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Commission Paritaire 1217 G 78028. ISSN 1252-770X

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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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Numéro 85 complet

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

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

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 de 10 à 100W

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 (exemple  du challenge SUNTRIP)

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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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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Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 22 ALIMENTATIONS DES VARIATEURS DE VITESSE PAR BUS A COURANT CONTINU FRANCK LE GALL Lycée Jules Ferry Versailles 1. Introduction La solution la plus courante pour alimenter les variateurs de vitesses des machines alternatives consiste à utiliser un onduleur triphasé alimenté sous une tension continue (figure 1). Figure 1 : Structure de base d'un variateur Lorsque, dans de nombreuses applications industrielles (papeterie, fonderie ...), il est nécessaire d'utiliser une série de variateurs, il est alors souvent économique de connecter ces variateurs en parallèle sur la même source de tension qui est alors appelée "bus continu ou bus DC" (figure 2). Figure 2 : Bus DC alimentant plusieurs variateurs A titre d'exemple, des architectures constituées d'une vingtaine de variateurs alimentés sur le même Bus DC sont classiques dans les process de métallurgie ou des industries papetières. Les bus DC dépassent alors la centaine de mètres. Outre le gain financier évident lié au partage du même bus DC, cette structure est aussi très intéressante pour faciliter la sauvegarde en cas de défaillance du réseau. Un Bus continu secouru par des batteries permet d'éviter les problèmes d'interruption de production comportant des engagements de matière et des conditions de redémarrages complexes (exemple de tôles dans les lignes de parachèvement). Par ailleurs, il est important de veiller à ce que d'une part, les variateurs polluent le moins possible le réseau triphasé d'alimentation du bus continu tant du point de vue des fluctuations de puissance réactive que des harmoniques, et que d'autre part, les variations dans l'amplitude de tensions du réseau ne génèrent pas d'instabilités sur le bus DC. Enfin il faut que la tension du bus DC reste constante alors que la puissance active absorbée par les machines reste elle aussi constante. Cette double contrainte implique l'existence d'une résistance dynamique négative dont il faudra analyser les implications. 2. Structures d'alimentation du bus DC Partant d'un réseau triphasé, plusieurs solutions peuvent être envisagées pour alimenter le bus continu. On peut les classer en deux grandes catégories ; les sources non régulées à base de ponts de diodes et les sources régulées à base de composants de puissance commandables (thyristors ou transistors). 2.1. Ponts de diodes Le pont de diodes PD3 peut être utilement intégré dans une structure dodécaphasées pour annuler les harmoniques de rangs 5 et 7 en amont du transformateur (figure 3). Résumé : Dans les installations industrielles dont les procédés nécessitent l'utilisation de nombreux variateurs de vitesse, il est souvent économiquement pertinent de connecter ces convertisseurs sur un même bus continu. Il faut alors se poser des questions sur le dimensionnement du bus continu afin d'assurer sa stabilité et de limiter les perturbations sur le réseau. MEd Id MEd Id MEd MEd Id ALIMENTATION M2M1M3M4M5 ALIMENTATION M2 M1 M3 M4 M5 ALIMENTATION M2M1M3M4M5 ALIMENTATION M2 M1 M3 M4 M5 Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 23 Figure 3 : Structure dodécaphasée à diodes Cette structure est classique. Elle permet pour un faible coût d'obtenir un bus continu comportant de faibles ondulations et dont les pollutions harmoniques sur le réseau triphasé n'apparaissent qu'à partir du rang 11. En revanche, le bus continu ne peut être contrôlé. 2.2. Ponts tous thyristors Pour limiter les pollutions harmoniques sur le réseau alternatif, il est judicieux de conserver la structure dodécaphasée précédente. Par ailleurs, la tension de sortie du redresseur devant être constante, il faut porter un soin tout particulier au dimensionnement (choix d’un angle  de commande des thyristors, faible et dont la variation doit être liée aux variations de tension du réseau alternatif) pour limiter la demande en puissance réactive. Figure 4 : Structure à thyristors Si le procédé nécessite une gestion de la réversibilité énergétique, deux cas se présentent :  Les freinages sont exceptionnels. Il suffit alors d'ajouter de disposer sur le bus une résistance de dissipation enclenchable, statiquement ou par contacteur, en cas de surtension.  Les freinages sont répétitifs. Une alimentation réversible est alors nécessaire. La solution la moins contraignante, en terme de puissance réactive et de pollution harmonique est l’utilisation d’un redresseur actif ou « active front end ». 2.3. Redresseurs MLI La troisième structure envisageable est constituée d'un redresseur à Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI). Ce type de convertisseur est particulièrement bien adapté à l’alimentation des bus à courant continu car il est réversible en courant, il génère peu ou pas de courants harmoniques dans les basses fréquences, il consomme peu ou pas de puissance réactive sur le réseau. Figure 5 : Structure à redresseurs MLI En revanche, cette structure est plus couteuse et plus complexe à mettre en œuvre que les précédentes. 3. Existence des instabilités Le Bus DC en aval des structures de redressement étant constitué d’éléments L et C (figure 6). Quelque soit la structure choisie pour l'alimentation du bus DC, il existe un risque d’instabilité qui amplifierait d'éventuelles petites variations de la tension alternative, donc de la tension Ed0. Figure 6 : constituant LC du bus DC  C : somme des condensateurs présents sur le bus  R : résistance équivalente à l'ensemble des charges sur le bus Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 24  r : résistance due à la commutation des diodes  L : inductance totale correspondant aux 4 inductances des secondaires des transformateurs parcourues à un instant t (l'inductance du réseau est négligée). Il est primordial de connaître la fonction de transfert de cette structure pour dimensionner les composants afin d'éviter ces instabilités. Le calcul de la fonction de transfert U/Ed0 donne :  Pulsation propre :

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Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique

Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 31 Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique Arnaud Sivert1 , Franck Betin1 , Bruno Vacossin1 , M.Bosson, Thierry Lequeu2 : arnaud.sivert@u-picaride.fr (1) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS (1) 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. 1. INTRODUCTION Les véhicules électriques deviennent des nouveaux acteurs du transport. La jauge d’autonomie restante est problématique lors de longs trajets inhabituels pour lesquels la consommation énergique peut aller jusqu’à 80% de la capacité de la batterie. L’utilisateur ne sait pas s’il va rester assez d’énergie ou s’il va devoir prévoir un arrêt pour recharger. Cette anxiété peut être modérée par une infrastructure de recharge en développement [1]. Cependant, la présence de ces bornes ne minimisera pas le temps de la recharge qui peut agacer l’utilisateur. De nombreuses publications ont été faites avec des méthodes plus ou moins élaborées pour connaitre l’état de santé de la batterie (SOH : state of health) et l’état de charge (SOC : state of charge) en fonction de sa technologie [2] [3] or ces données ne sont pas utilisables par un non-expert qui aimerait juste connaitre la distance que le véhicule peut encore parcourir sans problème. L’autonomie va dépendre de l’utilisation, donc du parcours : des nombres d’accélération, de la vitesse de pointe, de la somme des dénivelés positifs et négatifs, du type de route (granuleuse ou lisse), de la circulation. A cela s’ajoute aussi des conditions d’utilisation des accessoires comme le chauffage, la climatisation, l’éclairage, l’autoradio ... En conséquence, dans cet article, nous allons répondre aux questions suivantes : - Comment peut être établi l’état de santé de la batterie ? - Comment peut-on faire le diagnostic de l’accumulateur sans appareillage spécial ? - Comment peut-on estimer la durée de vie et la fiabilité de la batterie ? - Quelle stratégie de gestion peut-on adopter pour prolonger la durée de vie des batteries ? - Quelles sont les stratégies pour connaitre l’estimation de l’autonomie restante et ne pas provoquer l’anxiété de l’utilisateur ? Evidement, il est possible d’augmenter la capacité énergique de la batterie au détriment du prix du véhicule (0,50 €/Wh). Sachant que la capacité de la batterie diminue dans le temps même si elle n’est pas utilisée (vieillissement calendaire), cette augmentation de capacité risque de ne pas être amortie au cours de la durée d’utilisation. Par conséquent, avoir une batterie avec une forte capacité énergétique n’est pas idéal à première vue. La solution d’échanger une batterie vide contre une batterie pleine demande une infrastructure et des investissements très importants. De plus, ce n’est pas viable pour un pays étendu avec des zones peu peuplées. Enfin, cette solution conduit à une location de la batterie. Cette stratégie commerciale de location de la batterie ne convient pas à de nombreux consommateurs notamment lorsqu’un véhicule est peu utilisé et que la charge locative reste la même. En vue de la transition énergétique et de la demande de la minimisation des consommations d’énergie, des véhicules individuels et ultra léger ont commencés à Résumé : Les véhicules électriques ont des temps de charge relativement long et des autonomies relativement faibles. Par conséquent, l’estimation de la consommation et de l’autonomie du véhicule est cruciale. Cette autonomie va dépendre de la vitesse moyenne, des vitesses de pointe, du dénivelé positif et négatif, de la température extérieure, ainsi que de l’état de santé de la batterie. Par conséquent, la jauge d’autonomie d’un véhicule n’est pas directement linéaire en fonction de la distance. Cette non linéarité provoque chez l’utilisateur une méfiance et ne lui permet pas d’avoir une totale confiance dans les véhicules électriques (vélo, scooter, voiture…). Il suffit de plus, qu’un seul élément de l’accumulateur soit défaillant pour provoquer une chute de l’autonomie voire un arrêt du véhicule. L’utilisateur doit donc connaitre le diagnostic de la batterie et son état de santé pour savoir s’il peut faire le parcours désiré. Cet article présente une stratégie simple pour connaitre le comportement de l’accumulateur pendant la charge et la décharge et propose une jauge rapide de chaque élément. Cet article présente la détermination de la jauge d’autonomie restante du véhicule en fonction de tous les paramètres précités. Pour savoir, si le véhicule peut faire le parcours sans recharger, une application web d’estimateur de consommation du véhicule a été réalisée et testée avec succès. Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 32 être commercialisés. Ces véhicules ont vu le jour dans des challenges tel que l’éco-marathon Shell. La mobilité d’un français dans ces déplacements quotidiens est de 26 km avec un temps moyen de 54 minutes, 50% de ces déplacements sont réalisés par un conducteur seul [5]. Enfin, les 31 millions automobilistes français parcourent 11000 km en moyenne par an. Entre 1994 et aujourd’hui, les chiffres changent peu, que ce soit pour les zones rurales ou urbaines. D’autres études sociétales montrent que les français réalisent en moyenne 8 parcours à plus de 200 km aller-retour dans l’année. Depuis 2010, des cycles électriques monoplaces sont utilisés et testés au sein de notre université sur notre site de Soissons. Avec 200 km d’autonomie et des vitesses moyennes de 45 km/h, aujourd’hui, ces véhicules ont parcouru 20 000 km [8] [9]. Ces prototypes sont équipés de batterie de technologies différentes Lithium NMC, Lithium NCA, LiFePo4, avec plusieurs constructeurs. En revanche, les stratégies de dimensionnement et de gestion de l’énergie sont identiques. 2. PRESENTATION DES VEHICULES ULTRA LEGER Depuis 2010, des cycles ultra légers sont utilisés tous les jours sur la route pour tester leurs fiabilités et leurs autonomies. En effet, plus un véhicule est léger et moins il consommera d’énergie. La vitesse de pointe permet aux tricycles carénés d’atteindre avec l’électrification 80 km/h sur le plat. Fig 1. Différentes réalisations de cycles électriques motorisés entièrement carénées (de 50 kg à 85 kg) [8, 9, 10]. L’accumulateur fournit une tension de 72 V avec une capacité énergétique de 20 Ah et une limitation du courant de la batterie à 40 A, soit 2C (2 fois la capacité énergétique). La puissance de la motorisation est de 2880 W. Notre site dispose aussi de vélos classiques à assistance électrique qui ont été réalisés pour présenter les mêmes performances. Ces dernières années, les éléments LiFePo4 sont devenus prépondérants car ils offrent un bon compromis entre le prix, la capacité énergétique massique et volumique et la sécurité d’utilisation. Les batteries et les chargeurs de ces prototypes ont été réalisés aux laboratoires. Les chargeurs avec équilibreur intégré disposent de courants paramétrables de 1C à 0,1C. Toutes les courbes de tension de chaque élément sont visualisables et enregistrables en charge et en décharge. Lors de la charge, la mesure de la résistance interne de chaque élément peut se faire toutes les minutes. Des bancs de décharge ont aussi été réalisés pour pouvoir faire des tests sur les accumulateurs dans des enceintes thermiques, comme le montre la figure suivante. Fig 2 . Décharge d’éléments LiFePo4 90 Ah. Or, le véhicule est un banc de test à part entière avec une instrumentation embarquée. Il suffit qu’un élément de l’accumulateur ne fonctionne pas bien, (résistance d’autodécharge, résistante interne ou capacité énergétique faible par rapport aux autres éléments, échauffement d’un élément) pour que le module électronique de surveillance de la batterie « Battery Management System » (BMS) décide d’arrêter la décharge (et donc la motorisation du véhicule !). En effet, une augmentation de la résistance interne d’un élément va provoquer une chute de tension en dessous du seuil critique (cut off voltage) et le BMS va arrêter la décharge bien avant que tous les autres éléments soient complètement déchargés. Pour éviter cette situation, il est important de diagnostiquer l’état de santé de chaque élément de batterie en temps réel. Le taux de fiabilité va dépendre du nombre d’éléments utilisés dans l’accumulateur comme nous allons le démontrer dans le paragraphe suivant. Décharge à 20A Décharge à 75A ARRET de décharge 0.1V Temps (h) Tension de 4 éléments 2.9V 3.4V 3.15V 1h0.5h 1.5h Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 33 3. MISE EN SERIE ET PARALLELE D’ELEMENTS La mise en série des cellules permet d'obtenir plus d’énergie