinzaine d’années, la fibre optique en plastique puis en silice tisse ses réseaux. Protocoles, applications et produits, où en sommes-nous aujourd’hui ? Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 15 que pour le premier trimestre 2017 et, par ailleurs, lors de la 16e conférence de connexité MOST en Asie, en novembre 2015, deux annonces clés ont porté sur Linux et le 1 Gbit/s pour MOST. Côté Linux, il a été présenté le fait que le noyau Linux principal intégrera un pilote Linux MOST pour accéder à toutes les données de MOST et prendre en charge les interfaces USB, Media LB et I2C, ALSA (audio), V4L2 (vidéo) et la communication basée sur IP, protocole Internet cf. fig.1 Pour les industriels impliqués dans le MOST, c’est d’autant plus important que le cabinet d’études de marché IHS prévoit que d’ici 2020, la plateforme Open source Linux, avec plus de 40% de part de marché, dominera le marché de l’info-divertissement embarqué, d’où un plan de développement ambitieux cf. fig.2. Fig.1 : Architecture des pilotes Linux (Source : Microchip) Fig.2 : Plan de développement de Linux pour l’automobile (Source : Linux Foundation) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 16 2. Pour quelles applications ? Le vocable associé au mariage fibre optique plastique – automobile est « Technologie multimédia » soit, plus largement, tous les équipements et systèmes qui touchent à l’aide à la conduite, aux diagnostics, à la communication interne au véhicule ou avec l’extérieur ainsi que pour le domaine des loisirs. Sans être exhaustif, on y trouve aussi bien les équipements audio de radio ou CD et haut-parleurs surdimensionnés, lecteurs MP3, équipements vidéo de TV ou DVD avec écrans incorporés aux sièges, de radiotéléphonie GSM, de systèmes de positionnement GPS et de navigation avec voix et images animées, d’aide à la vision avec les radars et caméras de recul, de stockage de données avec la connectique pour les clés USB, d’applications Bluetooth et bien d’autres comme la connexion à Internet. À noter que le standard IEEE 1394:2008 a prévu la protection des contenus transitant par le réseau et des supports type DVD (digital transmission content protection – DTCP). En MOST 150, cette fonctionnalité est complétée, depuis octobre 2015, par la protection supplémentaire apportée par la norme CI+. En américain, l’ensemble du réseau, des équipements et des fonctions est regroupé sous les deux quasi-synonymes in-car entertainement (ICE) ou in-vehicle infotainment(IVI) et, plus globalement, sous le nom in-vehicle network (IVN) faisant ainsi le parallèle avec ce qui se passe dans le domaine de l’aviation commerciale avec in-flight network (IFN) et ses déclinaisons pour le personnel navigant et pour les passagers. Fujitsu va plus loin en considérant le véhicule comme un des éléments du système global d’information cf. fig.3. Fig.3 : Système de transport intelligent (intelligent transport system – ITS) vu par Fujitsu (Source : Fujitsu) 3. Et le cloud ? L’informatique en nuage ou du moins le stockage de données et leurs accès intéressent fortement les constructeurs automobiles mais aussi leurs sous- traitants. Ainsi, l’équipementier Robert Bosch, qui propose déjà aux industriels des offres comme les services eCall ou conciergerie, a annoncé, fin 2015, la mise à disposition de services pour les automobiles connectées tels que les informations, en temps réel, sur les conditions de circulation, le trafic automobile, les conditions climatiques, etc. Il prend exemple sur son concurrent Continental qui a l’offre e-Horizon (electronic horizon) construite en collaboration avec IBM et Cisco cf. fig.4 ou sur l’offre de Delphi qui propose l’application Delphi Connect en s’appuyant sur Azure, la plateforme cloud de Microsoft. Bosch irait même jusqu’à indiquer la localisation exacte de bornes de recharges de véhicules électriques en fonction du niveau de la batterie. Il propose deux modes d’accès pour connecter le véhicule au nuage : le premier, c’est l’intégration de la solution My Spin, qui utilise le smartphone comme pilote, aussi bien sous Apple iOS que sous Android, et qui permet Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 17 aux applications installées sur le téléphone d’être actives sur la console centrale ; le second, c’est l’établissement d’une liaison entre la voiture et le cyberespace via le Connectivity control unit (CCU) de Bosch, un équipement qui contient un module de radiocommunications et qui requiert une carte SIM. 4. Avec quels produits ? Côté support physique, la fibre optique s’implante de plus en plus au détriment des câbles en cuivre grâce à ses qualités intrinsèques : aucun risque d’interférence électromagnétique et insensibilité aux perturbations électromagnétiques, ainsi un cheminement parallèle aux câbles électriques ou proche des moteurs électriques (sièges, vitres, rétroviseurs…) est possible et il n’y a pas cette contrainte pour la conception des faisceaux de câbles ; poids plus faible, environ neuf grammes par mètre contre soixante-dix pour le cuivre ; souplesse d’installation car le diamètre du câble est inférieur à trois millimètres ; débits de transmission plus élevés allant à 1 Gbit/s voire à plus de 3 Gbit/s ; large gamme d’émetteurs-récepteurs, etc. Dès l’origine, la seule fibre optique qui était installée dans l’automobile était une fibre en plastique standard, avec un cœur en PMMA (poly méthacrylate de méthyle) de 970 microns de diamètre et une gaine d’un millimètre (fibre 970/1000) en polymère. Elle est résistante jusqu’à 95 °C, a un affaiblissement linéique d’environ 0,2 dB par mètre lors de transmissions à 650 nanomètres et un rayon de courbure de l’ordre de quinze millimètres. Mais, les fibres optiques en silice unimodales ou multimodales ont leurs supporteurs. Ainsi, en janvier 2009, la norme IEEE 1394 a été complétée par les spécifications pour la fibre optique unimodale en silice, document intitulé « IEEE 1394 Single-mode Fiber PMD Specification », pour des transmissions à 1 500 nanomètres et un affaiblissement linéique maximum de 0,35 dB/km. Et, depuis juin 2011, la révision 1.0 de la norme IEEE 1394:2008 intitulée « 1394 Automotive Glass Fiber Specification (Supplement to IDB-1394) » considère deux types de fibres optiques multimodales en silice : la fibre multimodale à gradient d’indice de 50 microns de diamètre de cœur et 125 microns de diamètre de gaine, fibre 50/125 bien connue dans les réseaux locaux d’entreprise, et la fibre construite avec une gaine en polymère renforcé (hard polymer cladding silicafiber – HPCF) à saut d’indice qui a un cœur de 200 microns de diamètre et une gaine de 230 microns (HPCF 200/230). Les deux doivent respecter la plage de températures de -40 °C à +105 °C et, pour les transmissions à 850 nanomètres, avoir un affaiblissement linéique maximum de 10dB/km pour la fibre 50/125 et 20 dB/km pour la fibre 200/230. Fig.4 : Les quatre couches de l’application e-Horizon (Source : Continental) Fig.5 : Barrières technologiques de la fibre en plastique et des diodes à 650 nm (Source : JM. Mur) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 18 Même tendance pour les réseaux MOST car les industriels travaillent sur le saut des débits au-dessus du 1 Gbit/s. Là, les diodes électroluminescentes et la fibre en plastique à saut d’indice devront laisser leur place aux lasers VCSEL et aux fibres en silice à gradient d’indice. C’est, entre autres, le point de vue des équipementiers qui travaillent sur les liaisons optiques pour la future montée du MOST vers le 5 Gbit/s cf. fig.5. 5. Câbles de fibres optiques Dans ce domaine des réseaux internes aux véhicules, les câbles sont de deux types : d’une part, ceux qui ne contiennent qu’une ou deux fibres optiques et sont relativement simples à fabriquer et, d’autre part, ceux qui transportent les fibres et l’alimentation électrique pour les équipements desservis. Cependant, la difficulté consiste à concevoir la composition des enveloppes car les fabricants doivent faire face à beaucoup plus de contraintes que pour les réseaux locaux. En effet, la barrière qu’ils constituent, entre les fibres et l’environnement, doit résister à la fois à des contraintes physiques et à des attaques de fluides. Les contraintes physiques sont dues aux tensions venant des courbures, torsions, compressions, étirements, trépidations… Les attaques des fluides proviennent des fluides propres au véhicule – essence, diesel, acide des batteries, glycol, liquide de freins, etc. – et à ceux apportés par les passagers comme les détachants de sièges ou de plastiques divers, les boissons café, coca, alcool… Et tout cela, sans oublier de prévoir une forte résistance à l’humidité et aux sels de déneigement. 6. Connectique optique La connectique optique constituée de fiches optiques, raccords, traversées de cloisons, embases… se compose de deux grandes familles : la connectique classique des applications des fibres optiques et la connectique assurant à la fois les liaisons optiques et des liaisons électriques cf. fig.6 et fig.7. Fig.6 : Connectique automobile pour deux fibres en plastique (Source : TE Connectivity) Côté fibre optique plastique et IEEE 1394, la connectique est définie dans le document « PMD for FiberOptic Wake-on-LAN » Fig.7 : Connectique automobile pour quatre fibres en plastique et quarante contacts électriques (Source : TE Connectivity) de juillet 2006. Il y est précisé, annexe C, que pour distinguer les séquences d’assemblage des câbles dans le véhicule, quatre différentes clés de détrompage ont été définies pour les fibres en plastique. Chaque clé est identifiée par une couleur : blanc, noir, gris et marron. Quant aux fibres en silice, l’IEEE 1394 préconise le double LC. Pour prévenir les conséquences d’une inadvertance de connexion entre les types de fibres, il sera utilisé la couleur bleue pour les fibres unimodales et la couleur noire pour les multimodales cf. fig.8. Fig.8 : Connectique pour fibre optique du réseau IEEE 1394 (Source : Molex) Quant à la connectique du futur, un aperçu de ce qui pourrait s’écrire MOST à 5 Gbit/s, a été présenté par TE Connectivity en novembre 2015 à Tokyo cf. fig.9. Pour les liens, les tests et mesures sont effectués par des équipements tels des testeurs dotés d’une source lumineuse et d’un puissance-mètre cf. fig.10. Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 19 Fig.9 : Aperçu de la connectique optique pour le futur MOST à 5 Gbit/s (Source : TE Connectivity) Fig.10 : Appareil de test pour les liens en fibre optique en plastique (Source : Comoss) 7. Composants actifs Pour les composants actifs, comme dans tous les autres domaines de la photonique, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée. Parmi ceux-ci, on trouve les émetteurs-récepteurs pour fibres optiques (fibe roptic transceivers– FOT) qui, comme pour les câbles à fibres optiques, doivent avoir des caractéristiques physiques leur permettant d’être opérationnels dans des environnements difficiles. Avec le support fibres optiques en plastique, la transmission des signaux se fait sur des distances très courtes, via une diode électroluminescente (DEL) à 650 nanomètres, la réception se fait via une photodiode PIN cf. fig.11. Fig.11 : Exemple d’émetteur et récepteur pour fibre optique en plastique (Source : Hamamatsu) La prochaine arrivée des débits supérieurs à 1 Gbit/s verra l’émergence des FOT à base de VCSEL travaillant à 850 nanomètres sur les fibres en silice et de photodiodes à sensibilité améliorée. Présents également, des composants divers tels des contrôleurs d’interfaces avec le réseau, des codecs vidéo pour les caméras embarquées, des processeurs pour la protection DTCP, etc. L’intégration se fait aussi au niveau des sociétés puisque, le 4 décembre 2015, Avago Technologies est devenu propriétaires des actifs du domaine d’activité fibre optique en plastique dont les cordons optiques actifs, les convertisseurs, etc. de l’américaine Electronic Links International, Inc. Bien évidemment, le marché de la fibre optique dans l’automobile se développe pour d’autres véhicules tels les autocars et les camions cf. fig.12. Enfin, en attendant un avenir de la voiture sans conducteur, vous pourrez être informés sur les domaines audio-vidéo- Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 20 télématique-navigation-etc. lors d’événements spécialisés comme la réunion AGL All members meeting, prévue les 7 et 8 septembre à Munich, la 9eme Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède), la 19eme International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016.Bonnes découvertes et bonne route… Fig.12 : La fibre optique dans les autocars (Source : KDPOF) Pour en savoir plus… http://automotivelinux.org Pour tout savoir sur la présence de Linux dans le domaine automobile à travers Automotive Grade Linux(AGL), ensemble de solutions logicielles pour les systèmes in-vehicle infotainement (IVI) et leur prochain événement : AGL All members meeting, les 7 et 8 septembre 2016 à Munich. www.autosar.org Site d’Automotive open system architecture (AUTOSAR), groupement d’industriels œuvrant au niveau mondial pour le développement de protocoles, produits et systèmes compatibles pour l’automobile et leur prochain événement : 9e Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède). www.ieee802.org/3/bv/ Site du groupe de travail sur le projet de norme P802.3bv concernant le Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique. http://sites.ieee.org/itss/ Site de l’IEEE spécialisé dans les systèmes de transport intelligent (intelligent transport systems society – ITSS) ; infos sur le congrès19th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC 2016) qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016. https://www.jaspar.jp/english/index_e.php Site de l’association d’industriels japonais concernés par le développement des applications dans les véhicules : Japan automotive software platform and architecture (JASPAR). www.mostcooperation.com/ Pour tout savoir sur la technologie Most (media oriented systems transport), les principaux acteurs impliqués dans le développement, pour télécharger les spécifications Most. www.opensig.org/ Site de l’OPEN alliance (one-pair EtherNet alliance) qui a été créée pour le développement d’Ethernet sur paire torsadée en cuivre dans l’automobile et qui, désormais, milite pour la fibre optique en plastique. www.opensig.org/tech-committees/tc7/ Comité technique n°7 de l’OPEN alliance qui est dédié au développement du Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique dans l’automobile. www.pofto.org/home/ Site de l’association d’industriels POFTO (plastic optical fiber trade organization) entièrement dédié aux fibres optiques en plastique (FOP). Pour télécharger des documents et articles de vulgarisation et trouver des liens vers les conférences ou expositions professionnelles dédiées aux FOP. Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application Bernard JOURNET, Jean-Baptiste DESMOULINS, Stéphanie CASSAN, Nguyên CHI THANH Bernard.JOURNET@ens-cachan.fr ENS Cachan – Université Paris Saclay, 61 avenue du Président Wilson, 94230 Cachan Mots clés : photodiode, sensibilité, comportement dynamique, capacité de jonction, modélisation. 1. Introduction Le but de cet article est de présenter ce qu’il est possible de faire à partir d’un montage relativement simple en optoélectronique afin de montrer les propriétés d'une photodiode à la fois sous l'aspect dynamique et statique, et de présenter une application de ce montage à la transmission d'un signal audio. Le sujet d’étude est donc une photodiode PIN [1], de surface relativement grande et facile à mettre en œuvre compte tenu de sa connectique BNC. Pour « éclairer » cette photodiode nous utilisons des diodes électroluminescentes (DEL) de couleurs différentes mais de longueurs d’onde connues, montées dans un boitier lui-même relié à la maquette par un cordon multibrins. Ces DEL sont alimentées du point de vue électronique par une source de courant réglable finement. Un photomètre étalon permet de connaître la puissance optique reçue par la photodiode et donc en quelque sorte d'étalonner les sources lumineuses. Une étude dynamique est possible grâce à une entrée modulation sur la source de courant alimentant les DEL. Cela permet d’étudier le comportement fréquentiel d’un montage à amplificateur de transconductance et de mesurer des caractéristiques fines de la photodiode. Cette entrée permet aussi d'appliquer un signal audio à transmettre par le biais d'une porteuse optique. 2. Le système expérimental 2.1. Émetteur Le schéma du montage de l'émetteur est donné Figure 1. Figure1 Montage émetteur permettant de commander au choix une des diodes électroluminescentes. Le circuit électronique est une source de courant associant un amplificateur opérationnel (U1) à un transistor PNP (T1) qui fournit le courant aux DEL. L'amplificateur opérationnel (U2) réalise la somme entre la tension de référence 0V , réglable entre +5V et +10V par le potentiomètre de précision (P0), et une tension de modulation, notée Vmod . La tension V0 permet de régler le point de fonctionnement des DEL et donc côté récepteur celui de la photodiode. L'intensité du courant traversant une DEL est donnée par 0 11 R VV I C F   où . modVVV  01 2.2. Récepteur La photodiode est montée sur le banc optique ; elle est reliée par un cordon BNC au circuit électronique. Ce dernier peut consister soit en un montage photoconducteur (photodiode en série avec une résistance, ici de k30 ) soit à un amplificateur de transimpédance comprenant un amplificateur opérationnel et une résistance (ici aussi de k30 ). La tension polV réglable de 0 V à +15 V permet R0 = 200 Ω (1%) TrVC1 = 10 V Popt U1 P0 1 kΩ R1 = 15 kΩ Vmod V0 - + + - U2 R1 R1 R1 VC2 = 5 V VC1 = 10 V Rin = 51 Ω V2 V1 VF IF A Résumé : L'étude des photodiodes peut être abordée dans des enseignements sur les capteurs optiques, la conversion d'énergie, voire sous l'angle des télécommunications optiques. Les caractéristiques d'une photodiode sont d'ordre statique et dynamique, leur sensibilité étant le paramètre fondamental à mettre en évidence pour tous les domaines d'application. Les propriétés dynamiques vont concerner davantage les aspects de télécommunications ou d'instrumentation. Il y a moyen de trouver ici des expériences adaptables à tout niveau de l'enseignement supérieur voire de l'enseignement secondaire si l'on voulait bien considérer l'importance que revêt de nos jours l'optoélectronique. Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 22 d'ajuster la tension inverse aux bornes de de la photodiode (a) (b) Figure 2. Montages récepteurs : photodiode en mode photoconducteur à gauche (a) et associée à un amplificateur de transimpédance à droite (b). On dispose aussi d'un photorécepteur étalon Thorlabs PM100 que l'on peut monter à la place de la photodiode, sur le banc optique. Sur la Figure 2(b) on note la présence d'un condensateur Cr . Son rôle est d'assurer la stabilité du montage récepteur ce qui se justifierait ferait à partir du modèle qui sera introduit dans la partie 4. 2.3. Banc optique Le banc optique permet d'aligner le boitier contenant les DEL avec le photodétecteur employé, en assurant la focalisation par une lentille convergente (ici de focale égale à 30 mm). La toute première étape de l'étude expérimentale consiste donc en un réglage optique des composants sur le banc. Les critères de réglage sont d'assurer une transmission maximale de la puissance émise sur les photorécepteurs et une focalisation du faisceau optique de façon à ce que la taille du faisceau soit plus petite que le plus petit des deux détecteurs. Il faut en cours de manipulation cacher les éléments sur le banc de la lumière ambiante, en particulier de l'éclairage artificiel apportant une composante à assez importante (mais ce qui est aussi une source de questions). 3. Étude statique 3.1. Émetteur Les caractéristiques des émetteurs sont obtenues ici par méthode volt-ampère-métrique (montage "courte dérivation"). Les multimètres employés sont des modèles de précision. Figure 3. Caractéristique courant-tension des diodes électroluminescentes Sur cette figure on peut observer les tensions seuils des DEL, dépendant du semi-conducteur employé. Pour la LED rouge la tension seuil est d'environ 1,8 V ; pour la DEL bleue elle vaut environ 3,2 V et pour la verte 3,5 V. Ces tensions seuils très différentes de celle d'une diode de signal ou de redressement au silicium sont en général "troublantes" pour les étudiants, d'où l'intérêt de cette mesure ! Elles sont à relier au matériau semi-conducteur utilisé. La puissance optique est mesurée par le photomètre étalon. Cette mesure n'est pas celle de la puissance émise par la DEL mais celle qui sera reçue dans les mêmes conditions expérimentale par la photodiode étudiée. Les trois DEL étant montées sur une ligne verticale du boitier les contenants il faut refaire le réglage optique pour chaque DEL. Figure 4. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct IF dans la DEL Iph K A Popt Vpol Vm RT = 30 kΩ - + RT = 30 kΩ Vpol CT = 22pF Popt Vs Iph 43210 Tension (V) 25 20 15 10 5 0 Courant(mA) 'DEL rouge' 'IDEL verte' 'DEL bleue' 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Puissanceoptique(mW) 2520151050 Courant direct (mA) 'DEL rouge' 'DEL verte' 'DEL-bleue' Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 23 Sur cette figure on observe que le comportement puissance optique émise en fonction du courant direct dans la DEL est plus ou moins bien linéaire. Les données constructeurs font état pour ces DEL d'une puissance d'environ 1000 mcd pour un courant de 20 mA. Compte tenu de la sensibilité de l'œil cela entraine des puissances émises nettement plus fortes pour le rouge et le bleu correspondant à de faibles sensibilités de l'œil. Il est donc possible d'introduire ici l'unité candela, et la sensibilité de l'œil. 3.2. Récepteur Les mesures sont effectuées ici en plaçant un ampèremètre directement en série avec la photodiode, celle-ci étant polarisée sous une tension réglable. Figure 5. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct dans la DEL Les mesures du courant photonique en fonction de la tension de polarisation montrent une totale indépendance du courant vis-à-vis de la tension. D'après les résultats obtenus le comportement de la photodiode est bien linéaire pour chaque longueur d'onde utilisée ; les pentes des courbes donnent la sensibilité de la photodiode. Les résultats correspondants sont donnés dans le Tableau 1. λ (nm) 470 525 660 Sensibilité (A/W) 0,17 0,25 0,49 Table 1. : Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde La courbe correspondante est donnée Figure 6. La formule théorique de la sensibilité est la suivante  hc qe R [1]. La courbe expérimentale est à peu près linéaire, en accord avec la formule théorique (mais ici nous n'avons que trois points). Néanmoins cette fonction n'a pas une ordonnée à l'origine égale à zéro. La pente de cette courbe est de /nmA.W1074,1 13  . La sensibilité d'environ 0,5 A/W mesurée pour la longueur d'onde de 660 nm est d'un ordre de grandeur satisfaisant conduisant à une efficacité quantique de 0,93. Figure 6.Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde 4. Étude dynamique L'étude dynamique peut être conduite avec les deux montages présentés au début (voir Figure 2). Le courant dans une DEL (le choix n'a pas vraiment d'importance ici) est modulé par la tension modV . On peut montrer au départ la modulation à très faible fréquence pour faire prendre conscience aux étudiants qu'il s'agit d'une modulation de l'intensité lumineuse. La porteuse est constituée du signal optique. 4.1. Montage transimpédance : réponse en fréquence La photodiode est associée à un amplificateur opérationnel et la conversion tension-courant est effectuée par la résistance  k30TR (voir Figure 2b). Figure 7. Photographie du montage lors du tracé des digrammes de Bode. Configuration avec Vpol = 11 V et IF=10mA . 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Courantphotonique(mA) 3.02.52.01.51.00.50.0 Puissance optique reçue (mW) '470 nm' '660 nm' '525 nm' 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Sensibilité(A/W) 700650600550500450 Longueur d'onde (nm) Sensibilité fit Sensibilité Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 24 Figure 8. Interface utilisateur pour le tracé des diagrammes de Bode On peut donc tracer, pour différentes valeurs de la tension de polarisation ( polV ) de la photodiode, le diagramme de Bode pour la fonction de transfert mod out V V H  . Le tracé des diagrammes de Bode a été automatisé grâce à un programme élaboré avec le logiciel Keysight-Vee. Une copie d'écran de l'interface utilisateur est fournie sur la figure suivante (Fig. 8), donnant une idée des possibilités offertes à l'utilisateur. Trois diagrammes obtenus pour des tensions de polarisation en inverse de 0,5 V, 2 V et 12 V sont donnés sur la Figure 9. On constate que la fonction de transfert H est du type passe-bas, présentant un phénomène de résonnance. De plus il y a une forte dépendance de cette fonction de transfert vis-à-vis de la tension polV : la fréquence de résonance et le facteur de surtension dépendent de la tension de polarisation. Compte tenu de l'aspect des courbes on peut imaginer que les fonctions de transfert puissent être modélisées par des fonctions du second ordre, du moins pour une certaine gamme de fréquences. D'après les courbes de phase l'ordre deux n'est pas suffisant au-delà de 400 kHz. 2 0 22 0 0 21 )(                                f f m f f H fH Pour mettre en œuvre cette modélisation nous avons utilisé le logiciel Igor. La Figure 10 présente aussi, en trait plein, les "fits" correspondant où l'on voit qu'ils donnent satisfaction jusqu'à environ 400 kHz. On obtient donc par ce "fit" le gain en basse fréquence, la fréquence propre et le coefficient d'amortissement (ou bien le facteur de qualité mQ 2/1 ). On peut conduire une étude plus détaillée vis-à-vis de l'influence de la tension de polarisation polV en faisant varier celle-ci de 0,25 V à 15 V, en enregistrant à chaque fois le diagramme de Bode puis en réalisant le fit par le logiciel Igor. Cela conduit à la courbe de la Figure 10, donnant les variations de la fréquence propre 0f et du coefficient d'amortissement m . Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 25 Figure 9. Fonction de transfert pour trois valeurs de Vpol qui est donc ici la tension de polarisation de la photodiode Figure 10. Fréquence propre et coefficient d'amortissement représentés en fonction de la tension de polarisation, en inverse, de la photodiode 4 3 2 1 0 Gain 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Gain Vpol=12 V fit_Gain Vpol=12 V Gain Vpol=2 V fit_GainVpol=2 V Gain Vpol=0,5 V fit_Gain Vpol=0,5 V -200 -100 0 100 Phase(degrés) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Phase Vpol=12 V Phase Vpol=2 V Phase Vpol=0,5 V 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 Coefficientd'amortissement,m 1412108642 Tension de polarisation (V) 280x10 3 260 240 220 200 180 160 Fréquencepropre,f0(Hz) m f0 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 26 Les deux courbes montrent des comportements tout-à-fait identiques à un coefficient multiplicateur près. Le modèle de la photodiode en régime dynamique, faisant intervenir la capacité de jonction, notée JC , de la photodiode (relativement grande pour une polarisation en inverse, d'autant plus ici que la photodiode choisie a un diamètre de 1 cm) associé à un modèle simple de l'amplificateur opérationnel prenant en compte une fonction de transfert du premier ordre et une capacité entre les deux entrées dites inverseuse et non-inverseuse (voir Figure 11) permet d'obtenir une fonction de transfert du second ordre pour le photodétecteur. En fait pour être plus précis il faut aussi tenir compte de la capacité équivalente du câble coaxial, notée cC , reliant la photodiode au montage électronique qui s'ajoute à la capacité d'entrée iC de l'amplificateur opérationnel JC et à (on note alors icJp CCCC  ). Figure 11. Modélisation de la photodiode associée à l'amplificateur de transconductance. On note ici A V s  et 1 0 1   j A A   avec comme ordres de grandeur 5 0 10A et 1 1 rad.s8,62   . Le calcul de la fonction de transfert, avec l'hypothèse conduit au résultat suivant.   2 10010 1 1     A CCR A CR A CRj R I V pTTpT TT T ph s           On obtient alors la fréquence propre et le coefficient d'amortissement  pTT CCR A f   10 0 2 1          010 0 1 . A CR A CRfm pT TT   Les variations du coefficient d'amortissement sont, selon la Figure 8, tout à fait similaires à celles de la fréquence propre, ce que l'on retrouve, compte tenu de ce que 1105 0 A , même si était une centaine de fois plus grand que TC ( pF22TC et pF50 cp CC ).        10 0 1 .   A CRfm TT 4.2. Montage photoconducteur Compte tenu de l'ensemble des capacités parasites présentes dans le montage de transconductance il est tentant d'étudier un montage plus simple, dans lequel on minimise les condensateurs. C'est celui de la Figure 2(a) où la photodiode débite directement dans une résistance de 30 kΩ. Dans ce cas, en négligeant le temps de réponse de la LED et du convertisseur tension/courant, le temps de réponse du système est égal au produit de la capacité de jonction de la photodiode par la résistance de mesure. Le défaut de ce circuit, est que la polarisation de la photodiode fluctue comme la tension aux bornes de la résistance de mesure. On fera donc en sorte de travailler avec une photodiode dont la tension aux bornes présente une composante continue suffisamment grande devant la fluctuation. On choisit une tension V5,90 V pour le convertisseur tension courant au niveau de l'émetteur, ce qui va permettre de travailler autour d’un éclairage moyen assez faible. Pour la tension de modulation on prend une tension carrée dont la valeur crête à crête provoque, en sortie, une fluctuation crête à crête de la tension aux bornes de la résistance de mesure de 60 mV. On est donc alors en mesure de dire que la tension aux bornes de la photodiode est pratiquement constante pour une polarisation inverse moyenne comprise entre 0,254 V et 10,25 V. Par ailleurs, la photodiode étant raccordée à la maquette par un câble coaxial, on fera en sorte de retirer 100pF de la valeur de capacité obtenue, afin de ne représenter que la capacité de la photodiode. En considérant le modèle de la jonction PN abrupte on peut chercher une expression du type 21 1 1 0 )( )( diode diodea VV C CVC   pour interpréter les mesures. Expérimentalement, on obtient la courbe suivante (Figure 12) pour la capacité de jonction et la fonction de "fit". La modélisation avec le logiciel Igor conduit aux valeurs suivantes, données en fonction d'un écart-type : pF12830 C pF327901 C et V06,058,01 V . Les écart-types fournis par le logiciel sont assez importants, le modèle obtenu n'est qu'une indication. On peut imaginer d'autres formes de Vs =A Iph IJ IT RT CT  - + PD AO Ii CJ CiCc Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 27 courbes qui cadreraient plus ou moins avec les points expérimentaux obtenus. Néanmoins l'ordre de grandeur de correspond assez bien à la capacité de 60 pF du cordon BNC de 60 cm de long utilisé pour raccorder la photodiode à la maquette. Cette capacité est associée à la capacité d'entrée de l'amplificateur, celle-ci serait donc d'environ 22 pF ce qui semble un peu surestimé. Mais compte tenu de l'incertitude sur la modélisation il est difficile de tirer des conclusions précises. La valeur de 1V représente un bon ordre de grandeur pour la tension biV d'une jonction PN à base de silicium. La capacité 1C dépendant elle du dopage des deux parties P et N, il est difficile d'estimer un ordre de grandeur. 5. Application : transmission d'un signal audio Sur l'entrée modV du circuit "émetteur" on peut brancher un lecteur de signal audio, lecteur de cassette d'autrefois, lecteur MP3 ou smartphone (attention selon le type de source choisie il peut y avoir des problèmes d'adaptation d'impédance). Le signal audio vient donc moduler la puissance optique émise par la DEL et la photodiode assure la démodulation. On constate ici la simplicité de la démodulation assurée par la seule photodiode. Un petit amplificateur branché à la sortie et débitant sur un haut-parleur permet alors d'écouter le message transmis. La Figure 13 permet de comparer le signal audio en entrée du circuit émetteur et le signal audio en sortie de l'amplificateur de transimpédance. Les signaux sont tout à fait similaires, on dénote un très léger filtrage du bruit sur le signal démodulé. Figure 13. Copie d'écran montrant une acquisition du signal audio en entrée (voie 1) et en sortie (voie 2). La voie 2 est en mode AC pour ne voir que le signal démodulé et son amplification verti-cale a été ajustée pour arriver à des signaux de même amplitude sur l'écran de l'oscilloscope Figure 12. Détermination de la capacité de jonction de la photodiode ne fonction de la tension inverse à ses bornes. 1.0x10 -3 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Capacité(µF) 1086420 Tension inverse aux bornes de la photodiode (V) Coefficient values ± one standard deviation C0 =8.254e-005 ± 1.2e-005 C1 =0.00078674 ± 3.19e-005 V1 =0.57857 ± 0.0554 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 28 On peut changer de couleur de DEL pour montrer que la transmission ne dépend pas de la longueur d'onde (mais selon la puissance émise par la DEL le niveau sonore peut varier). En coupant le faisceau lumineux la transmission du signal sonore est stoppée, ce qui est bien explicite pour les étudiants. Il est relativement facile, à ce stade, d'introduire auprès des étudiants les notions de fibre optique, de multiplexage en longueur d'onde et plus généralement de transmissions optiques. 6. Conclusion Nous avons présenté ici un ensemble de manipulations autour de l'utilisation de composants optoélectroniques, la photodiode étant l'élément central. Outre l'étude statique des émetteurs de lumière et de la photodiode, il a été présenté une étude dynamique dont les résultats sont explicables par une bonne modélisation des éléments du système ici la photodiode et l'amplificateur opérationnel utilisé avec le récepteur. Un circuit plus simple, mais moins facile à utiliser permet de mettre finement en évidence la dépendance de la capacité de jonction de la photodiode vis-à-vis de la tension de polarisation en inverse : on "vit en direct" la variation de l'épaisseur de la zone de charge d'espace au niveau de la jonction PN ! Globalement les mesures faites en régime dynamique sont en accord avec des modélisations classiques des différents composants. Une étude possible à proposer aux étudiants après avoir fait cette manipulation de façon complète concernerait la stabilité du montage à transimpédance et donc la justification du rôle de la capacité TC dans le montage. 7. Bibliographie [1] E. Rosencher, B. Vinter, Optoélectronique, Dunod, 2ème Édition, 2002. [2] H. Mathieu, H. Fanet, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Dunod, 6ème Édition, 2009. Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 29 Régulation de température d’une cuve JM ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII, 2 avenue François Mitterrand 36000 CHATEAUROUX Courriel : jean-marc.roussel@univ-orleans.fr kamal.boudjelaba@univ-orleans.fr 1. Introduction Dans le cadre du module M3102 (asservissement et régulation) du semestre 3 du DUT GEII, une série de travaux pratiques doit être proposée aux étudiants. Afin d’être proche des applications industrielles, nous avons développé, dans le cadre de projets, une cuve régulée en température. Cette cuve est représentative d’un élément de chaîne de traitement de surface simulant le trempage de pièces. Au niveau pédagogique, cette maquette permet la réalisation de deux travaux pratiques : un premier sur l’identification d’un système évolutif et un second sur la régulation de température. Nous allons dans un premier temps, détailler le système développé. Dans un second temps, les résultats d’identification et de régulation obtenue seront présentés. 2. Présentation du procédé 2.1. Descriptif du système étudié La partie matérielle du système est composée d’une cuve en inox pouvant contenir 40 litres de liquide. La cuve est équipée d’une sonde Pt100 (permettant la mesure de la température), d’un thermoplongeur monophasé de 3 kW (afin de chauffer le liquide) et d’un circulateur de chauffage afin d’uniformiser la température du liquide. La figure 1 montre une photo du système, la figure 2 montre le schéma fonctionnel du système. La partie régulation est assurée par un régulateur UT55A de la société Yokogawa. Ce régulateur est entièrement configurable et permet de disposer d’une régulation PID (8 fonctions de régulation intégrées, 8 algorithmes de régulation intégrés), d’une régulation à séquence Ladder ou d’une régulation à logique floue. Une centrale de mesures permet de récupérer les relevés des différentes grandeurs via un réseau Ethernet. Cette centrale est également utilisée par d’autres maquettes de la salle. Figure 1 : Photo système de régulation de température La puissance de chauffe est apportée par le thermoplongeur commandé par un relais statique lui- même piloté par la sortie discontinue du régulateur. Le système complet a été conçu dans le cadre d’un projet étudiant de seconde année. La réalisation de la partie opérationnelle a été sous traitée. L’armoire électrique a été réalisée en interne par les étudiants. Le coût d’une telle maquette est 15 k€ euros auprès d’une société de matériel didactique alors que notre coût est de 6 k€ euros, soit un gain de 9 k€ euros ! 2.2. Modélisation du bain et de la cuve On souhaite disposer d’un modèle thermique simplifié. On exprime l’évolution de chaleur Q absorbée ou cédée par un corps de masse m dont la température évolue selon l’équation suivante : dQ= mCdq (1) Où m est la masse d’eau à chauffer en kg, C la chaleur massique de l’eau en J/Kg.°C (C = 4180 J /kg.°C pour l’eau) et  la température de l’eau. Résumé : L’article propose un système de régulation de température industriel basé sur l’utilisation d’une cuve inox calorifugée de 40 litres remplie d’eau (dont on cherche à maintenir la température) et d’un régulateur de la société Yokogawa. L’identification du système est réalisée en boucle ouverte suite à un échelon sous la forme d’un système évolutif. Deux correcteurs sont proposés et comparés par rapport à un échelon de température ou à l’ajout d’une perturbation. Mots clés : modélisation, régulateur PID, méthode de Ziegler Nichols Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 30 Figure 2 : Système de régulation de température La puissance à fournir pour augmenter la température de l’eau de la valeur d est : P= dQ dt = mC dq dt (2) On doit toutefois tenir compte des déperditions thermiques qui peuvent s’exprimer selon la loi de Fourier sous la forme : P= dQ dt = mC dq dt + KS q -q0( ) (3) Avec K coefficient faisant intervenir les coefficients de convection et conduction thermique, et S la surface d’échange en m2 . Afin de réaliser un procédé de type intégrateur, on dote la cuve d’une double paroi avec un isolant. Les déperditions thermiques peuvent être négligées. On conservera pour la suite de l’étude l’équation (2). L’équation qui régit alors le procédé en prenant la température ambiante comme origine et la puissance constante est la suivante : q(t) = P mC t +q0 (4) La montée en température est linéaire. C’est le cas d’un système parfaitement calorifugé mais aussi le cas des régimes adiabatiques (l’échange de chaleur avec le milieu ambiant n’a pas le temps de se faire). Il est à noter qu’il faut 2508 s ( 42 mn) pour atteindre une variation de température de 30°C pour 40 litres d’eau avec une puissance de chauffe de 3 kW. En passant dans le domaine de Laplace, l’équation (2) permet d’établir la fonction de transfert ci-dessous : Hbain_cuve (s) = P(s) q(s) Hbc (s) = 1 mCs (5) 2.3. Modélisation de la résistance de chauffe et du relais statique Une résistance électrique assure le chauffage à l’intérieur de la cuve, un relais statique permet de moduler la puissance dissipée dans l’eau. Le relais statique est un gradateur monophasé qui laisse passer la tension pendant un nombre entier de périodes p et il bloque ensuite la tension pendant p’ – p périodes cf figure (3). Les intervalles de conduction se répètent périodiquement. La période de conduction est égale ou supérieure à une période du réseau. La valeur efficace du courant est alors donnée par : I 2 = 1 2p p' i2 (q)dq 0 2p p ò I 2 = 1 2p p' V 2 R sinq æ è ç ö ø ÷ 2 dq 0 2p p ò (6) Soit son expression finale : I = V R p p' = V R a = Imax a (7) On appelle tc = Tc la durée de fermeture du relais statique. Tc étant la période des trains d’ondes envoyés à la résistance de chauffe.  égal à p/p’, appelé le rapport cyclique, varie entre 0 et 1. Sonde Pt100 - P(s) Correcteur Sortie PWM Température Bain + Consigne Température Résistance Yr(s) Régulateur YOKOGAWA Process Relais statique Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 31 Figure 3 : Tension aux bornes de la résistance de chauffe Si P est la puissance active fournie à la résistance chauffante et Pmax la puissance maximale fournie à celle-ci, donc quand le gradateur fonctionne pleine onde, soit pour  = 1, il vient : P= RI 2 = aPmax (8) La sortie du régulateur délivre une tension continue Uc grâce à laquelle le relais statique règle la valeur de tc et telle que : Uc = btc (9) L’expression de la fonction de transfert modélisant le relais statique monophasé en fonction de , Pmax et Tc est donnée par l’équation (8) : Hrelais_statique (s) = Hrs (s) = Pmax bTc (10) 2.4. Modélisation de la chaîne de retour La chaîne de retour est constituée d’un capteur et d’un transmetteur qui permet d’élaborer un signal image de la mesure. La mesure de la température s’effectue par une sonde PT100 qui est très utilisée dans l’industrie. La sonde PT100 utilise comme principe physique la variation de résistance du platine pur en fonction de la température. Sa plage d’utilisation est de – 260°C à 1400°C. La fonction de transfert de la chaîne de retour peut être mise sous la forme : Hcapteur _transmetteur = Hct (s) = Kct e -sLct (11) Avec Lct retard pur et Kct gain statique capteur- transmetteur. 2.5. Fonction de transfert en boucle ouverte La fonction de transfert en boucle ouverte non corrigée est le produit des fonctions de transfert. Hbo (s) = Hbc (s)Hrs (s)Hct (s) (12) 3. Identification La cuve est remplie de 40 litres d’eau à température ambiante. L’identification en boucle ouverte du système se fait à partir de la réponse temporelle avec une entrée échelon de 0 à 20%, la réponse du système est assimilable à un système intégrateur. Un système intégrateur est caractérisé par le fait que sa sortie augmente jusqu’à saturation, alors que l’entrée reste constante (figure 4). On constate que la réponse du système ne démarre pas en même temps que l’entrée, mais elle possède un retard. Figure 4 : Réponse indicielle en boucle ouverte avec en rouge l’entrée échelon et en bleu la température On retient alors deux modèles : celui proposé par Broïda ou Ziegler Nichols rappelé dans [1] Hbo = ke-sL s (13) et celui proposé par Strejc-Davoust Hbo = ke-sL s(1+ sT)n (14) Où k est le gain dynamique et L le temps mort. L’identification par le modèle de Broïda ou Ziegler Nichols consiste à tracer l’asymptote quand t . La pente de l’asymptote vaut K.y et elle coupe l’axe des abscisses à t = L. La recherche d’un modèle de Ziegler Nichols conduit alors à la fonction de transfert suivante :

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Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 48 Véhicules à faible consommation énergétique (exemple du challenge SUNTRIP) A.SIVERT1 , B. CAUQUIL2 , E. MOREL, F. BAILLY, F.BETIN1 , (1) Laboratoire des Technologies Innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) (1) U.P.J.V, Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. (2) U.T.P.S, Université de Toulouse Paul Sabatier, département GMP de l'Institut Universitaire de Technologie, 65016 TARBES 1. Introduction Des concours de véhicules à faible consommation tels que l’ « Eco-Marathon » existent depuis longtemps mais cette compétition soulève plusieurs problèmes. Le principal concerne le fait que les véhicules présentés ne sont pratiquement pas commercialisables en l'état. En effet, le conducteur est souvent contraint de rester dans une position très inconfortable en raison de l’aérodynamisme du bolide et des pneumatiques utilisés incompatibles avec une chaussée humide. Un autre problème concerne la validation de la consommation d'énergie à une vitesse moyenne de 25 km/h qui y est imposée et qui n'est pas représentative d'une utilisation quotidienne [2]. D’autres types de véhicules à faible consommation existent depuis longtemps. Ils sont mus par l'homme (HumanPoweredVehicle – HPV) et sont munis d’un carénage aérodynamique. Le record de l’heure d'un HPV est de 91 km/h [3], ce qui est bien supérieur à celui d’un vélo droit (56 km/h). Ainsi, un challenge tel que le Suntrip [4] permettant de parcourir une distance de 7.000km sur des routes classiques et avec un véhicule facilement réalisable est très pertinent pour prouver qu’il est tout à fait possible d’effectuer de grands trajets avec une faible consommation d’énergie et ce, tout en permettant de valider la fiabilité des prototypes. Précisons que pour ce challenge, chaque personne a la liberté de choisir son itinéraire, à l’identique d’un « Vendée Globe » (tour du monde à la voile sans escale). Durant le Suntrip, la recharge des batteries ne peut se faire qu’à partir de l'énergie solaire, ceci afin de valider l'autonomie énergétique du véhicule. Une comparaison entre temps de roulage et temps de recharge avec un véhicule non solaire a même été entreprise aux « 12 heures de Chartres » (autre challenge de véhicules couchés). Tous les prototypes légers démontrent qu’il est possible de réduire la consommation énergétique dans le secteur des transports et ainsi minimiser son impact environnemental au quotidien sur la planète, et notamment les émissions de gaz à effet de serre [5, 6]. Dans ce qui suit, la puissance absorbée par nos véhicules sera établie et seront expliquées les consommations engendrées par les dénivelés en fonction de la vitesse moyenne. Puis les différentes technologies utilisables dans le cadre d’un prototype seront suggérées permettant ainsi d'envisager, pour le lecteur, un support pédagogique possible. Résumé : depuis 2010, année au cours de laquelle les batteries au lithium ont commencé à se démocratiser, des pionniers du vélo électrique ont voulu démontrer qu’il était possible de faire de grands périples en consommant peu d’énergie avec des vitesses honorables et sans être un sportif exceptionnel. Ainsi, Florian Bailly a effectué un parcours France-Japon en 2010 [1] et a lancé l’aventure du Suntrip France-Kazakhstan en 2013, sur 7.000km et avec 31 participants. Seuls 20 aventuriers sont alors arrivés au bout. En 2015, ce challenge a été réédité avec 25 participants et seulement 3 abandons. Après 7000 km, les 3 premiers sont arrivés avec seulement un jour d’écart sachant que le meilleur a fait le parcours en 27 jours avec un dénivelé positif total de 45km. De nombreuses questions techniques doivent être résolues pour participer à ce challenge : quel type de cycle utiliser ? Quel investissement financier pour un prototype ? Quelle masse supplémentaire engendrée par la motorisation électrique embarquée ? Quels types de moteurs et puissances envisager? Quelles technologies de batteries utiliser ? Quelle consommation du véhicule ? Quelle surface de modules photovoltaïques pour une autonomie totale ? Quels compromis envisager ? Cet article, qui fait suite à d'autres articles sur le même thème, vise à répondre à ces multiples questions et permettre ainsi d'envisager la réalisation d'un prototype motorisé susceptible de participer à ce challenge, ou tout du moins de voyager en consommant très peu d’énergie. Nous présenterons ici les résultats de deux concurrents qui ont fait des choix techniques diamétralement opposés tout en réalisant des performances pratiquement similaires. Enfin, des comparatifs d’énergies calorique et électrique consommées, des choix de vitesse de déplacement ainsi que des fréquences de recharge d'accumulateur seront présentées. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 49 2. Etudes 2.1. Puissance résistive et consommation La puissance résistive d’un véhicule est souvent modélisée par l’équation suivante (1) : 3 resistance Aero pente(%) M g Vit(km / h) P (W ) k Vit (Cr ) 100 3.6        Avec M, la masse du véhicule et de son conducteur, g la constante de gravitation et Cr le coefficient de roulement des pneus [7]. La figure 1 présente la puissance demandée au moteur pour différents types de cycle. On y remarque que l’aérodynamisme du véhicule commence à être prépondérant à partir de 30 km/h. Le carénage d’un véhicule permet d’améliorer ce point mais au détriment d’un surpoids d'environ 12kg. Fig. 1 :puissance demandée au moteur (W) en fonction de la vitesse sur du plat (km/h), sans pédalage, pour différents cycles et avec un Cr=0.005 À partir de la figure précédente, il est possible d’identifier les coefficients de performance de chaque type de véhicule. Ces coefficients sont présentés dans le tableau 1 ci-dessous : Type de cycle kaero W/(km/h)3 kroul W/(km/h) Masse (Kg) VTC 0,0065 7 à 3 14 Tri-cycle 0,005 7 à 3 18 Vélo couché 0,003 à 0.004 7 à 3 16 Vélo couché et panneau 2.5m2 0.0054 à 0.0062 5 à 3 34 Tricycle caréné 0,001 à 0.002 5 à 3 30 Remorque de 140 litres +0.002 10 Tableau 1 : coefficients de cycles Les avantages du tricycle et du vélo couché, par rapport au vélo droit, sont de minimiser l'impact du facteur « aérodynamisme » et de permettre l'installation de modules PV (pour produire de l'énergie électrique mais aussi pour s’abriter du soleil). Ceci dit, la mise en place d'un module PV de 2.5m2 entraine une forte augmentation du coefficient aérodynamique (idem remorque). Sachant que la puissance musculaire moyenne est de 100 W pour un homme moyen et de 300W pour un bon sportif, on peut envisager se déplacer à une vitesse comprise entre 25 et 40 km/h. Dès que la pente devient importante et que le vélo dépasse les 60kg, la puissance musculaire n’est plus suffisante. Sur un parcours donné, la consommation énergétique en W.h du cycle motorisé peut être déterminée approximativement par l’équation suivante (2): resistive moy humain moy (distance D ) M g D E(W.h) ( P (V ) P ) V (km / h) 3600          Avec la vitesse moyenne en km/h, D+ le dénivelé positif (m) et la distance en km. La masse de bagages durant le voyage est d’environ 20kg et le volume de 0.125 m3 (tente, vêtements, nourriture…). Des sacoches sont utilisées mais de nombreux concurrents ont également opté pour la remorque, ce qui augmente bien sûr le coefficient d’aérodynamisme mais permet d’y placer des modules PV. Une troisième option possible consiste en l’utilisation de vélos cargos (cargo bikes) dont la masse est d’environ 25kg. A partir de l’équation précédente, et en considérant une distance parcourue de 200km/jour, un dénivelé moyen de 1%, une vitesse moyenne de 35km/h, une masse totale de 140 kg et une puissance humaine fournie de 100W, il sera nécessaire de fournir une énergie quotidienne de 3000W.h. Par contre, pour une vitesse moyenne de 25km/h, cette énergie nécessaire passe à 2000W.h. Ce besoin va conditionner la surface de module PV à mettre en œuvre. Mais, à ce sujet, quelle est la capacité de production d’énergie électrique par m2 de module PV ? 2.2. Surface et type de panneau solaire La consommation d’énergie précédente détermine la surface de modules PV à installer pour être en totale autonomie d’énergie. Les modules monocristallins Semi- Flex ont une puissance crête de 200Wc/m2 pour une masse de 4kg. Le coût total s’élèvera à 500€. En considérant qu’il y a du soleil tous les jours pendant 8 heures, que 50% de la puissance crête peut être restituée par les modules orientés horizontalement par rapport au sol et qu’ils ne peuvent suivre l’orientation du soleil, la quantité d’énergie produite peut être déterminée par l’équation suivante (3) : panneaux crete panneauxE (W.h ) P temps( h ) /   VTC + remorque + panneau Vélo couché + panneau Tricycle caréné leiba P (W) v (km/h) Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 50 Sur un vélo couché, des modules d’1m de large et de 2.5m de longueur peuvent être installés sans nécessiter l’ajout d’une remorque. Cette surface de 2.5m2 permet de produire environ 2000W.h/jour. Certains concurrents ont opté pour 1m2 supplémentaire qu’ils déploient lors de leurs arrêts. Mais cela signifie qu'ils embarquent une masse supplémentaire de 4 kg. Le support des modules peut- être légèrement orientable afin d’améliorer la production. Les modules PV placés au-dessus d’un vélo couché permettent, en outre, de s'abriter des rayons du soleil lors du pédalage. Ils peuvent aussi, lors des arrêts, être orientés en direction de l'astre à l’aide d’une grande béquille facile à mettre en œuvre. L’ombre alors portée par un tube de 2cm de haut placé perpendiculairement à la surface du module permet de savoir si ce dernier est dans l’axe du soleil. Un convertisseur d'électronique de puissance muni d'un algorithme de recherche de point de puissance maximum (MPPT : maximum power point tracker) permet de charger directement la batterie et d'optimiser le fonctionnement du module pour des conditions météorologiques données. Notons toutefois ici que la puissance demandée par le vélo est davantage conditionnée par la pente et ce, pour obtenir une vitesse honorable dans les montées, que par la vitesse en régime établi sur du plat. Mais quelle est la masse supplémentaire embarquée nécessaire à la motorisation ? Quel est son rendement et quel type de moteur est utilisable ? 