embarquée en additionnant les tensions des éléments et permet d’obtenir la tension désirée au niveau du variateur. En revanche, la mise en parallèle de cellules de batterie permet d’avoir une intensité disponible plus importante, avec un courant de décharge par élément acceptable. L’assemblage en parallèle permet la réduction de l’impédance équivalente en prenant en compte le nombre de branches en parallèle, comparée au cumul des effets résistifs dans l’assemblage en série. Le courant max que pourra sortir l élément est donné par l’équation suivante (0) 1 ocv cut esist elem max ent V V nombr element paral é eI l l R    (0) Avec Vocv tension à vide d’un élément, Vcut tension de coupure du BMS. Cette équation est aussi valable pour tout l’accumulateur est indépendante du nombre d’élément en série. Mais, il y a de légères différences des résistances internes des cellules de la batterie, des déséquilibres de charge et de décharge peuvent apparaitre, d’où la nécessité de rééquilibrer les cellules à chaque charge. Nous allons prendre plusieurs étapes avec 2 éléments en parallèle qui ont des FEC Ex et des résistances internes Rx avec 2 exemples de courant de décharges de 10A 1 2 1 2 1 2       decharge E E I V R I V R I avec V tension des 2 éléments en parallèle. Exemple en décharge I=10A Etape 1 : les E1=E2=3.3 et R1=R2=1mΩ, alors V=3.295V et I1=I2=I/2 chaque élément fournit une partie du courant. Etape 2 : avec E1=E2 mais R1=5.R2=5mΩ alors V=3.292V I1=1.667A et I2=8.33A Etant donné que l’élément 2 fournit plus de courant, sa FEC va diminuer plus rapidement que l’élément 1. Etape 3 : toujours avec avec R1=5.R2=5mΩ E1=3.3V E2=3.295V alors V=3.283V I1=2.5A et I2=7.5A L’élément 2 se décharge toujours plus que l’élément 1. Etape 4 : toujours avec R1=5.R2=5mΩ avec E1=3.3V E2=3.28V alors V=3.275V I1=5A et I2=5A, Les 2 éléments refournissent le même courant. Etape 5 : toujours avec R1=5.R2=5mΩ avec E1=3.3V E2=3.265V alors V=3.263V I1=7.5A et I2=2.5A, l’élément 1 va fournir plus de courant que l’élément 2 et sa tension va diminuer. En conclusion : lorsque plusieurs éléments sont en parallèle et qu’ils ne sont pas appairés au niveau de leur résistance interne alors dans ce cas le taux de décharge va dépendre des écarts entre ces 2 éléments. Etant donné que les éléments sont assemblés par des barrettes métalliques soudés, il n’est pas possible de vérifier le débit de courant de chaque élément en parallèle et de savoir si un élément a un problème. 4. TAUX DE FIABILITE D’UN ACCUMULATEUR Lorsqu’il y a plusieurs cellules en parallèle il est donc difficile de déterminer la cellule défaillante. En effet, seul la tension commune du chaque pack de cellule en parallèle est mesurée. Par conséquent, le pack de cellule en parallèle sera considéré défaillant, même si une seule cellule est défaillante. Le taux moyen de défaillances de l’accumulateur λ (λ=1/MTBF avec MTBF le taux moyen entre panne Mean Time Between Failures) correspondra à l’équation (1), avec n le nombre de cellules qu’elles soient en parallèle ou en série. λaccumulateur (défaillance par heure) = n x λcellule (1) Donc, la probabilité de ne pas avoir de panne de l’accumulateur correspondra à l’équation suivante :   .n.tempscelluleRn temps e nR celulle   (2) Prenons par exemple une cellule de batterie de MTBF de 11000 heures, avec un cycle de charge et de décharge par jour. S’il y a 20 éléments le MTBF de l’accumulateur passe à 550 heures. La probabilité de ne pas avoir de disfonctionnement de l’accumulateur au bout de 360 heures est de 52% et au bout de 720h est de 27%. En conclusion, plus le nombre de cellules sera élevé et plus la fiabilité de l’accumulateur diminue. De plus, remplacer une cellule usagée par une cellule neuve dans un accumulateur qui a déjà un certain nombre de cycle provoquera des problèmes d’équilibrage. Une solution constitue à appairer les cellules de la batterie mais cela demande du temps et un savoir-faire. La qualité de fabrication des batteries est ainsi cruciale et un bon fonctionnement requière des cellules avec des caractéristiques les plus proches possibles. Dans l’estimation de la fiabilité d’un accumulateur, le BMS actif ou passif doit être pris en compte ce qui diminue encore la valeur de la fiabilité. La maintenance Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 34 de la batterie demande ainsi d’avoir un accès facile et d’avoir un démontage aisé de chaque élément. Enfin, en dehors de la fiabilité, d’autres paramètres contribuent à une diminution de la durée de vie de la batterie. Quelles sont ces paramètres qui provoquent une diminution de l’état de santé d’une batterie lithium ? 5. ETAT DE SANTE ET CAPACITE ENERGETIQUE DE LA BATTERIE La capacité énergétique d’une batterie est donnée par son constructeur. La figure 3 montre la variation de la capacité énergétique en fonction de la température, sachant que la tension de cut off pour le LiFePo4 est de 2,50V. Fig 3. Tension en fonction de la capacité énergétique et de la température – LiFePo4 Q=20 Ah déchargée à 1C A 45°C Q = 19.5Ah – A -10°C Q = 13 Ah [6] Sur la figure précédente, la chute de tension est surtout provoquée par la résistance interne de la batterie qui augmente pour les températures basses inferieures à 10°C. La capacité énergétique de la batterie en fonction de la température correspond à l’équation suivante (3) : T T T 18 45 C 0 C 45 CQ(A.H) Q (Q Q ) e 19.5 (16 19.5) e              Les mécanismes de vieillissement se produisent lors de l'usage de l'accumulateur (vieillissement en cyclage) mais également pendant les phases de repos. La profondeur de décharge entre 0 et 80% (DOD : Depth Of Discharge) n’a que très peu d’influence sur l’état de charge ou de la santé d’une batterie lithium [3] [4]. Par contre, si on continue de décharger au-delà de 100 % (erreur de « cut off » du BMS), les éléments se mettent en court-circuit 0V de façon irréversible avec une résistance interne faible. De plus, dans cet état, les éléments « pouch » gonflent. D’ailleurs, des capteurs de pression peuvent diagnostiquer ce genre de problème au niveau d’un accumulateur. Les statistiques montrent que les véhicules passent plus de 90% de leur vie dans un parking ce qui prouve l’intérêt d’étudier le mode de vieillissement calendaire qui n’est pas négligeable. D’ailleurs, on peut voir sur la figure suivante, la perte de la capacité énergétique en fonction du nombre de cycles (Ah) et du taux de décharge. Cette courbe montre bien le vieillissement provoqué par le cycle de charge et de décharge et par l’effet calendaire. Fig 4. Modèle du cycle de vie en fonction de la décharge (Ah) à 20° C – Valable pour LiMn 1,5Ah 2000 cycles [4] Perte de la capacité énergétique totale en bleu, perte calendaire en vert, perte cycle de décharge en brun. Cette perte de capacité est provoquée en partie par une augmentation de la résistance interne de la batterie (ESR : Equivalent Series Resistance) qui dépend de la température mais aussi de la profondeur de décharge comme on peut le voir sur la figure suivante en mode sain. Fig 5. Résistance interne lors de la décharge de la batterie en fonction de la température et de la profondeur de décharge – Élément A123 LiFePo4 dans un état sain [13]. C’est seulement à des températures supérieures à 45°C, que l’augmentation de l’impédance de la batterie du à l’effet calendaire énergétique est perceptible et cela notamment si l’état de charge reste élevé. Ainsi, le vieillissement calendaire reste relativement faible en France. L’augmentation de l’impédance est la cause essentielle des mécanismes de dégradation pour les batteries lithium. L’effet du vieillissement est surtout observé dans la gamme [0,1Hz, 1Hz] sur la partie réelle de Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 35 l’impédance interne [3]. Mais comment peut-on évaluer l’état de santé d’une batterie lithium ? 6. METHODE DE MESURE DE L’ETAT DE SANTE L’état de santé d’une batterie correspond à la capacité énergétique ainsi qu’au courant qu’elle peut fournir sans s’échauffer : cet état de santé correspond donc à une résistance interne très faible. Sur un véhicule, il faut que l’état de santé et l’état de charge soit connu avec une précision de l’ordre de 1% pour rassurer l’utilisateur. Plusieurs méthodes existent pour le SOH : - La méthode par intégration de la puissance [11] : il s'agit d'un comptage du nombre de Watt-heures entrants et sortants avec une remise à zéro après chaque recharge complète. Cette méthode ne permet pas la détermination des variations relatives de l’état de charge en fonction de la température, ni la détermination de l'autodécharge et ni la connaissance de l’état de santé à un moment donné. - Les méthodes directes basées sur des mesures de la tension et de la résistance interne par impulsions de charge et de décharge [15] ou de l’impédance dynamique par spectroscopie. Pour les LiFePo4, la variation de la tension est très faible en fonction de la profondeur de la décharge entre 10% et 80% (figure 3). Il n’est donc pas possible de connaitre précisément la profondeur de la décharge en mesurant la tension à vide ou en charge. En revanche, la méthode d’estimation de la résistance interne est souvent utilisée. - Des méthodes adaptatives par Filtre de Kalman sont aussi utilisées : il s'agit d'une structure d'observateurs dont la correction est effectuée de manière optimale et utilisée pour ajuster la variable SOC. - Méthode par la mesure du temps de charge à courant constant (CC charge) puis en tension constante (CV charge) [3]. Ces temps dépendent évidement de la résistance interne de la batterie et de la température. Mais pour cela, il faut avoir le modèle de la variation de la résistance interne de la batterie en charge qui devra être validé pour plusieurs types de courant de charge (lente, rapide) et cela en fonction de la température. Il y a des composants qui sont dédies à connaitre le SOC « battery fuel gauge » , DS2762 « Coulomb counter A.H », MAX1781 « Programmable fuel gauge », le circuit bq27500 « mesure de la résistance ». Sur la figure 6, on peut observer le temps de charge (CC et CV) d’un accumulateur en mode sain. Fig 6. Charge d’éléments A123 20Ah à 0,5C dans un état sain à 20 °C, avec la mesure de toutes les tensions de chaque élément en fonction du temps [10]. On peut donc observer sur la figure précédente que toutes les cellules ne sont pas appariées de là l’utilité de rééquilibrer à chaque charge toutes les cellules. Pour un véhicule électrique de type vélo, la méthode d’intégration du courant ou de la puissance est très facile à mettre en œuvre pour connaitre la consommation en W.h et l’état de santé de la batterie. Donc après une recharge complète, on peut décharger à 100% donc jusqu’à la tension de « cut off » d’un élément de l’accumulateur et finir le parcours en pédalant. Il faut alors vérifier qu’il n’y a pas de différences importantes avec les autres tensions des éléments de l’accumulateur et connaitre la capacité énergétique de l’accumulateur donc son état de santé pour une certaine valeur de température moyenne de la batterie. La perte de la capacité énergétique de l’accumulateur ΔE en W.H correspondra à l’équation suivante (4) avec l’énergie En correspondant à la capacité énergétique en état sain et la résistance interne de l’accumulateur en fonction de la température. 2 100    perte n decharg e(T ) dechE (T ) E (T ) mesure %(W.h) R I dt Mais quelle est la valeur de la résistance interne des éléments d’un accumulateur ? Modèle électrique d’un élément de batterie L’élément électrochimique peut être modélisé simplement par le modèle électrique suivant : Fig 7. Modèle electrique d’un element de batterie Lors d’une impulsion de courant de décharge la tension de l’élément correspondra à l’équation suivante : CC Charge CV Charge+equilibrage E R1 Ue R2 C Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 36 2 1 2 1 t R C eU (t ) E R I R I ( e )          La force électrochimique et les valeurs de résistances dépendent de la température et la profondeur de décharge. D’ou l’importance de la figure 3 qui est donné par le constructeur. Par contre, les résistances internes en mode sain en fonction de la température sont rarement fournies. Mais cette R1 peut être déterminée lors de la mise en courant de décharge et R1+R2 lors de l’arrêt de la décharge. R1 et R2 peut être déterminité aussi à partir de la figure 3. L’identification de l’impédance des éléments est donc très facile à déterminer mais il faut une mesure de la tension au mV et une mesure du courant aux dixièmes prés, donc des convertisseurs analogiques numériques précis. La constante de temps est de quelques minutes. Dans le cas le plus défavorable, donc pour un courant de décharge continue, la somme des 2 résistances provoquent l’échauffement et la chute de tension. La courbe de R1+R2 pour les A123 en fonction de la température correspond à la courbe suivante : Fig 8. Courbe de la resistance interne d’un element A123 20A.H en fonction de la temperature La valeur de la résistance interne d’un élément A123 20A.H à l’état sain en fonction de la température correspond à l’équation suivante (5): 18 45 0 45 0 01 T T T decharge C C CR (T) R (R R ) e =0.0015 . e           A partir de cette résistante, l’état de santé peut être estimé et quantifié. 6.2 Quantification et estimation de l’état de santé Lors de cette décharge avec le cutt off du BMS, l’état de santé de batterie relative (%) peut être remis à zéro de la batterie par rapport à la température mesurée et peut être déterminé par l’équation suivante : n n n E (T ) E (T ) SOH(%) E (T )   (6) Puis, l’état de charge relative peut être déterminée par l’équation suivante : n n n n E (T ) E (T ) energiedepensée SOC(%) E (T ) E (T )       (7) Apres une décharge avec cutt off du BMS, lors de la charge il est aussi possible de connaitre l’état de santé de la batterie avec la même méthode précédente, avec une meilleur précision car le courant de charge est relativement faible (0.25C à 1C) (8). 2 charg e(T ,t ) chSOH(W .H) mesurecharge(W.H) R I (t )- dt  Exemple : Apres une décharge jusque 2.5V des éléments à 25°C, pour un accumulateur de 21 éléments A123 (1344W.H nominale), en charge à 6A, la mesure de la charge est de 1353W.H, la température passe rapidement à 27°C, la résistance de charge est de 4 mΩ pratiquement constante en fonction du DOD. Le chargeur fait la mesure de la résistance interne toutes les 2 minutes ainsi que l’intégration de la puissance à la batterie et l’intégration des pertes dans la résistance de l’accumulateur tous les 0.2s. La valeur du SOH de la batterie correspond environ à l’équation suivante : 3.25 3 2 0 SOH 1353- 21 4 10 6 dt       =1344W.H à 27°C Toujours après un arrêt de décharge à 100% à 10°C, lors d’une charge à 10°C, toujours à 6A, la mesure de la charge est de 1120W.H, l’augmentation de la température est de 14°C, la résistance de charge est d’environ 6 mΩ 2.66 3 2 0 SOH 1120- 21 6 10 6 dt       =1106W.H à 10°C Le SOH doit toujours être réestimé en fonction de l’utilisation de la température de la batterie à partir de l’équation (3). La résistance interne lors de la charge est plus élevée par rapport à la résistance lors de la décharge. Par conséquent pour une charge à 1C, la température atteinte par la batterie est plus importante que lors de la décharge [9, 13]. C’est pourquoi le taux de charge maximale préconisé par le constructeur est de seulement 1C pour une durée de vie optimale. Connaitre l’état de santé de l’accumulateur d’une voiture électrique est plus problématique car elle ne peut plus rouler après une décharge de 100%. Mais après avoir fait un long parcourt il est possible de finir de décharger la batterie à 100% chez soi, avec le chauffage (environ 5 kW pour une voiture), puis de recharger l’accumulateur pour connaitre la capacité énergétique de la batterie. Température (°C) R1+R2 (Ω) R Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 37 Mais quelle est la tolérance admissible entre les cellules ? 