2.3. Type de moteur Toutes les machines dédiées aux applications de motorisation de vélos sont de type brushless à aimants permanents. Il en existe deux sortes : le « moteur- roue » et le « moteur-pédalier ». La puissance d'un moteur-pédalier n’excède pas 1000W. Celle d'un moteur-roue 3000W. Les moteurs-pédaliers sont associés à un réducteur mécanique de vitesse qui ne permet pas de récupérer de l’énergie lors des phases de freinage ou en descente. Sur les moteurs-roues, le freinage électrique permet de limiter la vitesse dans les descentes abruptes, d’où un renforcement de la sécurité et une sollicitation plus faible des freins mécaniques qui ne risquent pas de passer en fading vue la masse importante du véhicule. Pour les deux types de motorisation, l’action de commande s’effectue : - soit par la sollicitation d’une poignée d’accélération (asservissement de vitesse avec limitation du courant de la batterie), - soit par la prise en compte de l'information en provenance d'un capteur de pédalage qui évalue l’assistance nécessaire selon le choix de la puissance désirée (sachant qu’il y a différents niveaux d’assistance : de 1 à 10). Il existe de nombreuses stratégies d’assistance qui ne seront pas développées dans cet article. Par simplification, on considère que le moteur brushless se comporte comme un moteur DC présentant une résistance équivalente. Par conséquent, les pertes électriques et son échauffement correspondent aux équations suivantes (4) et (5) :   2 equivalentPerte W Rm I    TH TH t V R CTHR Tempmotor C Perte (1 e ) Tamb V          Avec RTH correspondant à la résistance thermique du moteur, CTH à la capacité thermique du moteur et Tamb à la température ambiante. La résistance thermique diminue en fonction de la vitesse du véhicule V(km/h), dès que celle-ci est au-delà de 15 km/h. Lorsque l’on relâche la poignée d’accélération à X%, alors la vitesse diminue en fonction de l’équation suivante (6) : battVitesse kv.U .X % pour une certaine puissance résistive. Alors le courant augmente à partir de l’équation suivante (7) : motor resisitve batt motor controleurI P / (U X% )    Comparons 2 moteurs alimentés sous 50V : - moteur-pédalier Bafang (8 fun) BSS02 750W, 4.2kg, 700€ TTC, résistance équivalente : 0.26Ω, puissance dissipable : 250W, Imoteur max=30A, RTH = 0.3°C/W, - moteur-roue Crystalyte HS3540 2000W, 7kg, 350€ TTC, résistance équivalente : 0.22Ω, puissance dissipable : 400W, Imoteur max = 42A, RTH = 0.187°C/W, CTH=770 J/°C.kg. Notons que le prix du moteur ne dépend pas que de sa puissance, mais aussi de ses ventes et du type d’aimants employé. Notons également que le moteur roue a une surface d’échange thermique plus importante qui lui permet de mieux dissiper les pertes thermiques. L’utilisation du simulateur de moteur en ligne « Ebikes.ca » permet de tracer les caractéristiques théoriques des machines présentées ci-dessus. Sur la figure 2, la première partie des courbes (couple, puissance et rendement) correspond à un courant batterie limité. Puis la tension est limitée par la capacité de la batterie. La courbe en noir correspond à la puissance utile liée au coefficient de roulement, au coefficient d'aérodynamisme et à la pente. L’intersection de la puissance utile et de la courbe (puissance moteur + puissance de pédalage) donne la vitesse du véhicule. Attention, il ne faut pas prendre la courbe suivante telle quelle avec la poignée d’accélération actionnée à 100% pour connaitre le rendement du moteur. En effet, la courbe de rendement de cette figure correspond au démarrage du véhicule avec la poignée d’accélération en 100%. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 51 Fig. 2 : courbe de rendement, puissance moteur, couple et puissance résistive en fonction de la vitesse pour 100% de la poignée d’accélération Le rendement en régime établi de vitesse en fonction de la poignée d’accélération est représenté sur la figure 3 pour le moteur-roue Crystalyte, ainsi que la vitesse et la puissance. Pour le moteur-pédalier Bafang, c’est quasiment identique. Fig. 3 : caractéristique du moteur HS3540 en fonction de la poignée d’accélération et avec une pente de 0% Lorsque la pente est de 5% alors la puissance résistive augmente fortement ce qui entraine souvent la saturation du courant batterie. Le rendement est alors compris entre 77% et 50% en fonction de la position de la poignée d’accélération comme on peut l’observer sur la figure 4. Fig. 4 : caractéristiques du moteur HS3540 en fonction de la position de la poignée d’accélération avec une pente de 0% (traits pleins) et 5% (pointillés) En conséquence, avec une motorisation électrique, il ne faut pas solliciter le moteur à des vitesses trop faibles, ceci afin de garder un bon rendement et un faible échauffement du moteur et du contrôleur. L’énergie consommée lors d’une montée ne dépend que des rendements et correspond à l’équation suivante (8) : m moteur controleurE (W.h) ( M g D ) / (3600 )       Remarque : en 2016, le moteur-roue Mxus 4505 de 3000W est celui qui a le meilleur rendement (90%) sur le marché car il a une faible résistance équivalente (0.12Ω), mais une masse de 8.5kg. Si le rendement entre le moteur-pédalier est quasi identique à celui du moteur-roue avec une commande par poignée d’accélération, la différence notable entre un moteur pédalier de 750W et un moteur roue de 2000W est la vitesse maximale en montée et le temps de fonctionnement en montée lié à la saturation de la puissance sortant de la batterie. Par conséquent, pour le moteur 750W, il faut un contrôleur de 20A sous 50V (20A correspond au courant de limitation batterie). On pourrait alors croire que la puissance maximale ne pourra jamais être dépassée avec ce choix de courant maximal de la batterie. Mais le temps de fonctionnement avec une pente de 5% et une masse de 125kg est de 26 minutes à 30km/h comme le montre la figure 5 (« overheat in» pour un courant moteur de 33A). Pire, le fonctionnement ne sera que de 5 minutes pour une pente à 10% et à 16km/h. En effet, il ne faut pas confondre courant batterie et courant moteur qui provoque l’échauffement du moteur. Fig. 5 : Caractéristique du pédalier avec une pente de 5% Ce n’est pas parce que le moteur HS3540 est plus puissant qu’il ne sera pas affecté par cette limite thermique alors que la puissance utile est seulement de 700W. En effet, cela dépend des pertes du moteur, donc de la vitesse. Mais on peut observer sur la figure 6 qu’il n’y aura pas de dépassement thermique pour la même puissance moteur que la courbe précédente. Rendement (%) Puissance résistive (W)/15 Vitesse (km/h) Poignée d’accélération (%) Rendement (%) Vitesse (km/h) Puissance résistive (W)/15 Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 52 Fig. 6 : caractéristique du moteur roue avec une pente de 5% Le choix de la constante de vitesse du moteur brushless conditionne la vitesse maximale atteignable étant donnée la tension batterie. Il existe chez les mêmes constructeurs différentes possibilités de bobinage. Exemple : il y a plus de spires pour un moteur couple HT3525 que pour le HS3540 afin d'obtenir plus de champ magnétique. Mais, pour un même encombrement, la section de fil est plus faible, d’où une résistante équivalente plus importante et égale à 0.35Ω. Ce moteur peut donc supporter un courant moteur moins important pour la même puissance dissipable. La puissance maximale du moteur va donc dépendre de la tension de la batterie et du courant de limitation du contrôleur. Pour protéger efficacement notre moteur, les deux solutions suivantes seraient judicieuses en plus de la limitation du courant batterie : - limitation du courant moteur, - mesure de température sur le bobinage. Mais ces 2 solutions sont rarement proposées. De plus, l’échauffement du contrôleur est à prendre en compte en fonction du courant moteur, car étant donné que le contrôleur a une constante de temps thermique plus faible que celle du moteur, c’est lui qui sera susceptible d'être endommagé le premier. Notons cependant que très peu de concurrents ont abandonné pour ces problèmes de limitation thermique. D'un point de vue mécanique, le moteur-pédalier génère un effort important sur la transmission (chaine, roue libre…), d’où une puissance maximale de 1000W. Exemple de détermination de la puissance du moteur pour obtenir une certaine vitesse en montée, à partir de l’équation (1) : soit un vélo couché avec une masse totale de 145kg, un coefficient kaero de 0.0065, une pente de 5% et une vitesse de 25km/h. Alors la puissance du moteur devra être de 634W et de 1130W pour une pente de 10%. Mais quel type de batterie choisir comme réserve d’énergie pour ce challenge ? 2.4. Batterie La batterie devra permettre une demi-journée de réserve énergétique (1000W.h) sous une tension de 50V. On en déduit une capacité énergétique de 20A.h. S’il y a plus d'une demi journée de mauvais temps, les concurrents ne pourront compter que sur leur puissance musculaire. Les batteries sont de type LiPofer ou Li-ion. Les Li- ion ont une masse et un volume légèrement plus faibles que les LiPofer. Les LiPofer sont commercialisées en poche ou en cylindres alors que les Li-ion le sont sous la forme d'un assemblage « 18650 » cylindrique. En effet, les « 18650 » sont très vendues d’où leur coût de fabrication qui a fortement diminué depuis 2013. Le tableau 2compare ces 2 technologies. Type de batterie prix masse Li-ion 13S7P 400€ 5kg LiPofer 15S7P 400€ 9.5kg LiPofer 15S punch 600€ 7.5kg Tableau 2 : comparaison de type de batterie Le taux de décharge à 2C (40A), n’est pas un problème pour les batteries. Le système de gestion de la batterie (Battery Management System - BMS) déleste la consommation de la batterie lorsque celle-ci est vide [8]. Maintenant que la technologie des batteries a été présentée, nous allons comparer les solutions techniques mises en œuvre par deux concurrents qui ont fait des choix diamétralement opposés. 2.5. Comparaison de deux prototypes et résultats Le tableau 3 donne, pour les deux concurrents, la masse du véhicule sachant que la puissance maximale des motorisations est identique et que la vitesse maximale est de 45 Km/h. On peut observer sur les 2 figures suivantes les deux véhicules. Fig. 7 : vélo couché Suntrip 2015 de Bernard Cauquil [9] Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 53 Fig. 8 : vélo cargo Suntrip 2015 d’Eric Morel [10] Par contre, la surface de modules PV est bien inférieure pour le vélo cargo que pour le vélo couché, d’où une production moindre. Le poids du support mécanique des modules PV n’est pas négligeable et est équivalente au poids de la remorque sans les roues. A ce sujet, notons que le vélo cargo n’avait pas d’énergie d’avance (tout au plus 15%), alors que le vélo couché a toujours gardé une réserve de plus de 40% d’énergie dans sa batterie. Les infrastructures de camping dans certains pays étant très précaires, cela oblige tous les participants au SunTrip à avoir une tente et à devoir gérer une quantité d’eau relativement importante. Sur le tableau 3, on peut observer les consommations, productions et vitesses moyennes journalières. Lors d’une forte baisse de la production conséquente à une météo défavorable, la puissance électrique est moins utilisée et impacte la vitesse moyenne sur la distance parcourue. Il est à noter qu’il y a aussi eu deux jours de voyage en ferry et deux jours de visite à Antalya. Type de vélo Masse totale sans bagage Batterie Type de moteur Vites se max Bagages = vêtements, eau, nourriture outillage Panneau : surface + support produc/jour+MP PT Consom- mation moyenne du prototype Temps moyen/J Vitesse moyenne /jour + Km/jour Dénivelé, distance, consom- mation totale Vélo cargo+ cycliste+ age 63 kg 68 kg 36 ans 36V 1000W.h 6 kg Pedalier PMF 700W 45 km/h 6kg+ 2 litre, 2,5kg 1.6 m2 , 300Wc 14,8kg, 1272 W.h/jour 5.9 W.H/ Km 9 H/jour 24.4 km/h/jour 214km/J 45861 m 6612km 36753W.h Vélo couché+ cycliste+ âge 55kg 75 kg 56 ans Li Mn 48 V 22 Ah Roue Ezee 750W 45 km/h 15 kg + 5 litres, 5 kg outil 2.2 m2 , 405Wc, 18 kg 2100 W.h/jour 7.5 W.H/ Km 9.62 H/jour 27,52 km/h/jour 265km/J 45861m 6952km 53230W.H Tableau 3 : comparatif des concurrents Fig. 9 : prototype couché : consommation W.h (bleu), production(W.h) (marron), vitesse moyenne*100 (km/h) (vert) Le choix de la vitesse moyenne en fonction du dénivelé et de la production solaire n’est pas aisé et repose sur la stratégie adoptée par chaque concurrent. La figure 10 présente la vitesse moyenne, la distance et le dénivelé positif pour chaque journée. On peut observer des dénivelés positifs à plus de 3000m/jour avec des vitesses moyennes aux environs de 30 km/h. Concernant la consommation journalière, il faut ajouter 39,5W.h pour le GPS, l’instrumentation et l’éclairage. Fig. 10 : prototype couché, vitesse moyenne*100 (km/h), distance journalière*10 (km), dénivelé positif (m) Etant donné que le temps de roulage quotidien est d’environ de 10 heures, l’énergie journalière que doit fournir chaque cycliste correspond à l’équation suivante, sachant que le rendement musculaire humain est de 25% (9) : C cycliste humainE (W.h) P t / 1000   L’énergie dépensée chaque jour par le cycliste est donc d'environ 5000W.h correspondant à 4300kcalories ce qui représente une énergie alimentaire très importante. Ainsi 5000W.h correspondent à 2.5 kg de pain soit 10 baguettes de pain (10€). En Europe, 5000W.h électrique ne coûtent que 0,50€. Le prix l’énergie électrique est très faible par rapport à celui de l’énergie musculaire. Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 54 Il est légitime de penser que sans le module PV (18 kg) et avec un coefficient d'aérodynamisme de moins de 0.002 W.h/(km/h)3 , la consommation énergétique serait plus faible. De plus, avec des chargeurs de batterie de 1000W, une prise traditionnelle classique suffit. Toutes les maisons des pays traversés sont connectées au réseau de distribution de l’électricité. Par conséquent, le temps dédié à la restauration du cycliste correspond, bien souvent, au temps nécessaire de recharge du véhicule et, par conséquent, il semble préférable d’installer les modules PV sur un toit plutôt que sur un véhicule. Mais dans ce cas, le camping sauvage n’est plus possible, ce qui n’est pas dans l’esprit (d'autonomie énergétique !) du SunTrip. 2.6. Stratégie de gestion de l'énergie solaire Une stratégie de charge de la batterie consiste à rester le plus possible dans une plage comprise entre 40 % et 80 % de la charge batterie. Le vélo couché n’est descendu à 40 % qu'une seule fois lors de la 3ème étape à cause d’une météo défavorable. Par contre, il est parvenu plusieurs fois à dépasser les 80 % de charge. Ces 80% lui donnent la capacité d'appréhender tous les paramètres (ensoleillement en fonction de l'heure, la météo, le relief du parcours). Cette stratégie permet de lisser la consommation sur l'ensemble de la journée. 