7. TOLERANCE ADMISSIBLE ENTRE LES CELLULES D’UNE BATTERIE Pour nos cycles électriques, la durée de vie des batteries consiste à trouver la limite pour laquelle la baisse de performances est considérée comme intolérable. Généralement, une perte de 25% de la capacité énergétique nominale est une bonne limite. Une augmentation de la résistance interne qui provoque une chute de tension de 7,3% à 3C peut être un autre critère. Enfin, un échauffement au-delà d’une valeur critique lors d’un cycle normal d’utilisation est aussi un bon indicateur de défaillances. Cette valeur critique de température de l’accumulateur est préconisée par le constructeur afin de préserver les isolants utilisés. Par exemple, pour une cellule A123 20Ah, la température maximale d’utilisation est de 60°C avec une résistance thermique de 3°C/W (avec 1mm d’espace entre les éléments) et une capacité thermique de 800 J/°C et un coefficient d’entropie dE(SOC) / dT qui varie de -2mV/°C à 2mV/°C [6, 13] en fonction de la capacité énergétique. La température est mesurée sur l’électrode positive ou la chaleur est la plus importante que pour le reste de la batterie. En effet le terminal positif est fait d’aluminium qui possède une résistivité plus importante que celle du cuivre. L’évolution de la température de la batterie correspond à l’équation simplifiée suivante : t P(W ) R . R CTH TH(T T )( C)amb (1 e )TH      (9) La puissance perdue dans l’élément de la batterie correspond à l’équation suivante avec R(Ω) correspondant à la résistance interne d’un élément et I(A) à son intensité. dE(SOC)2P(W ) R(T ,SOC ) I I T dT      (10) Exemple : pour une décharge à 2C, donc à 40A, en continu avec une température ambiante de 20°C et une résistance de 2 mΩ, la cellule aura une puissance à dissiper de 3,2 W. Par conséquent, l’augmentation de température sera de 6,4°C ce qui n’est pas un problème pour la cellule. En revanche, si la résistance interne passe à 12 mΩ à cause du vieillissement, alors la puissance à dissiper atteint 19,2W et l’augmentation de la température est de 38,4°C soit 58,4°C aux bornes des électrodes. Cette température est critique et le BMS arrêtera le fonctionnement du véhicule s’il n’y a pas une ventilation forcée de la batterie. Sur la figure suivante, on peut observer l’évolution des pertes thermiques d’un élément en fonction de la profondeur de décharge et du temps. Fig 9. Perte en chaleur pour différentes températures ambiantes pour un courant de décharge 2C en fonction de DOD ou du temps. D’ailleurs, l’incrémentation de la température sera plus grande à 5°C qu’à 35°C car la résistance interne sera plus importante. Sur la figure suivante, on peut observer l’incrémentation pour un taux de décharge important de 4C. A 5°C ambiant, la température de la batterie atteindra une température de fonctionnement optimale autour de 20°C. Fig 10. Incrémentation de chaleur pour un courant de décharge 4C en fonction du DOD et du temps en mode sain, mesure en trait plein et modélisé en trait pointillé. La perte énergétique provoquée par la résistance interne de la batterie pour une décharge de 100% correspond à l’équation suivante :   t100% 2W W.H R( SOC,T ) I dtperte 0     (11) À une température ambiante de 20°C, pour une cellule A123 de 60 Wh, en mode sain avec une résistance de 2 mΩ, l’énergie perdue est de 0,8 Wh à 1C et de 1,6 Wh à 2C, soit 2.6% de la capacité nominale. En mode dégradé, avec une résistance de 12 mΩ, l’énergie perdue est de 4,8 Wh à 1C et de 9,6 Wh à 2C soit 16% de la capacité nominale. , time 30mn15mn 7.5mn 15mn Tambiante=35°C Tambiante=5°C ΔTbattery (°C) A123 (20A.H) A123 (20A.H) 3mn Tamb=5°C Tamb=15°C 3mn Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 38 Une différence de résistance interne provoque un temps plus de long de la recharge à tension constante à cause de l’équilibrage de chaque élément. 8. ÉQUILIBRAGE DE LA CHARGE ET DE LA CAPACITE ENERGETIQUE Si toutes les tensions électrochimiques (OCV : Open Circuit Voltage) sont identiques, alors le temps de rééquilibrage à chaque cycle dépendra seulement de la différence entre la résistance interne de la plus grande d’une cellule par rapport à la plus faible, appelé ΔR. Ce temps de rééquilibrage de charge dépend la puissance lors de la charge lors de l’équilibrage et correspond à l’équation suivante : E (W.h )equilibre t( H ) puissancecharg e_1_cell   (12) La différence d’équilibrage correspondra à la différence des pertes d’énergies dans les résistances : 2 2E R I dt R I dtequilibre decharge dech charge ch          Dans le cas le plus défavorable, avec une décharge à 2C et une charge à 1C, avec une décharge à 100%, l’équation du déséquilibre correspond à l’équation précédente avec la capacité énergétique Q en Ah et l’intensité de charge à 1C. E ( R I 2 R I ) Qequilibre decharge charge        (14) Dans le cas de la batterie A123 20Ah, une intensité de 20A et avec un écart de 1mΩ entre la résistance de décharge et de la charge, la différence d’énergie sera de 2Wh. Avec une puissance de 1,65W pour l’équilibrage pour une cellule, il faudra 1,2 h pour faire le rééquilibrage. L’équilibrage passif à faible puissance, en déchargeant les cellules les plus chargées avec des résistances, est une solution peu onéreuse à mettre en œuvre. Ce type d’équilibrage peut être observé sur la figure 6. Par contre un rééquilibrage actif peut être plus rapide, mais ce système est plus complexe donc plus cher. Si le rééquilibrage ne se fait pas, alors l’écart de la capacité énergétique augmente entre les cellules qui ont la résistance interne la plus faible et celles qui ont la résistance interne la plus forte. L’utilisateur du véhicule doit être prévenu du fait que si le rééquilibrage soit complet ou pas. L’instrumentation du véhicule électrique indique à l’utilisateur : la consommation en Wh, le % de l’énergie restante, la température des éléments de batteries, les Wh par km… Nos instrumentations [11] ont une erreur sur la mesure de puissance de 0,12% et une erreur sur celle de l’énergie de 0,5Wh (pour un accumulateur de 72V, 20Ah 1440Wh). En dehors de la connaissance de l’état de santé de la batterie, de l’énergie consommée depuis cette batterie en temps réelle, ce qui intéresse l’utilisateur d’un véhicule électrique, est concrètement, le nombre de kilomètres qu’il peut faire avec l’énergie restante en prenant en compte éventuellement une réserve de sécurité de quelques % afin de ne pas avoir l’inquiétude de tomber en panne … Dans tous les cas, la distance parcourue va dépendre de la consommation du véhicule et du trajet à effectuer. C’est pourquoi un estimateur de consommation en fonction de la somme du dénivelé et de la vitesse moyenne a été développé … 9. ESTIMATION DE CONSOMMATION SUR UN PARCOURS Depuis 2012, une application ebikemaps.com [12] a été développée. Cette application a subi de nombreuses améliorations au cours du temps pour estimer la consommation du véhicule sur un parcours. En effet, il est possible de tracer son parcours sur « Google Maps est de connaitre le dénivelé positif et la consommation pour ce parcours. Pour cela, le véhicule doit être modélisé avec le coefficient d’aérodynamisme, le coefficient de roulement, et le rendement de la motorisation en fonction de la puissance résistive. La puissance absorbée du vehicule correspond à l’équation (9). 3P (W ) k Vit (k k ) Vit(km / h) / ( )abs Aero roul pente Presisitive         Sur un parcours donné, la consommation énergétique en fonction du cycle motorisé peut être estimée approximativement par l’équation suivante (10) : ( distance D ) M g D E(W.h ) ( P (V ) P )motor moy humain V ( km / h ) 3,6moy         avec la vitesse moyenne en km/h, D+, D- les dénivelés positifs, négatifs et la distance en km. Donc à partir de l’équation une estimation de la consommation de l’énergie de la batterie peut être réalisée, comme on peut l’observer sur la figure suivante avec sa jauge de batterie en fonction du parcours et de la vitesse moyenne. Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 39 Fig 11. Estimation de la consommation énergétique en fonction d’un parcours et d’une vitesse moyenne fixée pour un tricycle caréné. La puissance résistive et la température du moteur sont aussi estimées. [8] Sur la figure suivante, on peut observer les mesures de la consommation, de la puissance sur le parcours précédents, ce qui permet de confirmer l’estimateur. Fig 12. Enregistrements de la vitesse (bleu), de la puissance (vert), de l’énergie (violet), de l’altitude, de la somme du dénivelé positif et de la température moteur. La précision de l’estimation est d’environ 5% sur des parcours allant de 20 km à 200 km. 50% de la consommation dépend du dénivelé positif avec des véhicules qui ont une masse faible de l’ordre de 140 kg avec le cycliste. L’estimateur ne prend pas en compte le freinage régénératif électrique, la granulométrie de la route, le vent et la consommation due aux accélérations. On peut remarquer sur la figure précédente, que la puissance est fortement hachée car il y a de nombreuses accélérations sur un parcours, alors que l’estimateur filtre ces demandes en énergie. Certaine jauge sur un véhicule électrique indique la distance restante à parcourir en km. Cette estimation est déterminée par l’équation suivante (11) avec la capacité restante de la batterie et la consommation moyenne sur une certaine distance (ici 10 km).   capacité (W.H ) / consommation (W.H ) / 10kmrestante moDis yetance km nne    Naturellement, la distance estimée restante sera faussée si après un dénivelé faible une montée conséquente se présente. La consommation moyenne sur nos vélomobiles peut ainsi passer de 5 Wh/km à 10 Wh/km sur certains parcours pour une vitesse moyenne identique en fonction du profil du parcours. 10. ESTIMATION DE LA DUREE DE VIE DE LA BATTERIE Pour les batteries A123 20Ah à 25°C, le vieillissement provoquant une perte de moins de 3 % de la capacité énergétique est de 15 ans, comme on peut l’observer sur la figure suivante. Fig 13. Vieillissement calendaire des éléments LiFePo4 A123 avec 50% d’énergie stockés [6]. Sur la figure suivante, le nombre de cycle à 25°C est de 5200 cycles (102600Ah) pour une perte de 20% de la capacité énergétique par rapport à la capacité initiale. Fig 14. Perte de la capacité énergétique à différentes températures avec 100% de DOD [6]. Etant donné que les vélomobiles consomment environ 1200 Ah pour 10000 km, la durée de vie estimée de la batterie serait de 850 000 km avec un courant de décharge de 2C, une température de 25°C et un taux de décharge de 100%. En générale, 90% des cycles ont des décharges peu profondes inférieures à 40%. Mais les constructeurs donnent rarement l’équation ou la courbe du nombre de cycle de vie en fonction du DOD comme on peut l’observer sur la figure suivante [14]. A123 (20A.H) A123 (20A.H) 55°C 25°C35° C 45° C Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 40 Fig 15. Evolution du nombre de cycle et de la consommation échangée en Ah en fonction du DOD à 25°C. Sur la figure précédente, on peut observer la capacité énergétique échangée en Ah en fonction de DOD. Sur la figure précédente, il y a une optimisation de l’échange de la capacité énergétique à 37 % du DOD. Les constructeurs ne donnent pas l’évolution de la résistance interne en fonction du vieillissement. C’est la résistance de diffusion sur la borne + qui augmente fortement en fonction du vieillissement [16]. Mais Peut-on utiliser un élément lithium à 0V dans un accumulateur ? Quelle sera la résistance interne et son échauffement ? 11. ELEMENT A 0V ET STABILITE THERMIQUE Suite à une profondeur de décharge trop importante ou au vieillissement, l’élément passe à 0V. Peut-on forcer le BMS sans crainte ? En effet avec un BMS, ce n’est pas possible d’utiliser l’accumulateur car il n’est plus possible de charger et de décharger la batterie avec un élément à 0V. La encore l’échauffement principal est sur la borne positive en aluminium. En charge 10A, entre 15°C et 24°C sa résistance est de 0.08 Ω, puis la température passe à 34°C avec une résistance de 0.095 Ω, donc la résistance interne augmente très légèrement en fonction de la température comme on peut l’observer sur la figure suivante, mais il n’y a pas de divergence thermique. En décharge à 10A, l’élément devient récepteur. La résistance interne de l’élément diminue en fonction de la température. La température de l’élément en défaut atteint 31°C. Etant donné que la résistance diminue lorsque la température augmente alors pour un même courant, la puissance perdue qui provoque l’échauffement diminue. Par conséquent, il n’y a pas de divergence thermique. Mais, cela provoque une chute de tension non négligeable aux bornes de cet élément, donc sur l'accumulateur. Fig 16. Evolution de la résistance interne d’une cellule morte. Par conséquent, une batterie lipofer à 0V n’a pas une résistance interne négligeable. Nous n’avons pas assez d’élément mort pour faire une généralisation sur un élément à 0V. Mais dans le cas, présent, il serait possible de forcer le BMS sans destruction de l’accumulateur. Puis, il vaudra mieux changer l’élément en défaut ou le court-circuiter, surtout si les courants sont importants. 12. CONCLUSIONS Cet article a permis d’établir que l’on pouvait connaitre simplement l’état de santé de chaque élément d’une batterie installée sur un véhicule électrique. L’augmentation de la résistance interne du au vieillissement provoque une chute de la capacité énergétique et aussi un échauffement préjudiciable à la batterie. La durée de vie, quant-à-elle, dépend du taux de décharge. Par conséquent, pour une certaine puissance, il est préférable d’augmenter la tension de l’accumulateur pour ne pas dépasser un taux de décharge de 2C. Cette augmentation de la tension demande un nombre d’éléments plus importants au détriment de la fiabilité. Pour minimiser le taux de décharge, l’utilisation de super capacités est une solution [7] mais qui reste cependant encore onéreuse aujourd’hui. La connaissance du vieillissement de la batterie en fonction de l’utilisation permet d’estimer sa durée de vie pour une étude marketing [3]. L’étude du nombre de cycles possibles pour un accumulateur demande de faire des études relativement longues. Ces données sont peu fournies par les constructeurs. Il en est de même pour la fiabilité de la cellule. Dans tous les cas l’autonomie va dépendre surtout de la consommation du véhicule. Pour toutes ces raisons, un estimateur de consommation est obligatoire pour prendre en compte la somme des dénivelés et la vitesse moyenne. Une application a été testée sur plus de 1500 cycles (vélos, tricycles, vélomobiles) avec succès. Cet estimateur prend en plus en compte l’état de santé de la batterie ainsi que sa température qui joue un grand rôle en ce qui concerne la capacité énergétique de la batterie. Cet Resistance interne d’element A123 morte 0V A123 (20A.H) Capacité énergétique échangée (A.H)/5 Cycle de vie (limité pour 80% du SOH) Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 41 estimateur et une bonne stratégie de gestion de l’autonomie peuvent être utilisés pour tous les types de véhicules électriques. 13. REFERENCES [1] J. Neubauer, E. Wood, “The impact of range anxiety and home, workplace, and public charging infrastructure on simulated battery electric vehicle lifetime utility” Journal of Power Sources, 257, 12– 20, 2014 [2] Shriram Santhanagopalan,Kandler Smith,Jeremy Neubauer “Design and Analysis of Large Lithium- Ion Battery Systems” 2015 artec house [3] Akram Addahiech « Modélisation du vieillissement de l’état de santé de batteries lithium pour l’application de véhicule électrique hybride » thèse 2014 Université Bordeaux https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00957678/document http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378 775314002031 [4] John Wang, Justin Purewal, Ping Liu « Dégradation des batteries au lithium-ion qui emploient négatifs de graphite et oxyde spinelle + positifs d'oxyde de manganèse nickel-cobalt- manganèse: mécanismes de vieillissement et de la vie estimation » Journal of Power Sources 269 (2014) 937e948 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378 77531401074X http://www.researchgate.net/profile/John_Wang26/pub lication/251588109_Cycle-life_model_for_graphite- LiFePO_4_cells/links/0c9605346d57f33454000000.pd f [5] http://www.insee.fr/fr/themes/document.asp?ref_id =ip1252 http://www.developpement- durable.gouv.fr/IMG/pdf/Rev3.pdf http://www.planetoscope.com/automobile/114-nombre- de-kilometres-parcourus-les-francais.html [6] A123 « Battery pack design, validation and assemblage” 02/2014 [7] A. Sivert, F. Betin, S. Carriere, « Gestion et dimensionnement de l’énergie embarquée pour un véhicule électrique à faible consommation » Symposium de Génie Électrique (SGE’14) : EF-EPF- MGE juillet 2014, ENS Cachan. [8] A. Sivert , F. Betin , B. Vacossin , T. Lequeu , M. Bosson “Optimization of the mass for a low-power electric vehicle and consumption estimator (e-bike, e-velomobile and e-car)” WSEAS 2015 HTTP://WWW.WSEAS.ORG/MULTIMEDIA/JOUR NALS/EDUCATION/2015/A225810-158.PDF [9] FORUM VELO HORIZONTAL DEC/2015 HTTP://VELORIZONTAL.BBFR.NET/T17956- VELOMOBILE-ELECTRIC-LEIBA-X-STREAM- IUT-AISNE [10]A. Sivert, F. Betin, T. Lequeu, « Pedagogical study of an electric bike with low energy consumption, management and dimensioning of onboard energy: eco marathon” WSEAS, World Scientific and Engineering Academy and Society, 2014. [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 [12]Estimateur de consommation d’énergie d’un véhicule http://www.ebikemaps.com/ 2015 green race http://www.jurassictest.ch/GR/ [13] A Samba, N. Omar, H. Gualous, P.V.D. Bossche « Modélisation Electrothermique 2D d’une batterie lithium-ion de type « pouch » » Revue 3EI N°78, oct 2014 [14] N.Omara, M Monema, Y.Firouza, J.Salminenc « Lithium iron phosphate based battery – Assessment of the aging parameters and development of cycle life model” Applied Energy 113 (2014) http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306 261913007393 [15] M Hung, C Lin , L Lee , “State-of-charge and state-of-health estimation for lithium-ion batteries based on dynamic impedance technique” J.P.S, 5 December 2014 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378 775314009471 [16] Nicolas Damay « Contribution modélisation thermique de packs batteries LiFePO4 pour véhicules decarmbonés » thèse UTC december 2015