2.7. Stratégie de charge pour les cycles non solaires Lors du SunTrip, il est interdit de recharger la batterie à partir d'une prise classique sous peine de disqualification. Par contre, lors des « 12 heures de Chartres », où il y a beaucoup de vélo-mobiles, cela est possible et permet donc d’embarquer une batterie d'accumulateurs minimisée. Mais quelle est la vitesse moyenne possible pour faire la plus grande distance avec un chargeur de 720W, de 1.7kg, et pour une pente moyenne de 0.7% ? Le rapport énergie/distance est un bon compromis pour connaitre la consommation d’un véhicule. Ce rapport correspond aussi au rapport puissance résistive / vitesse et donne une équation du second degré qui peut se simplifier sous la forme d'un polynôme du premier ordre (10) :   aero sansmotor sansmotorV 2 k 60 (V V ) VConsoR       La vitesse sans moteur correspond à la vitesse moyenne obtenue lorsqu'il n’y a pas besoin de moteur. Cette vitesse correspond à l’équation suivante (11) : sansmotor humaine pente V ( km / h ) P 3.6 / (( Cr) M g ) 100      Cette vitesse est valable si la puissance musculaire fournie est inférieure à 150W ce qui permet de négliger le coefficient d’aérodynamisme. Elle correspond au début de la consommation électrique comme on peut l’apercevoir sur la figure 11. On peut d'ailleurs observer que le tricycle caréné consomme beaucoup moins d’énergie électrique que le vélo couché avec modules PV. Fig. 11 : consommation entre 2 véhicules pour une pente de 0.7% et une puissance humaine de 100W Pour un temps de course donné et un nombre d’arrêts de recharge donné, la vitesse moyenne peut être déterminée par la résolution de l’équation suivante sachant qu’à chaque arrêt, on considère que la batterie est vide. A chaque départ, on considère la batterie pleine (12): course roulagetemps ( h ) temps N tempscharg e ( N 1)     course Chargeur EnergieBatt EnergieBatt temps (h) N ( N 1) puissance(V ) puissance     N correspond au nombre de roulages. La distance parcourue est déterminée par l’équation suivante avec la vitesse moyenne qui permet de décharger la batterie en totalité pendant le temps de roulage/N (13) : max coursemoynneDistance (temsps tempscharv ge ( N 1)ite s )s e     Exemple : pour un temps de course de 12h, avec N=3 (donc avec 2 temps de recharge complète), une batterie de 1000W.h, une puissance musculaire de 100W, une puissance de recharge de 720W, le temps de charge sera de 2,7h. Avec le tricycle caréné, la vitesse moyenne est déterminée après la résolution d'une équation du troisième degré et correspondra à une vitesse de 49km/h. La distance effectuée sera de 452km avec une consommation électrique de 3000W.h (6.63W.h/km) et une énergie musculaire fournie de 930W.h. Si l’on ne prévoit qu’une seule charge, la vitesse moyenne devra être de 40.47km/h et la distance parcourue diminuera à 429km, avec une consommation électrique de 2000W.h (4.66W.h/km) et un apport énergétique humain de 1065W.h. Dans cet exemple, il n’y a pas beaucoup de différence entre la distance parcourue maximale avec 2 phases de charge et 1 seule phase de charge. Si l’on ne prévoit aucune charge, alors la vitesse moyenne passe à 31km/h. La distance parcourue sera de Vitesse (km/h) Consommation électrique moyenne (W.h/km) Vélo couché +panneau PV Tricycle caréné leiba Vsansmotor Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 55 377km mais avec une consommation électrique de 1000W.h (2.65W.h/km) et un apport d’énergie humaine de 1200Wh. Par contre, la fatigue musculaire sera importante et jouera sur les besoins physiologiques de l’humain (pause toilettes, pauses repas, lucidité, …), qui le pousseront à s’arrêter un minimum de temps. Pour une batterie donnée, on peut observer sur la figure 12 que la vitesse moyenne doit être modérée en fonction du temps de course donc du temps de roulage : Fig. 12 : vitesse moyenne et distance parcourue en fonction d’un temps de course avec 2 arrêts de recharge à 100% et une pente de 0.7% pour le tricycle caréné et une puissance humaine de 100W Cette stratégie peut être appliquée à n’importe quel véhicule électrique où les temps de charge sont longs. Dans le contexte du voyage, il faut connaitre la distance entre 2 bornes de recharge et gérer sa consommation en fonction de sa vitesse. En effet, en France, de nombreuses zones commerciales ont des bornes de recharges électriques gratuites. Mais il y a aussi la possibilité de demander un branchement sur le lieu de l'arrêt repas afin de maximiser sa capacité énergétique et réduire l’anxiété liée à la gestion du parcours restant. Sur les routes, la vitesse est imposée par le flot de véhicules ou par le type de route qui contraint de respecter une vitesse limite et donc impose une consommation. Par conséquent, lors d'un déplacement sur une grande distance, la capacité de la batterie est fonction de l’autonomie désirée et impose de ne faire qu’un seul arrêt le midi. 2.8. Budget du prototype Le budget est souvent un problème et nécessite d'effectuer des compromis pour la réalisation d’un prototype. En voici une estimation. Sachant qu’un tricycle caréné a un coût d’environ 6000 €, un vélo couché d’environ 2500€ (ces cycles sont fabriqués en quantités artisanales et sont donc relativement chers), un moteur de 300€ à 600€, un contrôleur de 250€ à 400€, une batterie de 1000W.h de 400€ à 600€, l’instrumentation électrique de 360€ [11], l’instrumentation de puissance musculaire de 150€, les panneaux solaires de 1000€ à 1500€, le régulateur MPPT de 200€ à 400€, les sacoches de 200 € à 300€, les petits accessoires de 300€, le changement de vitesse (Rohloff, N360, classique) de 1000€ à 90€ et enfin les lumières de 100 € à 200 €, le coût d’un prototype oscille donc entre 5000€ à 7000€. A cela s’ajoute le prix du voyage. Cependant, les participants sont souvent néophytes en électricité et en mécanique (comme nos étudiants), mais leur motivation est telle qu’ils apprennent vite les fondamentaux de la technologie (comme nos étudiants). 3. Exploitation pédagogique La réalisation d'un vélo couché a été conduite à l’IUT de Tarbes par le département Génie Mécanique et Productique. Il s'agit d'un système pluri-technologique dans lequel toutes les fonctions sont à analyser. De nombreux tests et mesures sont également à réaliser afin de valider les choix technologiques et les performances attendues. La conception et la fabrication de ce prototype a été menée en module de « travaux de réalisation » mais aussi en module de « projet tutoré ». Ces réalisations permettent un rapprochement entre les départements « génie électrique et informatique industrielle » et « génie mécanique et productique », et parfois même, la collaboration entre différents IUT. Tous les étudiants peuvent tester le prototype, mais aussi le présenter lors de différents événements La communication autour du projet en français et en anglais (poster, vidéo, bilan, …) constitue un exercice important et riche sur ce support. 4. Conclusions La recherche du meilleur compromis pour réaliser un prototype demande une importante réflexion au sein du groupe projet et nécessite de nombreux essais afin de valider les éléments théoriques présentés dans cet article et fiabiliser les solutions techniques réalisées. Le capital sympathie pour ces machines est important. Les échanges et les discussions avec les pilotes et usagers sont facilités par la curiosité du public qui les découvre durant un périple ou lors d'une conférence. Faut-il une compétition pour promouvoir les véhicules autonomes de faible consommation ? Vitesse moyenne*10 (km/h) Distance (km) Temps de course Véhicules à faible consommation énergétique La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 56 Faut-il toujours compter, calculer et établir des stratégies pour être le meilleur ? Ce challenge constitue surtout une occasion unique de rouler sur les routes du monde en ayant le plaisir de le faire avec le minimum d'impact sur l'environnement, tout en découvrant de nouveaux paysages, de nouvelles cultures, de nouvelles gastronomies… Et c'est bien sur une belle aventure humaine ! Rassurons ici nos lecteurs : malgré le challenge, l’entraide entre concurrents est de rigueur ! 5. Références [1] http://florianbailly.com/ Voyage France Japon [2] https://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89co- marathon_Shell [3] http://www.whpva.org/hpv.html https://fr.wikipedia.org/wiki/Record_de_l%27heure_c ycliste [4] http://thesuntrip.com/ https://www.youtube.com/watch?v=tc47mkLYFss&lis t=PLfZunVn_gcq7EOurXuWU2sRFmh6CbiUiL&ind ex=42 [5] A.Sivert, F.Betin, T. Lequeu, B. Vacossin « Optimisation de la masse en fonction de la vitesse, puissance, autonomie, prix, centre de gravité, frein, d’un véhicule électrique à faible consommation (vélo, vélo–mobile, voiture électrique). Estimateur de consommation sur un parcours. » Revue 3EI N°80, Avril 2015, page 47 à 57 [6] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, « Véhicule électrique à faible consommation. Problématique mécanique des tricycles carénés. Caractérisation avec smartphone ».Revue Technologie N°199, octobre 2015, page 26 à 38 [7] A.Sivert, J.Claudon, F.Betin, B.Vacossin, « Étude des pneus pour tricycles carénés à faible consommation », Revue Technologie N°201, janvier 2016, page 40 à 48 http://eduscol.education.fr/sti/ressources_techniques/r evue-technologie-ndeg201-sommaire [8] A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu, B. Vacossin« Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique »,Revue Technologie N°84, Avril 2016 [9] Le blog de ma balade en vélo couché 2012 http://www.cheminfaisant.fr [10] https://www.facebook.com/ericsuntrip/ http://thesuntrip.com/eric-morel-st2015/ [11] A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu « Instrumentation d’un véhicule motorisé électrique faible consommation de type « éco marathon » », Revue 3EI N°81, Juillet 2015, page 52 à 60 Rassemblement de différents type de vélos Le vélo couché en action Le vélo cargo en action

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Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 37 Convertisseur, régulateur de LED blanche de 10 à 100W A.SIVERT, B.VACOSSIN, S.CARRIERE, F.BETIN Laboratoire des Technologies innovantes (L.T.I), équipe Énergie Électrique et Systèmes Associés (EESA) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS. 1. Introduction Ces dernières années les lampes à LEDs ont envahi notre quotidien. De la lampe torche 3W à 10W, à la petite lampe à douille de 10W à 20W, au remplacement d’Halogène de 500W par des LED de 50W à 100W. Le principal avantage de la LED est de consommer 10 fois moins qu’une ampoule classique à filament et surtout d’avoir une durée de vie pouvant atteindre 50 000 heures. En revanche, la LED demande une régulation électronique pour obtenir le courant désiré avec le moins de pertes possibles [1]. Ces dernières années, le coût de base d’une LED a fortement diminué (de l’ordre de 2€ pour une puissance de 10W). Cependant, un convertisseur et une optique doivent être additionnés ce qui généralement double le coût. Ce faible coût a permis de concurrencer les ampoules halogènes. La combinaison de plusieurs LEDs est souvent obligatoire pour moduler la luminosité désirée. Ces composants élémentaires peuvent être connectés suivant 3 topographies différentes : série, parallèle ou matricielle [2, 3]. Le tableau suivant représente différents types de LEDs avec des configurations internes différentes (S : représente le nombre de LEDs en série et P : le nombre de LEDs en parallèle). La topographie en matrice connectée est la plus vendue, car plus fiable même si elle demande une connectivité interne plus complexe. Dans un premier temps, nous allons faire quelques rappels en photométrie pour connaitre sans matériels spécifiques la performance d’une LED. Puis, nous allons comparer quelques LEDs pour pouvoir faire un choix dans la jungle des fabricants. Si pour les grands fabricants, les caractéristiques sont données dans les datasheets, ce n’est pas le cas de tout ce qui est vendu via les sites de ventes en ligne. La dissipation des pertes de puissance sera présentée pour connaitre la puissance que peut absorber la LED sans destruction. La régulation numérique du courant dans la LED sera aussi présentée pour savoir comment choisir les valeurs du correcteur qui doit corriger les perturbations (variation de la tension d’alimentation, variation de la tension de seuil, variation dû à la température). Enfin pour conclure, une présentation de l’exploitation de ce système par les étudiants sera proposée. Résumé : Dans le domaine de l’éclairage, une utilisation avec une puissance maximale de 100% n’est pas toujours utile. Une variation du flux lumineux doit donc pouvoir être effectuée en fonction de la lumière naturelle mais aussi plus simplement en fonction de l’éclairage désiré. Cette puissance doit rester constante malgré les fluctuations éventuelles de l’alimentation notamment lorsque celle-ci est alimentée par une batterie. Les LEDs, composants issus de l’optoélectronique, peuvent voir leur luminosité modulée entre 0 et 100 % de manière instantanément et sans dommage. Elles se prêtent aussi sans aucune limitation à un asservissement du niveau de lumière en fonction d’un besoin. Les LEDs d’une puissance de 10W à 100W sont devenues très abordables depuis quelques années avec un taux de défaillance faible par comparaison avec les ampoules à filaments. Les régulateurs numériques permettent non seulement de maitriser la puissance, mais aussi de gérer la température d’une LED, de ménager la batterie. L’avantage de la gestion effectuée par microcontrôleur est l’utilisation d’un afficheur LCD qui permet de connaitre la consommation, la température, de changer la consigne par bouton poussoir, de régler l’éclairage en fonction de la luminosité extérieure…Si l’efficacité d’une LED blanche est d’environ 100 lumen/W, bien meilleure que tous les autres types d’éclairage, 30% de la puissance absorbée par la LED est converti en lumière et 70% est perdue en chaleur. Cette puissance perdue dans une surface très petite impose un refroidissement forcé. Par conséquent, une mesure de température du radiateur doit être effectuée pour estimer la température de jonction de la LED et pour limiter la puissance dans la diode si cette température est trop importante. Dans cet article, des réponses aux nombreuses questions énumérées ci-dessous seront proposées : Comment faire des mesures simples de la luminosité ? Comment faire le choix d’une LED et de son optique en fonction de l’éclairage désiré ? Comment vérifier les performances d’une LED ? Comment faire un choix de refroidisseur et de ventilation ? Comment est gérer la régulation du courant de la LED ? Quel est le taux de défaillance de la LED ? Les réponses à ces questions permettront de proposer une exploitation pédagogique pluridisciplinaire d’un système à LED. Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 38 2. Rappel sur l’éclairage La relation entre flux lumineux Φ (lumen) et l’intensité lumineuse (candela) correspond à l’équation suivante (1) : lumineuse solide(lumens ) intensité (Cd ).angle ( Stéradians )  Le Stéradian est une unité de mesure d'angle en 3 dimensions qui correspond à l’équation suivante avec θ correspondant à la moitié de l’angle de diffusion (valable pour les angles inférieurs à 50°): 1 Stéradian = 2.π.(1-cosθ) (2) L’éclairement sur une petite surface ronde correspond à l’équation suivante :  2 2 2 1  E(lux ) (Lumen ) / rayon rayon  (3) Par conséquent, Il suffit de projeter le flux lumineux sur un mur à une certaine distance pour déterminer l’angle et à partir de plusieurs mesures de l’éclairement sur le mur d’en déduire le nombre de lumen à partir de la surface éclairée [7]. L’éclairement pour un angle réduit et rond diminue en fonction du carré de la distance : 2 1 2 1 1 2 2   distance E (lux ) E ( distance ) distance (4) Par conséquent, l’éclairement peut aussi s’écrire de la façon suivante : 2   (ta (lumen ) E(lux ) n distance )   (5) Evidement si l’optique ou le phare ne projette pas le flux lumineux de façon concentrique (exemple en ellipse) les équations précédentes ne fonctionnent pas pour déterminer facilement le nombre de lumens émis par la LED. Lors d’une installation lumineuse, il faut faire une cartographie de l’éclairement avec les différentes réverbérations de l’éclairage indirect. De plus, En photométrie, on s'intéresse à l'énergie des radiations lumineuses en tenant compte de la sensibilité de l’œil. Celui-ci est sensible aux radiations de longueurs d'ondes comprises entre 400 nm (bleu) et 700 nm (rouge). Le flux énergétique de 1Watt à la longueur d’onde de 555 nm (vert jaune) est de 673 lumen/W. Par contre à 600 nm (orange), le flux perçu par l’oeil sera de 430lumen/W. Dans cet article, le spectre de la LED ne sera pas pris en compte. 3. Caractérisation de LED Une LED est caractérisée par sa tension de seuil, son courant maximal, son nombre de diodes en série (S) et en parallèle (P), sa puissance maximale, son angle d’émission, sa luminosité en lumens par watt, sa résistance thermique, son spectre, sa CCT Correlated Color Temperature (Blanc froid, neutre, ou chaud). Le tableau suivant compare différentes LEDs hautes puissances. Il existe énormément de copies en vente sur le net avec des datasheets ne correspondant pas à la réalité. Par conséquent, des essais doivent être effectués pour vérifier les performances des LEDs que l’on est susceptible d’acheter. Tableau 1 : caractéristiques de différentes LEDs Type de LED/ prix Config (S,P) Volt , A DimensionsRTH JC Flux lumin 10W 15 € 1S 0P 3.6V, 3A Ø13.9mm 2.5 °C/W 10W 15 € 3S 3P 10V, 1A Ø13.9mm 2.5 °C/W 800 Lm 10W 4 € 9S 0P 30V, 0.33A 20mm x 20mm 2.5 °C/W 1000 Lm 50W 25 € 10S 5P 34V,1.8A 44mm x 44mm 2 °C/W 4700 Lm 100W 35 € 10S 10P 34V,3.6A 35mm x 35mm 3°C/W 9000 Lm Pour avoir un flux lumineux important, les constructeurs ont fait des matrices de LEDs, très compactes. Cependant la puissance perdue doit être dissipée. A partir du modèle thermique, les équations de la température de jonction de la LED et la température du boitier sont les suivantes (6):     jonction Amb JC CH H.AmbT T ( RTH RTH RTH ) P H Amb H.AmbT T RTH P   Le schéma thermique de la LED en régime établi correspond au modèle suivant : Fig 1 : Modèle thermique d’une LED, température du dissipateur, et du capteur A partir de la courbe de puissance admissible par la LED en fonction de la température ambiante, de la figure suivante, Les valeurs de la température de jonction maximale et de la résistance thermique RTHJA peuvent être retrouvées. En effet en prenant 2 points (50W=(1.75A×28V), TAmb_max 60°C et 21W=(0.75A×28V), TAmb_max 120°C). Donc à partir de l’équation (6), une température de jonction maximale de 160°C et une RTHJA de 2°C/W du boitier de la LED sont confirmées. RTHJCTJ TAMB RTHCH TH Tsensor RTHHA dissipateur RTHHS RTHSA Puissance (W) Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 39 Fig 2: Courant disponible d’une LED en fonction de la température ambiante A partir de la puissance fournie à la LED et de la mesure de la température du refroidisseur, la température de jonction peut être estimée à partir de l’équation suivante :   jonction heat sink JCT T RTH P (7) La température est mesurée par un capteur linéaire LMx35 (boitier To92) qui fournit une tension de 10mV/°C. Il y a un décalage entre la mesure du capteur et la température réelle du boitier à cause de la résistance thermique du capteur ambiant RTHSensor-A 140°C/W et RTHHS 30°C/W. Le temps de réponse de ce capteur est de 2 min bien inférieur à celui du dissipateur de la LED. La température réelle du refroidisseur TH en fonction de la température du boitier capteur correspond à l’équation suivante (8): 1 RTH RTHHS HST (T ( ) T )heat sink sensor amb RTH RTHSA SA      Exemple : si la température mesurée est de 53°C avec une température ambiante de 20°C, alors la température du radiateur sera de 60°C. Si le boitier du capteur était un To220 alors RTHSensor-A serait de 90°C/W avec un temps de réponse de 3 minutes. Ce boitier permet de minimiser la résistance de contact à 4°C/W et d’avoir une mesure de température très proche de celle du dissipateur et donc de ne plus utiliser l’équation (8). Un thermomètre infrarouge permet de vérifier cette différence entre la mesure du capteur et celle du refroidisseur. Il est possible de mettre une ventilation forcée pour minimiser les dimensions et le poids du dissipateur. Cependant celui-ci engendre du bruit surtout s’il est rapide. Il est aussi possible d’utiliser un refroidisseur liquide [12] avec une ventilation à vitesse faible mais ceux-ci sont relativement chers par rapport à la LED. Ce type de dissipateur peut être récupérer d’anciens PCs. Exemple : le refroidisseur liquide H100i Corsair permet de dissiper 340 W avec une augmentation de la température de jonction de 25°C avec une pompe qui fait circuler le fluide de 6W. Très peu de fabricants donnent le rendement de leur LED alors que cela permettrait de connaitre correctement la puissance émise et la puissance perdue. Il faut donc souvent faire des essais, pour connaitre les limites extrêmes que peut supporter la LED. 3.1 Caractéristique de LED utilisée Dans l’exemple, nous allons prendre une LED de 50W [8]. Cette LED possède une optique avec un angle θ de 30° pour amplifier l’éclairement. L’optique doit pouvoir supporter la température de la LED, elle est donc souvent réalisée en céramique ou en verre. Le refroidisseur rond comporte un diamètre de 9 cm et une épaisseur de 3cm). La résistance thermique du dissipateur RTHCA est de 2.2°C/W. Une ventilation forcée à 7 pales tournant à 2800 tr/mn sous 12V et consommant 0.25A (3W) est utilisée. Sur la figure suivante, la température du dissipateur de la LED est mesurée en fonction du temps, sans la ventilation, puis avec la ventilation pour différents courants absorbées. Fig 3: Température d’une LED pour différents courants avec et sans refroidisseur à 2800 tr/mn (Tamb :18°C) A partir de la courbe précédente, on peut vérifier que la résistance thermique du dissipateur est bien de 2.2°C/W. Pour une puissance de 14W, la température en régime établi du boitier atteindrait 49°C et la température de jonction est estimée à 78°C. Puis, avec le refroidissement à flux forcé à 2800 tr/mn, la résistance thermique du dissipateur passe à 0.17°C/W et l’incrément de température du boitier de la LED est seulement de 2°C avec une constante de temps de 1.66 minutes. Par conséquent, lors de l’extinction de l’éclairage, il faut environ quelques minutes pour refroidir correctement la LED. Pour une température de jonction de sécurité maximale de 100°C, la température ambiante peut atteindre la valeur suivante avec une puissance absorbée de la LED de 50W : Amb J JC CA abs lu miT T ( RTH RTH ) ( P P )     (9) 1Amb J JC CA absT T ( RTH RTH ) P ( )      100 1 0 17 50 70 60AmbT C ( . ) ( W %) C        Convertisseur régulateur de LED blanche La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 40 Avec une ventilation à 1400 tr/min (5.1 V, 0.56 W), la température du boitier de LED est plus importante comme on peut l’observer sur la figure suivante : Fig 4: Température d’une LED pour différent courant avec son refroidisseur à 1400 tr/mn (Tamb :18°C) Avec le refroidissement à 1400tr/mn, la résistance thermique du dissipateur passe à RTHHA = 0.5°C/W avec RTHJH à 1.5°C/W. La constante de temps est à 2,33 minutes. Avec cette vitesse, la puissance dissipée devra être limitée suivant l’équation suivante : 1abs J JAP (T Tamb ) / RTH ( )     (10) 100 25 1 5 0 5 0 7 53absP ( C C ) / ( . . ) . W       Soit , correspondant au rendement de la LED et égal à 30%. Le problème de la ventilation forcée est le bruit qu’il génère. Plus, le ventilateur tourne vite et plus il y a du bruit. Par conséquent, avec un autre type de refroidisseur très encombrant mais sans ventilateur de dimensions 28x27x6 cm et de résistance thermique de 1,33°C/W, une puissance de 30 W absorbée par la LED avec une température ambiante de 20°C provoque une température de jonction de 120°C. 2 30 60 120jonction JCT RTH P Tc C C         Il existe de nombreux softs gratuits téléchargeables qui permettent de déterminer la température de jonction du semi-conducteur comme on peut l’observer sur la figure suivante. Pour utiliser cette application, il faut une certaine connaissance de thermie. Par conséquent, l’étudiant va devoir chercher dans l’aide des logiciels les informations nécessaires et va appréhender très rapidement les connaissances nécessaires pour savoir comment le calcul est réalisé. Dans ce cas et étant donné que la température de jonction maximale de destruction de la LED est de 160°C, la température ambiante ne devra pas excéder 60°C. Par conséquent, la puissance de 50W ne pourra pas être obtenue. La découverte des valeurs extrêmes d’une LED en fonction de la résistance thermique et de la ventilation provoquera la destruction de quelques LEDs. Les tests thermiques sont généralement destructifs. Une caractéristique importante de la LED est le flux qui diminue légèrement lorsque la température augmente comme on peut l’observer sur la figure suivante. Par conséquent, la ventilation forcée permet d’améliorer le rendement lumineux de la LED au détriment de la consommation par le ventilateur Fig 5: Android application « PCB thermal calculator » Fig 6: Performance relative du flux en lumens qui diminue en fonction de la température du boitier pour un courant de 1,7 A Sur la figure suivante, l’éclairement a été mesuré à 50 cm au luxmètre avec une échelle de 0.25. En effet, à partir des équations (4, 5), l’estimation du nombre du flux lumineux (vert pointillé) est comparée au flux donné par la documentation constructeur : 2 2 30 0 5(tan distance )(lm ) E(lux ) E (tan . )      

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Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 29 Régulation de température d’une cuve JM ROUSSEL, K.BOUDJELABA IUT de l’Indre, Département GEII, 2 avenue François Mitterrand 36000 CHATEAUROUX Courriel : jean-marc.roussel@univ-orleans.fr kamal.boudjelaba@univ-orleans.fr 1. Introduction Dans le cadre du module M3102 (asservissement et régulation) du semestre 3 du DUT GEII, une série de travaux pratiques doit être proposée aux étudiants. Afin d’être proche des applications industrielles, nous avons développé, dans le cadre de projets, une cuve régulée en température. Cette cuve est représentative d’un élément de chaîne de traitement de surface simulant le trempage de pièces. Au niveau pédagogique, cette maquette permet la réalisation de deux travaux pratiques : un premier sur l’identification d’un système évolutif et un second sur la régulation de température. Nous allons dans un premier temps, détailler le système développé. Dans un second temps, les résultats d’identification et de régulation obtenue seront présentés. 2. Présentation du procédé 2.1. Descriptif du système étudié La partie matérielle du système est composée d’une cuve en inox pouvant contenir 40 litres de liquide. La cuve est équipée d’une sonde Pt100 (permettant la mesure de la température), d’un thermoplongeur monophasé de 3 kW (afin de chauffer le liquide) et d’un circulateur de chauffage afin d’uniformiser la température du liquide. La figure 1 montre une photo du système, la figure 2 montre le schéma fonctionnel du système. La partie régulation est assurée par un régulateur UT55A de la société Yokogawa. Ce régulateur est entièrement configurable et permet de disposer d’une régulation PID (8 fonctions de régulation intégrées, 8 algorithmes de régulation intégrés), d’une régulation à séquence Ladder ou d’une régulation à logique floue. Une centrale de mesures permet de récupérer les relevés des différentes grandeurs via un réseau Ethernet. Cette centrale est également utilisée par d’autres maquettes de la salle. Figure 1 : Photo système de régulation de température La puissance de chauffe est apportée par le thermoplongeur commandé par un relais statique lui- même piloté par la sortie discontinue du régulateur. Le système complet a été conçu dans le cadre d’un projet étudiant de seconde année. La réalisation de la partie opérationnelle a été sous traitée. L’armoire électrique a été réalisée en interne par les étudiants. Le coût d’une telle maquette est 15 k€ euros auprès d’une société de matériel didactique alors que notre coût est de 6 k€ euros, soit un gain de 9 k€ euros ! 2.2. Modélisation du bain et de la cuve On souhaite disposer d’un modèle thermique simplifié. On exprime l’évolution de chaleur Q absorbée ou cédée par un corps de masse m dont la température évolue selon l’équation suivante : dQ= mCdq (1) Où m est la masse d’eau à chauffer en kg, C la chaleur massique de l’eau en J/Kg.°C (C = 4180 J /kg.°C pour l’eau) et  la température de l’eau. Résumé : L’article propose un système de régulation de température industriel basé sur l’utilisation d’une cuve inox calorifugée de 40 litres remplie d’eau (dont on cherche à maintenir la température) et d’un régulateur de la société Yokogawa. L’identification du système est réalisée en boucle ouverte suite à un échelon sous la forme d’un système évolutif. Deux correcteurs sont proposés et comparés par rapport à un échelon de température ou à l’ajout d’une perturbation. Mots clés : modélisation, régulateur PID, méthode de Ziegler Nichols Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 30 Figure 2 : Système de régulation de température La puissance à fournir pour augmenter la température de l’eau de la valeur d est : P= dQ dt = mC dq dt (2) On doit toutefois tenir compte des déperditions thermiques qui peuvent s’exprimer selon la loi de Fourier sous la forme : P= dQ dt = mC dq dt + KS q -q0( ) (3) Avec K coefficient faisant intervenir les coefficients de convection et conduction thermique, et S la surface d’échange en m2 . Afin de réaliser un procédé de type intégrateur, on dote la cuve d’une double paroi avec un isolant. Les déperditions thermiques peuvent être négligées. On conservera pour la suite de l’étude l’équation (2). L’équation qui régit alors le procédé en prenant la température ambiante comme origine et la puissance constante est la suivante : q(t) = P mC t +q0 (4) La montée en température est linéaire. C’est le cas d’un système parfaitement calorifugé mais aussi le cas des régimes adiabatiques (l’échange de chaleur avec le milieu ambiant n’a pas le temps de se faire). Il est à noter qu’il faut 2508 s ( 42 mn) pour atteindre une variation de température de 30°C pour 40 litres d’eau avec une puissance de chauffe de 3 kW. En passant dans le domaine de Laplace, l’équation (2) permet d’établir la fonction de transfert ci-dessous : Hbain_cuve (s) = P(s) q(s) Hbc (s) = 1 mCs (5) 2.3. Modélisation de la résistance de chauffe et du relais statique Une résistance électrique assure le chauffage à l’intérieur de la cuve, un relais statique permet de moduler la puissance dissipée dans l’eau. Le relais statique est un gradateur monophasé qui laisse passer la tension pendant un nombre entier de périodes p et il bloque ensuite la tension pendant p’ – p périodes cf figure (3). Les intervalles de conduction se répètent périodiquement. La période de conduction est égale ou supérieure à une période du réseau. La valeur efficace du courant est alors donnée par : I 2 = 1 2p p' i2 (q)dq 0 2p p ò I 2 = 1 2p p' V 2 R sinq æ è ç ö ø ÷ 2 dq 0 2p p ò (6) Soit son expression finale : I = V R p p' = V R a = Imax a (7) On appelle tc = Tc la durée de fermeture du relais statique. Tc étant la période des trains d’ondes envoyés à la résistance de chauffe.  égal à p/p’, appelé le rapport cyclique, varie entre 0 et 1. Sonde Pt100 - P(s) Correcteur Sortie PWM Température Bain + Consigne Température Résistance Yr(s) Régulateur YOKOGAWA Process Relais statique Régulation de température d’une cuve La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Hors Thème 31 Figure 3 : Tension aux bornes de la résistance de chauffe Si P est la puissance active fournie à la résistance chauffante et Pmax la puissance maximale fournie à celle-ci, donc quand le gradateur fonctionne pleine onde, soit pour  = 1, il vient : P= RI 2 = aPmax (8) La sortie du régulateur délivre une tension continue Uc grâce à laquelle le relais statique règle la valeur de tc et telle que : Uc = btc (9) L’expression de la fonction de transfert modélisant le relais statique monophasé en fonction de , Pmax et Tc est donnée par l’équation (8) : Hrelais_statique (s) = Hrs (s) = Pmax bTc (10) 2.4. Modélisation de la chaîne de retour La chaîne de retour est constituée d’un capteur et d’un transmetteur qui permet d’élaborer un signal image de la mesure. La mesure de la température s’effectue par une sonde PT100 qui est très utilisée dans l’industrie. La sonde PT100 utilise comme principe physique la variation de résistance du platine pur en fonction de la température. Sa plage d’utilisation est de – 260°C à 1400°C. La fonction de transfert de la chaîne de retour peut être mise sous la forme : Hcapteur _transmetteur = Hct (s) = Kct e -sLct (11) Avec Lct retard pur et Kct gain statique capteur- transmetteur. 2.5. Fonction de transfert en boucle ouverte La fonction de transfert en boucle ouverte non corrigée est le produit des fonctions de transfert. Hbo (s) = Hbc (s)Hrs (s)Hct (s) (12) 3. Identification La cuve est remplie de 40 litres d’eau à température ambiante. L’identification en boucle ouverte du système se fait à partir de la réponse temporelle avec une entrée échelon de 0 à 20%, la réponse du système est assimilable à un système intégrateur. Un système intégrateur est caractérisé par le fait que sa sortie augmente jusqu’à saturation, alors que l’entrée reste constante (figure 4). On constate que la réponse du système ne démarre pas en même temps que l’entrée, mais elle possède un retard. Figure 4 : Réponse indicielle en boucle ouverte avec en rouge l’entrée échelon et en bleu la température On retient alors deux modèles : celui proposé par Broïda ou Ziegler Nichols rappelé dans [1] Hbo = ke-sL s (13) et celui proposé par Strejc-Davoust Hbo = ke-sL s(1+ sT)n (14) Où k est le gain dynamique et L le temps mort. L’identification par le modèle de Broïda ou Ziegler Nichols consiste à tracer l’asymptote quand t . La pente de l’asymptote vaut K.y et elle coupe l’axe des abscisses à t = L. La recherche d’un modèle de Ziegler Nichols conduit alors à la fonction de transfert suivante :

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Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 21 Photodiode : caractérisation, modélisation et application Bernard JOURNET, Jean-Baptiste DESMOULINS, Stéphanie CASSAN, Nguyên CHI THANH Bernard.JOURNET@ens-cachan.fr ENS Cachan – Université Paris Saclay, 61 avenue du Président Wilson, 94230 Cachan Mots clés : photodiode, sensibilité, comportement dynamique, capacité de jonction, modélisation. 1. Introduction Le but de cet article est de présenter ce qu’il est possible de faire à partir d’un montage relativement simple en optoélectronique afin de montrer les propriétés d'une photodiode à la fois sous l'aspect dynamique et statique, et de présenter une application de ce montage à la transmission d'un signal audio. Le sujet d’étude est donc une photodiode PIN [1], de surface relativement grande et facile à mettre en œuvre compte tenu de sa connectique BNC. Pour « éclairer » cette photodiode nous utilisons des diodes électroluminescentes (DEL) de couleurs différentes mais de longueurs d’onde connues, montées dans un boitier lui-même relié à la maquette par un cordon multibrins. Ces DEL sont alimentées du point de vue électronique par une source de courant réglable finement. Un photomètre étalon permet de connaître la puissance optique reçue par la photodiode et donc en quelque sorte d'étalonner les sources lumineuses. Une étude dynamique est possible grâce à une entrée modulation sur la source de courant alimentant les DEL. Cela permet d’étudier le comportement fréquentiel d’un montage à amplificateur de transconductance et de mesurer des caractéristiques fines de la photodiode. Cette entrée permet aussi d'appliquer un signal audio à transmettre par le biais d'une porteuse optique. 2. Le système expérimental 2.1. Émetteur Le schéma du montage de l'émetteur est donné Figure 1. Figure1 Montage émetteur permettant de commander au choix une des diodes électroluminescentes. Le circuit électronique est une source de courant associant un amplificateur opérationnel (U1) à un transistor PNP (T1) qui fournit le courant aux DEL. L'amplificateur opérationnel (U2) réalise la somme entre la tension de référence 0V , réglable entre +5V et +10V par le potentiomètre de précision (P0), et une tension de modulation, notée Vmod . La tension V0 permet de régler le point de fonctionnement des DEL et donc côté récepteur celui de la photodiode. L'intensité du courant traversant une DEL est donnée par 0 11 R VV I C F   où . modVVV  01 2.2. Récepteur La photodiode est montée sur le banc optique ; elle est reliée par un cordon BNC au circuit électronique. Ce dernier peut consister soit en un montage photoconducteur (photodiode en série avec une résistance, ici de k30 ) soit à un amplificateur de transimpédance comprenant un amplificateur opérationnel et une résistance (ici aussi de k30 ). La tension polV réglable de 0 V à +15 V permet R0 = 200 Ω (1%) TrVC1 = 10 V Popt U1 P0 1 kΩ R1 = 15 kΩ Vmod V0 - + + - U2 R1 R1 R1 VC2 = 5 V VC1 = 10 V Rin = 51 Ω V2 V1 VF IF A Résumé : L'étude des photodiodes peut être abordée dans des enseignements sur les capteurs optiques, la conversion d'énergie, voire sous l'angle des télécommunications optiques. Les caractéristiques d'une photodiode sont d'ordre statique et dynamique, leur sensibilité étant le paramètre fondamental à mettre en évidence pour tous les domaines d'application. Les propriétés dynamiques vont concerner davantage les aspects de télécommunications ou d'instrumentation. Il y a moyen de trouver ici des expériences adaptables à tout niveau de l'enseignement supérieur voire de l'enseignement secondaire si l'on voulait bien considérer l'importance que revêt de nos jours l'optoélectronique. Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 22 d'ajuster la tension inverse aux bornes de de la photodiode (a) (b) Figure 2. Montages récepteurs : photodiode en mode photoconducteur à gauche (a) et associée à un amplificateur de transimpédance à droite (b). On dispose aussi d'un photorécepteur étalon Thorlabs PM100 que l'on peut monter à la place de la photodiode, sur le banc optique. Sur la Figure 2(b) on note la présence d'un condensateur Cr . Son rôle est d'assurer la stabilité du montage récepteur ce qui se justifierait ferait à partir du modèle qui sera introduit dans la partie 4. 2.3. Banc optique Le banc optique permet d'aligner le boitier contenant les DEL avec le photodétecteur employé, en assurant la focalisation par une lentille convergente (ici de focale égale à 30 mm). La toute première étape de l'étude expérimentale consiste donc en un réglage optique des composants sur le banc. Les critères de réglage sont d'assurer une transmission maximale de la puissance émise sur les photorécepteurs et une focalisation du faisceau optique de façon à ce que la taille du faisceau soit plus petite que le plus petit des deux détecteurs. Il faut en cours de manipulation cacher les éléments sur le banc de la lumière ambiante, en particulier de l'éclairage artificiel apportant une composante à assez importante (mais ce qui est aussi une source de questions). 3. Étude statique 3.1. Émetteur Les caractéristiques des émetteurs sont obtenues ici par méthode volt-ampère-métrique (montage "courte dérivation"). Les multimètres employés sont des modèles de précision. Figure 3. Caractéristique courant-tension des diodes électroluminescentes Sur cette figure on peut observer les tensions seuils des DEL, dépendant du semi-conducteur employé. Pour la LED rouge la tension seuil est d'environ 1,8 V ; pour la DEL bleue elle vaut environ 3,2 V et pour la verte 3,5 V. Ces tensions seuils très différentes de celle d'une diode de signal ou de redressement au silicium sont en général "troublantes" pour les étudiants, d'où l'intérêt de cette mesure ! Elles sont à relier au matériau semi-conducteur utilisé. La puissance optique est mesurée par le photomètre étalon. Cette mesure n'est pas celle de la puissance émise par la DEL mais celle qui sera reçue dans les mêmes conditions expérimentale par la photodiode étudiée. Les trois DEL étant montées sur une ligne verticale du boitier les contenants il faut refaire le réglage optique pour chaque DEL. Figure 4. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct IF dans la DEL Iph K A Popt Vpol Vm RT = 30 kΩ - + RT = 30 kΩ Vpol CT = 22pF Popt Vs Iph 43210 Tension (V) 25 20 15 10 5 0 Courant(mA) 'DEL rouge' 'IDEL verte' 'DEL bleue' 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Puissanceoptique(mW) 2520151050 Courant direct (mA) 'DEL rouge' 'DEL verte' 'DEL-bleue' Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 23 Sur cette figure on observe que le comportement puissance optique émise en fonction du courant direct dans la DEL est plus ou moins bien linéaire. Les données constructeurs font état pour ces DEL d'une puissance d'environ 1000 mcd pour un courant de 20 mA. Compte tenu de la sensibilité de l'œil cela entraine des puissances émises nettement plus fortes pour le rouge et le bleu correspondant à de faibles sensibilités de l'œil. Il est donc possible d'introduire ici l'unité candela, et la sensibilité de l'œil. 3.2. Récepteur Les mesures sont effectuées ici en plaçant un ampèremètre directement en série avec la photodiode, celle-ci étant polarisée sous une tension réglable. Figure 5. Puissance optique reçue au niveau des photodétecteurs en fonction du courant direct dans la DEL Les mesures du courant photonique en fonction de la tension de polarisation montrent une totale indépendance du courant vis-à-vis de la tension. D'après les résultats obtenus le comportement de la photodiode est bien linéaire pour chaque longueur d'onde utilisée ; les pentes des courbes donnent la sensibilité de la photodiode. Les résultats correspondants sont donnés dans le Tableau 1. λ (nm) 470 525 660 Sensibilité (A/W) 0,17 0,25 0,49 Table 1. : Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde La courbe correspondante est donnée Figure 6. La formule théorique de la sensibilité est la suivante  hc qe R [1]. La courbe expérimentale est à peu près linéaire, en accord avec la formule théorique (mais ici nous n'avons que trois points). Néanmoins cette fonction n'a pas une ordonnée à l'origine égale à zéro. La pente de cette courbe est de /nmA.W1074,1 13  . La sensibilité d'environ 0,5 A/W mesurée pour la longueur d'onde de 660 nm est d'un ordre de grandeur satisfaisant conduisant à une efficacité quantique de 0,93. Figure 6.Sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde 4. Étude dynamique L'étude dynamique peut être conduite avec les deux montages présentés au début (voir Figure 2). Le courant dans une DEL (le choix n'a pas vraiment d'importance ici) est modulé par la tension modV . On peut montrer au départ la modulation à très faible fréquence pour faire prendre conscience aux étudiants qu'il s'agit d'une modulation de l'intensité lumineuse. La porteuse est constituée du signal optique. 4.1. Montage transimpédance : réponse en fréquence La photodiode est associée à un amplificateur opérationnel et la conversion tension-courant est effectuée par la résistance  k30TR (voir Figure 2b). Figure 7. Photographie du montage lors du tracé des digrammes de Bode. Configuration avec Vpol = 11 V et IF=10mA . 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 Courantphotonique(mA) 3.02.52.01.51.00.50.0 Puissance optique reçue (mW) '470 nm' '660 nm' '525 nm' 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 Sensibilité(A/W) 700650600550500450 Longueur d'onde (nm) Sensibilité fit Sensibilité Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 24 Figure 8. Interface utilisateur pour le tracé des diagrammes de Bode On peut donc tracer, pour différentes valeurs de la tension de polarisation ( polV ) de la photodiode, le diagramme de Bode pour la fonction de transfert mod out V V H  . Le tracé des diagrammes de Bode a été automatisé grâce à un programme élaboré avec le logiciel Keysight-Vee. Une copie d'écran de l'interface utilisateur est fournie sur la figure suivante (Fig. 8), donnant une idée des possibilités offertes à l'utilisateur. Trois diagrammes obtenus pour des tensions de polarisation en inverse de 0,5 V, 2 V et 12 V sont donnés sur la Figure 9. On constate que la fonction de transfert H est du type passe-bas, présentant un phénomène de résonnance. De plus il y a une forte dépendance de cette fonction de transfert vis-à-vis de la tension polV : la fréquence de résonance et le facteur de surtension dépendent de la tension de polarisation. Compte tenu de l'aspect des courbes on peut imaginer que les fonctions de transfert puissent être modélisées par des fonctions du second ordre, du moins pour une certaine gamme de fréquences. D'après les courbes de phase l'ordre deux n'est pas suffisant au-delà de 400 kHz. 2 0 22 0 0 21 )(                                f f m f f H fH Pour mettre en œuvre cette modélisation nous avons utilisé le logiciel Igor. La Figure 10 présente aussi, en trait plein, les "fits" correspondant où l'on voit qu'ils donnent satisfaction jusqu'à environ 400 kHz. On obtient donc par ce "fit" le gain en basse fréquence, la fréquence propre et le coefficient d'amortissement (ou bien le facteur de qualité mQ 2/1 ). On peut conduire une étude plus détaillée vis-à-vis de l'influence de la tension de polarisation polV en faisant varier celle-ci de 0,25 V à 15 V, en enregistrant à chaque fois le diagramme de Bode puis en réalisant le fit par le logiciel Igor. Cela conduit à la courbe de la Figure 10, donnant les variations de la fréquence propre 0f et du coefficient d'amortissement m . Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 25 Figure 9. Fonction de transfert pour trois valeurs de Vpol qui est donc ici la tension de polarisation de la photodiode Figure 10. Fréquence propre et coefficient d'amortissement représentés en fonction de la tension de polarisation, en inverse, de la photodiode 4 3 2 1 0 Gain 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Gain Vpol=12 V fit_Gain Vpol=12 V Gain Vpol=2 V fit_GainVpol=2 V Gain Vpol=0,5 V fit_Gain Vpol=0,5 V -200 -100 0 100 Phase(degrés) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5 2 3 4 5 6 7 8 9 10 6 2 Fréquence (Hz) Phase Vpol=12 V Phase Vpol=2 V Phase Vpol=0,5 V 0.30 0.28 0.26 0.24 0.22 0.20 0.18 Coefficientd'amortissement,m 1412108642 Tension de polarisation (V) 280x10 3 260 240 220 200 180 160 Fréquencepropre,f0(Hz) m f0 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 26 Les deux courbes montrent des comportements tout-à-fait identiques à un coefficient multiplicateur près. Le modèle de la photodiode en régime dynamique, faisant intervenir la capacité de jonction, notée JC , de la photodiode (relativement grande pour une polarisation en inverse, d'autant plus ici que la photodiode choisie a un diamètre de 1 cm) associé à un modèle simple de l'amplificateur opérationnel prenant en compte une fonction de transfert du premier ordre et une capacité entre les deux entrées dites inverseuse et non-inverseuse (voir Figure 11) permet d'obtenir une fonction de transfert du second ordre pour le photodétecteur. En fait pour être plus précis il faut aussi tenir compte de la capacité équivalente du câble coaxial, notée cC , reliant la photodiode au montage électronique qui s'ajoute à la capacité d'entrée iC de l'amplificateur opérationnel JC et à (on note alors icJp CCCC  ). Figure 11. Modélisation de la photodiode associée à l'amplificateur de transconductance. On note ici A V s  et 1 0 1   j A A   avec comme ordres de grandeur 5 0 10A et 1 1 rad.s8,62   . Le calcul de la fonction de transfert, avec l'hypothèse conduit au résultat suivant.   2 10010 1 1     A CCR A CR A CRj R I V pTTpT TT T ph s           On obtient alors la fréquence propre et le coefficient d'amortissement  pTT CCR A f   10 0 2 1          010 0 1 . A CR A CRfm pT TT   Les variations du coefficient d'amortissement sont, selon la Figure 8, tout à fait similaires à celles de la fréquence propre, ce que l'on retrouve, compte tenu de ce que 1105 0 A , même si était une centaine de fois plus grand que TC ( pF22TC et pF50 cp CC ).        10 0 1 .   A CRfm TT 4.2. Montage photoconducteur Compte tenu de l'ensemble des capacités parasites présentes dans le montage de transconductance il est tentant d'étudier un montage plus simple, dans lequel on minimise les condensateurs. C'est celui de la Figure 2(a) où la photodiode débite directement dans une résistance de 30 kΩ. Dans ce cas, en négligeant le temps de réponse de la LED et du convertisseur tension/courant, le temps de réponse du système est égal au produit de la capacité de jonction de la photodiode par la résistance de mesure. Le défaut de ce circuit, est que la polarisation de la photodiode fluctue comme la tension aux bornes de la résistance de mesure. On fera donc en sorte de travailler avec une photodiode dont la tension aux bornes présente une composante continue suffisamment grande devant la fluctuation. On choisit une tension V5,90 V pour le convertisseur tension courant au niveau de l'émetteur, ce qui va permettre de travailler autour d’un éclairage moyen assez faible. Pour la tension de modulation on prend une tension carrée dont la valeur crête à crête provoque, en sortie, une fluctuation crête à crête de la tension aux bornes de la résistance de mesure de 60 mV. On est donc alors en mesure de dire que la tension aux bornes de la photodiode est pratiquement constante pour une polarisation inverse moyenne comprise entre 0,254 V et 10,25 V. Par ailleurs, la photodiode étant raccordée à la maquette par un câble coaxial, on fera en sorte de retirer 100pF de la valeur de capacité obtenue, afin de ne représenter que la capacité de la photodiode. En considérant le modèle de la jonction PN abrupte on peut chercher une expression du type 21 1 1 0 )( )( diode diodea VV C CVC   pour interpréter les mesures. Expérimentalement, on obtient la courbe suivante (Figure 12) pour la capacité de jonction et la fonction de "fit". La modélisation avec le logiciel Igor conduit aux valeurs suivantes, données en fonction d'un écart-type : pF12830 C pF327901 C et V06,058,01 V . Les écart-types fournis par le logiciel sont assez importants, le modèle obtenu n'est qu'une indication. On peut imaginer d'autres formes de Vs =A Iph IJ IT RT CT  - + PD AO Ii CJ CiCc Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 27 courbes qui cadreraient plus ou moins avec les points expérimentaux obtenus. Néanmoins l'ordre de grandeur de correspond assez bien à la capacité de 60 pF du cordon BNC de 60 cm de long utilisé pour raccorder la photodiode à la maquette. Cette capacité est associée à la capacité d'entrée de l'amplificateur, celle-ci serait donc d'environ 22 pF ce qui semble un peu surestimé. Mais compte tenu de l'incertitude sur la modélisation il est difficile de tirer des conclusions précises. La valeur de 1V représente un bon ordre de grandeur pour la tension biV d'une jonction PN à base de silicium. La capacité 1C dépendant elle du dopage des deux parties P et N, il est difficile d'estimer un ordre de grandeur. 5. Application : transmission d'un signal audio Sur l'entrée modV du circuit "émetteur" on peut brancher un lecteur de signal audio, lecteur de cassette d'autrefois, lecteur MP3 ou smartphone (attention selon le type de source choisie il peut y avoir des problèmes d'adaptation d'impédance). Le signal audio vient donc moduler la puissance optique émise par la DEL et la photodiode assure la démodulation. On constate ici la simplicité de la démodulation assurée par la seule photodiode. Un petit amplificateur branché à la sortie et débitant sur un haut-parleur permet alors d'écouter le message transmis. La Figure 13 permet de comparer le signal audio en entrée du circuit émetteur et le signal audio en sortie de l'amplificateur de transimpédance. Les signaux sont tout à fait similaires, on dénote un très léger filtrage du bruit sur le signal démodulé. Figure 13. Copie d'écran montrant une acquisition du signal audio en entrée (voie 1) et en sortie (voie 2). La voie 2 est en mode AC pour ne voir que le signal démodulé et son amplification verti-cale a été ajustée pour arriver à des signaux de même amplitude sur l'écran de l'oscilloscope Figure 12. Détermination de la capacité de jonction de la photodiode ne fonction de la tension inverse à ses bornes. 1.0x10 -3 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Capacité(µF) 1086420 Tension inverse aux bornes de la photodiode (V) Coefficient values ± one standard deviation C0 =8.254e-005 ± 1.2e-005 C1 =0.00078674 ± 3.19e-005 V1 =0.57857 ± 0.0554 Photodiode : caractérisation, modélisation et application La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 28 On peut changer de couleur de DEL pour montrer que la transmission ne dépend pas de la longueur d'onde (mais selon la puissance émise par la DEL le niveau sonore peut varier). En coupant le faisceau lumineux la transmission du signal sonore est stoppée, ce qui est bien explicite pour les étudiants. Il est relativement facile, à ce stade, d'introduire auprès des étudiants les notions de fibre optique, de multiplexage en longueur d'onde et plus généralement de transmissions optiques. 6. Conclusion Nous avons présenté ici un ensemble de manipulations autour de l'utilisation de composants optoélectroniques, la photodiode étant l'élément central. Outre l'étude statique des émetteurs de lumière et de la photodiode, il a été présenté une étude dynamique dont les résultats sont explicables par une bonne modélisation des éléments du système ici la photodiode et l'amplificateur opérationnel utilisé avec le récepteur. Un circuit plus simple, mais moins facile à utiliser permet de mettre finement en évidence la dépendance de la capacité de jonction de la photodiode vis-à-vis de la tension de polarisation en inverse : on "vit en direct" la variation de l'épaisseur de la zone de charge d'espace au niveau de la jonction PN ! Globalement les mesures faites en régime dynamique sont en accord avec des modélisations classiques des différents composants. Une étude possible à proposer aux étudiants après avoir fait cette manipulation de façon complète concernerait la stabilité du montage à transimpédance et donc la justification du rôle de la capacité TC dans le montage. 7. Bibliographie [1] E. Rosencher, B. Vinter, Optoélectronique, Dunod, 2ème Édition, 2002. [2] H. Mathieu, H. Fanet, Physique des semiconducteurs et des composants électroniques, Dunod, 6ème Édition, 2009.