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Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD

Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 42 Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD Richad DAYA Lycée Jean Jaurès Argenteuil Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une quantité d'énergie en un lieu donné pour permettre son utilisation ultérieure. Par extension, le terme « stockage d'énergie » est souvent employé pour désigner le stockage de matière qui contient cette énergie. La maîtrise du stockage de l'énergie est particulièrement importante pour valoriser les énergies alternatives, telles que l'éolien ou le solaire, sûres et renouvelables, mais par nature intermittentes. Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une énergie à un endroit donné pour faciliter son exploitation immédiate ou future. Par son importance dans notre civilisation grande consommatrice d'énergie, le stockage d'énergie est une priorité économique. Il concourt à l'indépendance énergétique, c'est-à-dire à la capacité d'un pays à satisfaire par lui-même ses besoins énergétiques. De ce fait, le stockage d'énergie est souvent l'objet d'une attention particulière de la part des pouvoirs politiques, surtout dans les pays fortement dépendants de l'étranger. 1 LES ENERGIES EMMAGASINEES Le stockage d’énergie a une double fonction dans un système : le rendre autonome ou emmagasiner une énergie pour l’utiliser avec un temps de décalage. Exemples : Véhicule hybride et système thermique de production d’eau chaude Véhicule hybride : besoin d’énergie électrique embarquée Solution batterie de stockage. Autres exemples : téléphone, ordinateur portable… Système thermique de production d’eau chaude : besoin d’emmagasiner de l’eau chauffée pour l’utiliser au fil du temps. Solution ballon de stockage d’eau. Autres exemples : réserve d’air comprimé, réserve de carburant… Il existe différents moyens d’emmagasiner de l’énergie primaire ou secondaire : Résumé : Cet article présente un cours de STIDD portant sur le stockage d'énergie. Il à pour Objectifs de réaliser le bilan d’un système de stockage d’énergie pour effectuer un choix judicieux dans une application de chaine d’énergie. - Décrire les principes de fonctionnement des systèmes de stockage d’énergie - Citer les ordres de grandeurs des performances énergétiques des stockages - Etre capable de proposer ou de justifier une solution de stockage d’énergie Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 43 2- LES FORMES D’ENERGIES SECONDAIRES STOCKABLES Le stockage d’une énergie consiste à utiliser un « réservoir » dont le but est d’emmagasiner une grandeur physique qui sera exploitée à un moment choisi. Sauf pour le stockage d’électricité, les autres procédés ne nécessitent pas de conversion finale. En fonction des besoins d’énergie, il est possible de choisir différentes formes de stockage : 3- LES GRANDEURS LIEES AU STOCKAGE Forme de l’énergie stockée Moyen de stockage Grandeur physique Unité(s) Relation physique Electrique Batteries d’accumulateurs Quantité de charge Coulomb (C) W= U.I.t (1) U : tension en volts (V) I : intensité courant en Ampères (A) t : durée en secondes (s) Q= I.t (2) Charge électrique en Coulomb (C) Electrique Condensateur et supercondensateur Tension Volt (V) W= ½. C. U2 (3) C : Capacité en Farads (F) U : Tension en volts (V) Thermique sensible Accumulateur thermique Température Degré Celsius (°C) ou Kelvin (K) W= m.C.ϴ (4) m : masse en kilogrammes (kg) C : capacité thermique massique en J/kg/K ϴ : température en Kelvins (K) Mécanique Ressort (constante K) déplacement Mètre (m) W= ½.K.d2 (5) K : constante du ressort en newton/mètres (N/m) d : allongement du ressort en mètres (m) Mécanique inertielle Volant d’inertie de moment J Taux de rotation Radian par seconde (rad/s) W= ½. J. Ω2 (6) J : moment d’inertie en kg.m2 Ω : taux de rotation en rad/s Mécanique cinétique Retenue de fluide Hauteur Mètre (m) W= r.V.g.h (7) r : masse volumique en kg/m3 V : volume en m3 g : accélération due à la pesanteur en m/s2 h : hauteur en m Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 44 Compléments : (explications supplémentaires sur chacune des expressions) Rappel l’énergie est homogène à une puissance multipliée par un temps E= P.t avec P=U.I Le joule est l’unité de l’énergie dans le Système international : 1 J = 1 W. 1 s EDF a introduit la notion d’énergie en Wh E (Wh) = P.t avec P en Watts (W) et t en heures (h) d’où 1 Wh=3600 J car nous avons 3600 s dans une heure. E (Wh) = C.U , C capacité en Ah et U tension en V Explication expression (2) : 1 C = 1 A. 1s d’où 1 Ah = 3600 C L’expression (3) représente la notion d’énergie stockée dans un condensateur Dans l’expression (4), nous avons souvent ∆θ à la place de θ car nous avons souvent une différence de température (entre deux moments, entre deux milieux) 0 ° C = 273.15 K L’expression (5), le d est souvent un x soit ½.K.x2 (d et x étant une notion d’allongement ou d’élongation en mètres (m)). (En physique énergie potentielle élastique) Dans l’expression (6), nous avons aussi souvent l’habitude de retrouver la notion de vitesse angulaire en rad/s pour Ω. Dans l’expression (7), r est souvent noté µ ou ρ représentant la masse volumique En chimie, la masse est le produit de la masse volumique par le volume (m = ρ.V) D’où l’expression (7) deviendrait W= m.g.h (appelée énergie potentielle de pesanteur en physique) g = 9.81 m/s2 (constante de pesanteur ou accélération due à la pesanteur). Batterie, supercondensateur, ballons d’eau chaude, ressort, volant d’inertie, barrage Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 45 Dans tous les cas, lors du stockage, des pertes apparaissent. Pour que le stockage de l’énergie soit considéré comme efficace, un bilan énergétique doit être réalisé. Il ne s’agit pas de transformer de l’énergie puis de la stocker pour qu’elle se dissipe en grande partie sous forme de pertes, à moins de pouvoir les valoriser. 4- STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE 4.1 Chimique : piles et accumulateurs L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des batteries d’accumulateur appelées aussi électro-générateurs. L’énergie stockée dans une pile est épuisable et le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est irréversible : cycle de décharge uniquement. Une pile alcaline est un type de pile fonctionnant par oxydoréduction entre le zinc (Zn) et le dioxyde de manganèse (MnO2). La pile alcaline tire son nom du fait que ses deux électrodes nommées pôle positif et pôle négatif sont plongées dans un électrolyte alcalin d'hydroxyde de potassium, par opposition à l'électrolyte acide de la pile zinc-carbone qui offre la même tension nominale et la même taille. L’énergie stockée dans un accumulateur est épuisable mais le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est réversible : cycles de décharge et de charge possibles. L’accumulateur, réversible partiellement et une batterie type lithium ion 12 V. la plupart (voire tous) les téléphones portables possèdent une batterie de type Li Ion. Une batterie lithium-ion, ou accumulateur lithium- ion est un type d'accumulateur lithium. Ses principaux avantages sont une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le nickel-hydrure métallique par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'autodécharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille. L’énergie emmagasinée dans un accumulateur : W = Q . U avec Q = I . t 4.2 Electrostatique : condensateur et supercondensateur L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des condensateurs. Un condensateur est un composant électronique ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est : • i est l'intensité du courant qui traverse le composant, exprimée en ampères (symbole : A); Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 46 • u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volts (symbole : V) ; • C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farads (symbole : F) ; • du/dt est la dérivée de la tension par rapport au temps. Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant) voit son potentiel augmenter. Le condensateur est utilisé principalement pour : • stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ; • traiter des signaux périodiques (filtrage…) ; • séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ; • stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur car la capacité de charge électrique est beaucoup plus importante que celle d’un condensateur à usage électronique. Les condensateurs s’appellent aussi « capacité » par abus de langage. Energie emmagasinée L’énergie accumulée dans un condensateur est égale au travail fourni pour le charger : W = ½ . C U2 5- STOCKAGE DE L’ENERGIE THERMIQUE Deux formes de chaleur : chaleur sensible et chaleur latente En fonction des contraintes et des besoins des utilisateurs, les bâtiments ou les systèmes font appel à des technologies de stockage d’énergie thermique dans l’eau. Dans certains cas, pour le chauffage des locaux, on utilise aussi des matériaux comme le béton (plancher chauffant) afin de restituer la chaleur par inertie. Energie emmagasinée : L’eau est utilisée pour le stockage de chaleur sensible en raison de son important coefficient de capacité thermique 4180 J.kg-1 .K-1 , pour l’air ambiant 1015. W = m.C.θ Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 47 Les matériaux peuvent aussi être utilisés pour stocker la chaleur sensible. Lorsqu’une masse M de matériau de chaleur massique C subit un accroissement de température ∆T , la quantité de chaleur Q fournie est Q = M C ∆T En Architecture, on raisonne plus simplement sur des volumes que sur des masses. Il est plus intéressant de considérer le volume V de la masse M , l’expression ci-dessus deviendra donc Q = V r C ∆T. Le produit r C s’appelle chaleur volumique (kJ/m3 .°C) c’est-à-dire la quantité de chaleur absorbée ou fournie par 1 m3 de matériau dont la température varie de 1°C. 6- STOCKAGE DE L’ENERGIE MECANIQUE Certains systèmes ont besoin d’énergie cinétique pour assurer un stockage ou la régulation de l’énergie lors de fortes irrégularités de couple. On peut lisser le couple en stockant de l’énergie cinétique de rotation lorsque le couple est fort, pour la restituer lorsque celle-ci est faible. L’objet réalisant cette fonction est le volant d’inertie. Il s’agit d’un cylindre accouplé à un arbre mécanique en rotation dont le fort moment d’inertie joue le rôle de lisseur de couple. Avantages : pas d’émissions de CO2, réponse rapide. Accumulateur d’énergie cinétique : Inconvénients : doivent être solides pour éviter l’éclatement, éviter les effets explosifs dus aux grandes vitesses du volant permettant de plus grandes capacités de stockages. Energie emmagasinée : W = ½ . J . Ω2 Un volant d'inertie moderne est constitué d'une masse (anneau ou tube) en fibre de carbone entraînée par un moteur électrique. L'apport d'énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (entre 8000 et 16000 tour/min pour le modèle ci-contre) en quelques minutes. Une fois lancée, la masse continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente. L'énergie est alors stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique, elle pourra ensuite être restituée instantanément en utilisant le moteur comme génératrice électrique, entraînant la baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie. Le système est monté sur roulements magnétiques et confiné sous vide dans une enceinte de protection afin d'optimiser le rendement du dispositif (temps de rotation) et ainsi prolonger la durée de stockage. Avantages : Haut rendement (environ 80% de l'énergie absorbée pourra être restituée) Phase de stockage très rapide par rapport à une batterie électrochimique Temps de réponse très court, permet de réguler la fréquence du réseau Aucune pollution : ni combustible fossile, ni produits chimiques Technologie fiable, peu d'entretien Inconvénients : Temps de stockage limité (environ 15 minutes). Le stockage d'énergie par volant d'inertie est utile pour la régulation et l'optimisation énergétique d'un système, il ne permet pas d'obtenir une durée d'autonomie importante comme les batteries électrochimiques ou le stockage d'énergie par pompage/turbinage.