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Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 14 Les fibres optiques dans l’automobile Jean-Michel MUR Président d’honneur du Club fibres optiques & réseaux Société française d’optique Jm.mur@orange.fr Proche de nous mais déjà loin le temps où le premier réseau en fibre optique en plastique prenait place dans nos automobiles. C’était en 1998, via le réseau D2B (domestic dual bus) qui a équipé nombre de véhicules luxueux avec le constructeur pionnier Mercedes suivi par Jaguar, Peugeot 604, etc. Ce réseau largement installé est désormais obsolète. L’aventure a connu, en 2001, byteflight, le réseau exclusif de BMW, créé en partenariat avec Motorola et Infineon. Byteflight, qui a commencé par équiper les BMW Série 7, a tiré sa révérence, lui aussi. Dans le même temps, sont arrivés les premiers réseaux MOST 25 (media oriented systems transport) à 25 Mbit/s. Puis l’industrie automobile a installé les MOST 50 à 50 Mbit/s et, en parallèle, l’IDB-1394 (intelligent transportation system data bus) qui, via le port Customer convenience port (CCP), est la version pour l’automobile du standard 1394 de l’association américaine IEEE. Plusieurs amendements plus tard sur ce standard, en 2008, a été avalisée la nouvelle version « 1394-2008 - IEEE Standard for a High-Performance Serial Bus ». Et les évolutions s’ensuivirent… 1. De nos jours, quels protocoles ? Trois protocoles principaux sont présents sur ce marché : le MOST 150, l’IDB-1394 et Ethernet ; le leader étant MOST avec plus de 200 modèles d’automobiles différents et plus de 200 millions de nœuds livrés depuis 2001. En 2012, est arrivée la version MOST 150 qui doit son nom à son débit de transmission de 150 Mbit/s. C’est l’évolution des premiers réseaux en anneau MOST 25 puis MOST 50, avec deux apports clés : un canal pour Ethernet et la montée en débits. MOST 150 intègre un canal Ethernet avec une largeur de bande variable – MOST Ethernet Packet (MEP) – pour supporter les trames Ethernet en sus des trois canaux classiques pour le contrôle des messages, les données en flux continu et les données en paquets. La demande de débits de plus en plus élevé provient de l’inflation des applications dont celles en vidéo avec multi-écrans qui sont très gourmandes en bande passante. Cette montée en débits semble un point positif pour le MOST 150. En fait, c’est une course pour rattraper les 200 à 800 Mbit/s de l’IDB-1394 – avec un maximum futur de 3,2 Gbit/s – et la montée du 100 Mbit/s de l’Ethernet vers l’attendu 1 Gbit/s du Gigabit Ethernet (GbE). Un point noir supplémentaire pour le MOST 150, la nécessité de faire appel à des Codec – et aux coûts associés – pour la compression et décompression des informations multimédia. Pour les réseaux IDB-1394, l’automobile n’est qu’un des marchés couverts car on rencontre IEEE 1394 aussi en audio-vidéo, avionique, défense, capteurs… à un point tel qu’en octobre 2015, le groupement d’industriels intitulé 1394 Trade Association a été dissous en estimant que les marchés et le protocole étaient devenus matures. IDB-1394 a comme principales caractéristiques la transmission des données dans les modes asynchrone et isochrone, soit en temps réel, sur des bus en transmission parallèle à 32 ou 64 bits ; les débits, du simple 100 Mbit/s au très haut débit de 3,2 Gbit/s ; le support physique qui peut être en paires torsadées blindées (shielded twisted pair – STP), en quatre paires (shieldedt wisted quad – STQ), en coaxial en cuivre ou en fibre optique en plastique ou en silice. Ce protocole gère, bien évidemment, la notion de multiples canaux de transmission et de multi-utilisateurs, le tout en simultané sur le même bus ou sur une topologie en arbre, en étoile ou en anneau. À noter, que cette norme IEEE 1394-2008 devrait évoluer en 2016. Quant à la pieuvre Ethernet, avec ses ramifications dans tous les types de réseaux, elle se devait de se créer une place dans l’automobile. Le démarrage a été poussif et peu de constructeurs sont friands de ce protocole pour trois raisons : le débit limité à 100 Mbit/s, le câblage en paires torsadées catégorie 5, lourd et onéreux, et la qualité de service (QoS), autre point noir car nécessitant du logiciel et des mémoires- tampons supplémentaires. Après diverses remises en question, certains annoncent qu’il se pourrait que l’année 2016 soit celle où « Automotive Ethernet » puisse prendre la forme d’une dorsale pour les réseaux des véhicules grâce à l’arrivée du 1 GbE sur une simple paire torsadée. D’autres experts sont dubitatifs pour deux raisons : la norme définissant le GbE sur fibre optique plastique est en cours de développement par le groupe de travail IEEE P802.3bv « Gigabit Ethernet over plastic optical fiber tasktorce », elle n’est attendue Résumé : Présente dans nos véhicules depuis une bonne quinzaine d’années, la fibre optique en plastique puis en silice tisse ses réseaux. Protocoles, applications et produits, où en sommes-nous aujourd’hui ? Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 15 que pour le premier trimestre 2017 et, par ailleurs, lors de la 16e conférence de connexité MOST en Asie, en novembre 2015, deux annonces clés ont porté sur Linux et le 1 Gbit/s pour MOST. Côté Linux, il a été présenté le fait que le noyau Linux principal intégrera un pilote Linux MOST pour accéder à toutes les données de MOST et prendre en charge les interfaces USB, Media LB et I2C, ALSA (audio), V4L2 (vidéo) et la communication basée sur IP, protocole Internet cf. fig.1 Pour les industriels impliqués dans le MOST, c’est d’autant plus important que le cabinet d’études de marché IHS prévoit que d’ici 2020, la plateforme Open source Linux, avec plus de 40% de part de marché, dominera le marché de l’info-divertissement embarqué, d’où un plan de développement ambitieux cf. fig.2. Fig.1 : Architecture des pilotes Linux (Source : Microchip) Fig.2 : Plan de développement de Linux pour l’automobile (Source : Linux Foundation) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 16 2. Pour quelles applications ? Le vocable associé au mariage fibre optique plastique – automobile est « Technologie multimédia » soit, plus largement, tous les équipements et systèmes qui touchent à l’aide à la conduite, aux diagnostics, à la communication interne au véhicule ou avec l’extérieur ainsi que pour le domaine des loisirs. Sans être exhaustif, on y trouve aussi bien les équipements audio de radio ou CD et haut-parleurs surdimensionnés, lecteurs MP3, équipements vidéo de TV ou DVD avec écrans incorporés aux sièges, de radiotéléphonie GSM, de systèmes de positionnement GPS et de navigation avec voix et images animées, d’aide à la vision avec les radars et caméras de recul, de stockage de données avec la connectique pour les clés USB, d’applications Bluetooth et bien d’autres comme la connexion à Internet. À noter que le standard IEEE 1394:2008 a prévu la protection des contenus transitant par le réseau et des supports type DVD (digital transmission content protection – DTCP). En MOST 150, cette fonctionnalité est complétée, depuis octobre 2015, par la protection supplémentaire apportée par la norme CI+. En américain, l’ensemble du réseau, des équipements et des fonctions est regroupé sous les deux quasi-synonymes in-car entertainement (ICE) ou in-vehicle infotainment(IVI) et, plus globalement, sous le nom in-vehicle network (IVN) faisant ainsi le parallèle avec ce qui se passe dans le domaine de l’aviation commerciale avec in-flight network (IFN) et ses déclinaisons pour le personnel navigant et pour les passagers. Fujitsu va plus loin en considérant le véhicule comme un des éléments du système global d’information cf. fig.3. Fig.3 : Système de transport intelligent (intelligent transport system – ITS) vu par Fujitsu (Source : Fujitsu) 3. Et le cloud ? L’informatique en nuage ou du moins le stockage de données et leurs accès intéressent fortement les constructeurs automobiles mais aussi leurs sous- traitants. Ainsi, l’équipementier Robert Bosch, qui propose déjà aux industriels des offres comme les services eCall ou conciergerie, a annoncé, fin 2015, la mise à disposition de services pour les automobiles connectées tels que les informations, en temps réel, sur les conditions de circulation, le trafic automobile, les conditions climatiques, etc. Il prend exemple sur son concurrent Continental qui a l’offre e-Horizon (electronic horizon) construite en collaboration avec IBM et Cisco cf. fig.4 ou sur l’offre de Delphi qui propose l’application Delphi Connect en s’appuyant sur Azure, la plateforme cloud de Microsoft. Bosch irait même jusqu’à indiquer la localisation exacte de bornes de recharges de véhicules électriques en fonction du niveau de la batterie. Il propose deux modes d’accès pour connecter le véhicule au nuage : le premier, c’est l’intégration de la solution My Spin, qui utilise le smartphone comme pilote, aussi bien sous Apple iOS que sous Android, et qui permet Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 17 aux applications installées sur le téléphone d’être actives sur la console centrale ; le second, c’est l’établissement d’une liaison entre la voiture et le cyberespace via le Connectivity control unit (CCU) de Bosch, un équipement qui contient un module de radiocommunications et qui requiert une carte SIM. 4. Avec quels produits ? Côté support physique, la fibre optique s’implante de plus en plus au détriment des câbles en cuivre grâce à ses qualités intrinsèques : aucun risque d’interférence électromagnétique et insensibilité aux perturbations électromagnétiques, ainsi un cheminement parallèle aux câbles électriques ou proche des moteurs électriques (sièges, vitres, rétroviseurs…) est possible et il n’y a pas cette contrainte pour la conception des faisceaux de câbles ; poids plus faible, environ neuf grammes par mètre contre soixante-dix pour le cuivre ; souplesse d’installation car le diamètre du câble est inférieur à trois millimètres ; débits de transmission plus élevés allant à 1 Gbit/s voire à plus de 3 Gbit/s ; large gamme d’émetteurs-récepteurs, etc. Dès l’origine, la seule fibre optique qui était installée dans l’automobile était une fibre en plastique standard, avec un cœur en PMMA (poly méthacrylate de méthyle) de 970 microns de diamètre et une gaine d’un millimètre (fibre 970/1000) en polymère. Elle est résistante jusqu’à 95 °C, a un affaiblissement linéique d’environ 0,2 dB par mètre lors de transmissions à 650 nanomètres et un rayon de courbure de l’ordre de quinze millimètres. Mais, les fibres optiques en silice unimodales ou multimodales ont leurs supporteurs. Ainsi, en janvier 2009, la norme IEEE 1394 a été complétée par les spécifications pour la fibre optique unimodale en silice, document intitulé « IEEE 1394 Single-mode Fiber PMD Specification », pour des transmissions à 1 500 nanomètres et un affaiblissement linéique maximum de 0,35 dB/km. Et, depuis juin 2011, la révision 1.0 de la norme IEEE 1394:2008 intitulée « 1394 Automotive Glass Fiber Specification (Supplement to IDB-1394) » considère deux types de fibres optiques multimodales en silice : la fibre multimodale à gradient d’indice de 50 microns de diamètre de cœur et 125 microns de diamètre de gaine, fibre 50/125 bien connue dans les réseaux locaux d’entreprise, et la fibre construite avec une gaine en polymère renforcé (hard polymer cladding silicafiber – HPCF) à saut d’indice qui a un cœur de 200 microns de diamètre et une gaine de 230 microns (HPCF 200/230). Les deux doivent respecter la plage de températures de -40 °C à +105 °C et, pour les transmissions à 850 nanomètres, avoir un affaiblissement linéique maximum de 10dB/km pour la fibre 50/125 et 20 dB/km pour la fibre 200/230. Fig.4 : Les quatre couches de l’application e-Horizon (Source : Continental) Fig.5 : Barrières technologiques de la fibre en plastique et des diodes à 650 nm (Source : JM. Mur) Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 18 Même tendance pour les réseaux MOST car les industriels travaillent sur le saut des débits au-dessus du 1 Gbit/s. Là, les diodes électroluminescentes et la fibre en plastique à saut d’indice devront laisser leur place aux lasers VCSEL et aux fibres en silice à gradient d’indice. C’est, entre autres, le point de vue des équipementiers qui travaillent sur les liaisons optiques pour la future montée du MOST vers le 5 Gbit/s cf. fig.5. 5. Câbles de fibres optiques Dans ce domaine des réseaux internes aux véhicules, les câbles sont de deux types : d’une part, ceux qui ne contiennent qu’une ou deux fibres optiques et sont relativement simples à fabriquer et, d’autre part, ceux qui transportent les fibres et l’alimentation électrique pour les équipements desservis. Cependant, la difficulté consiste à concevoir la composition des enveloppes car les fabricants doivent faire face à beaucoup plus de contraintes que pour les réseaux locaux. En effet, la barrière qu’ils constituent, entre les fibres et l’environnement, doit résister à la fois à des contraintes physiques et à des attaques de fluides. Les contraintes physiques sont dues aux tensions venant des courbures, torsions, compressions, étirements, trépidations… Les attaques des fluides proviennent des fluides propres au véhicule – essence, diesel, acide des batteries, glycol, liquide de freins, etc. – et à ceux apportés par les passagers comme les détachants de sièges ou de plastiques divers, les boissons café, coca, alcool… Et tout cela, sans oublier de prévoir une forte résistance à l’humidité et aux sels de déneigement. 6. Connectique optique La connectique optique constituée de fiches optiques, raccords, traversées de cloisons, embases… se compose de deux grandes familles : la connectique classique des applications des fibres optiques et la connectique assurant à la fois les liaisons optiques et des liaisons électriques cf. fig.6 et fig.7. Fig.6 : Connectique automobile pour deux fibres en plastique (Source : TE Connectivity) Côté fibre optique plastique et IEEE 1394, la connectique est définie dans le document « PMD for FiberOptic Wake-on-LAN » Fig.7 : Connectique automobile pour quatre fibres en plastique et quarante contacts électriques (Source : TE Connectivity) de juillet 2006. Il y est précisé, annexe C, que pour distinguer les séquences d’assemblage des câbles dans le véhicule, quatre différentes clés de détrompage ont été définies pour les fibres en plastique. Chaque clé est identifiée par une couleur : blanc, noir, gris et marron. Quant aux fibres en silice, l’IEEE 1394 préconise le double LC. Pour prévenir les conséquences d’une inadvertance de connexion entre les types de fibres, il sera utilisé la couleur bleue pour les fibres unimodales et la couleur noire pour les multimodales cf. fig.8. Fig.8 : Connectique pour fibre optique du réseau IEEE 1394 (Source : Molex) Quant à la connectique du futur, un aperçu de ce qui pourrait s’écrire MOST à 5 Gbit/s, a été présenté par TE Connectivity en novembre 2015 à Tokyo cf. fig.9. Pour les liens, les tests et mesures sont effectués par des équipements tels des testeurs dotés d’une source lumineuse et d’un puissance-mètre cf. fig.10. Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 19 Fig.9 : Aperçu de la connectique optique pour le futur MOST à 5 Gbit/s (Source : TE Connectivity) Fig.10 : Appareil de test pour les liens en fibre optique en plastique (Source : Comoss) 7. Composants actifs Pour les composants actifs, comme dans tous les autres domaines de la photonique, la tendance est à l’intégration de plus en plus poussée. Parmi ceux-ci, on trouve les émetteurs-récepteurs pour fibres optiques (fibe roptic transceivers– FOT) qui, comme pour les câbles à fibres optiques, doivent avoir des caractéristiques physiques leur permettant d’être opérationnels dans des environnements difficiles. Avec le support fibres optiques en plastique, la transmission des signaux se fait sur des distances très courtes, via une diode électroluminescente (DEL) à 650 nanomètres, la réception se fait via une photodiode PIN cf. fig.11. Fig.11 : Exemple d’émetteur et récepteur pour fibre optique en plastique (Source : Hamamatsu) La prochaine arrivée des débits supérieurs à 1 Gbit/s verra l’émergence des FOT à base de VCSEL travaillant à 850 nanomètres sur les fibres en silice et de photodiodes à sensibilité améliorée. Présents également, des composants divers tels des contrôleurs d’interfaces avec le réseau, des codecs vidéo pour les caméras embarquées, des processeurs pour la protection DTCP, etc. L’intégration se fait aussi au niveau des sociétés puisque, le 4 décembre 2015, Avago Technologies est devenu propriétaires des actifs du domaine d’activité fibre optique en plastique dont les cordons optiques actifs, les convertisseurs, etc. de l’américaine Electronic Links International, Inc. Bien évidemment, le marché de la fibre optique dans l’automobile se développe pour d’autres véhicules tels les autocars et les camions cf. fig.12. Enfin, en attendant un avenir de la voiture sans conducteur, vous pourrez être informés sur les domaines audio-vidéo- Les fibres optiques dans l’automobile La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 20 télématique-navigation-etc. lors d’événements spécialisés comme la réunion AGL All members meeting, prévue les 7 et 8 septembre à Munich, la 9eme Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède), la 19eme International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016.Bonnes découvertes et bonne route… Fig.12 : La fibre optique dans les autocars (Source : KDPOF) Pour en savoir plus… http://automotivelinux.org Pour tout savoir sur la présence de Linux dans le domaine automobile à travers Automotive Grade Linux(AGL), ensemble de solutions logicielles pour les systèmes in-vehicle infotainement (IVI) et leur prochain événement : AGL All members meeting, les 7 et 8 septembre 2016 à Munich. www.autosar.org Site d’Automotive open system architecture (AUTOSAR), groupement d’industriels œuvrant au niveau mondial pour le développement de protocoles, produits et systèmes compatibles pour l’automobile et leur prochain événement : 9e Autosar open conference programmée les 27 et 28 septembre 2016 à Göteborg (Suède). www.ieee802.org/3/bv/ Site du groupe de travail sur le projet de norme P802.3bv concernant le Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique. http://sites.ieee.org/itss/ Site de l’IEEE spécialisé dans les systèmes de transport intelligent (intelligent transport systems society – ITSS) ; infos sur le congrès19th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC 2016) qui se tiendra à Rio de Janeiro du 1er au 4 novembre 2016. https://www.jaspar.jp/english/index_e.php Site de l’association d’industriels japonais concernés par le développement des applications dans les véhicules : Japan automotive software platform and architecture (JASPAR). www.mostcooperation.com/ Pour tout savoir sur la technologie Most (media oriented systems transport), les principaux acteurs impliqués dans le développement, pour télécharger les spécifications Most. www.opensig.org/ Site de l’OPEN alliance (one-pair EtherNet alliance) qui a été créée pour le développement d’Ethernet sur paire torsadée en cuivre dans l’automobile et qui, désormais, milite pour la fibre optique en plastique. www.opensig.org/tech-committees/tc7/ Comité technique n°7 de l’OPEN alliance qui est dédié au développement du Gigabit Ethernet sur fibre optique en plastique dans l’automobile. www.pofto.org/home/ Site de l’association d’industriels POFTO (plastic optical fiber trade organization) entièrement dédié aux fibres optiques en plastique (FOP). Pour télécharger des documents et articles de vulgarisation et trouver des liens vers les conférences ou expositions professionnelles dédiées aux FOP.

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Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation La Revue 3EI n°85 Juillet 2016 Thème 8 Les fibres optiques en capteurs et en instrumentation Pierre LECOY, Professeur à Centrale Supélec, chercheur au laboratoire ETIS (CNRS UMR 8051, ENSEA/Université de CERGY-PONTOISE) Président du club « fibres optiques et réseaux » de la Société Française d’Optique http://www.sfoptique.org/pages/les-clubs-sfo/club-fibres-optiques-et-reseaux/ 1. Introduction Maîtrisées industriellement dès la fin des années 1970, les fibres optiques ont connu un développement spectaculaire en télécommunications et dans les réseaux, depuis les réseaux locaux et embarqués (voir l’article de Jean-Michel Mur sur les fibres optiques dans l’automobile) jusqu’aux réseaux longues distances et intercontinentaux, en passant par toutes les variantes du FTTx (fiber to the … home, building, office, etc… ). Au cœur de l’explosion d’Internet et de l’accès de plusieurs milliards d’êtres humains aux échanges numériques, y compris à travers les réseaux de mobiles dont elles constituent l’infrastructure fixe, les fibres optiques apportent leur contribution à la green IT grâce à une meilleure efficacité énergétique et à l’utilisation de matériaux disponibles et peu polluants. Mais la disponibilité à faible coût des technologies fibres optiques (et des composants associés) grâce au secteur des télécom