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Thermique de l’habitat

Thermique de l’habitat La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 48 Thermique de l’habitat PIETRANICO Sylvain pietrasy@lycee-lecorbusier.org 1. Thermodynamique générale : 1.1. Premier principe : D’après le premier principe de la thermodynamique appliqué à un système fermé, la variation d’énergie d’un système est égale à l’énergie reçue sous toutes ses formes (travail, transferts thermiques) : ∆ℇ =

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Simulation thermique par éléments finis

Simulation thermique par éléments finis La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 55 Simulation thermique par éléments finis Jean-Philippe ILARY Lycée Jules Ferry 29 rue du Maréchal JOFFRE 78000 VERSAILLES 1. Introduction Le logiciel femm (http://www.femm.info) utilisé ici permet l’étude d’application (en 2D uniquement) dans le domaine magnétique, thermique et électrostatique. Ce logiciel se base sur l’étude des éléments finis. Il est très utilisé dans le milieu universitaire et de la recherche. Il est possible de l’interfacer avec plusieurs logiciels dont Mathematica et Scilab. 2. Démarche de la simulation Pour effectuer une simulation sur femm, il est nécessaire de procéder classiquement sur ce type de logiciel : Lancer le logiciel femm et créer un nouveau problème Le problème doit au préalable être configuré : 3. Préprocesseur Cette étape permet de définir les géométries du problème et de définir les conditions aux limites. 3.1. Dessiner l’élément dans le plan Les icones ci-après permettent de dessiner la coupe (plan) de l’élément à simuler. Il est OBLIGATOIRE de commencer par dessiner les points , ensuite seulement dessiner les traits ou arcs entre ces points . Ensuite il reste à définir les matériaux des zones fermées . Pour faciliter le positionnement des points, il est conseillé de tout d’abord paramétrer la grille ainsi : Pour faciliter le positionnement des points, il est parfois utile d’activer l’accroche à la grille Mais si l’on connait les coordonnées des points, il est plus simple de les saisir. Pour cela appuyer sur et surla touche tabulation. Le repère sur la zone de dessin est : Préprocesseur Desssiner le modèle Processeur Définir les paramètres et lancer la simulation Postprocesseur Exploitation de la simulation Résumé :FEMM 4.2 est un logiciel s’appuyant sur la modélisation par éléments finis. Il permet l’étude de problématique dans le domaine électrotechnique. Je présente ici un exemple d’étude simple, qui vous permettra de développer votre propre étude.    Simulation thermique par éléments finis La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 56 La résistance va être dessinée suivant la coupe A-A. Les points sont les suivants : Depth = 19mm 3.2. Matériaux Définir ensuite les matériaux présents dans les différentes zones. Pour cela il est tout d’abord obligatoire de définir les matériaux avant de pouvoir les placer. Choisir dans la liste des matériaux prédéfinis les éléments ci-dessus. Ils seront alors disponibles lors du placement des matériaux des zones. Sélectionner l’icône et placer dans chaque zone fermées un point de matériau. Un clic droit sur ce nouveau point permet d’ouvrir la fenêtre de définition du matériau. N’ayant pas de céramique dans la liste des matériaux prédéfinis, on le remplacera par du sable à la place. On doit aboutir au schéma suivant : Voilà, il reste maintenant à définir les conditions aux limites et lancer la simulation 3.3. Processeur Sans une définition aux limites, le calcul ne pourra aboutir (pas de terminaison). Le rectangle délimitant la zone d’air sera fixé à la température de 25°C (=298,15 K). Attention, le logiciel comprend 298.15 et non 298,15. Le menu Proprerties/Boundary permet l’accès au menu : Sélectionner l’icône  (trait ou arc) et effectuer un clic droit sur tous les segments devant recevoir la condition aux limites. Puis l’appuie sur la barre espace fait apparaître le menu permettant de la définir. A A (0,0) (11,11)(0,11) (0,2) (11,0) (0,0) x y Convection naturelle Simulation thermique par éléments finis La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 57 Maintenant, il faut définir le flux d’énergie qui apparaîtra au cœur de la résistance. Le menu Proprities/Conductors permet d’accéder au choix de la source d’énergie. On va réaliser une simulation pour Pd=8W à dissiper. Soit pour un segment (W=Pd/4) afin de simuler que les 8W s’ont dissipée sur le cercle. Sélectionner les deux limites comme indiqué ci- dessous et appuyer sur la barre espace pour appliquer l’énergie. 3.4. Post processeur Lancer la simulation en cliquant sur les icônes l’un après l’autre : 4. Exemple de scipt LUA Ce script va générer un ensemble d’images au format bmp. Il suffit après de les assembler pour former une animation. La programmation de ce type de script LUA est utilisé par exemple en simulation de problème magnétique pour voir les évolutions des lignes de champs. Ce langage est simple et il ne faut pas avoir peur de se lancer. Voilà, j’espère que cette petite introduction vous aura été utile, car les exemples en thermique avec ce logiciel ne sont pas légions.

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Sommaire du n° 83
p.  2  Éditorial, 
p.  3  Annonces, Publications, 
 
Thème
p.  5  Modèle équivalent d’un élément électrique F. VASSENAIX  IUT 1 - GEII  St-MARTIN-D’HERES
p.  11   Résistance des Matériaux R. GRUAU , J-P. ILARY  Lycée Jules Ferry  VERSAILLES
p.  16   Exemple d’application de la RDM R. GRUAU , J-P. ILARY  Lycée Jules Ferry  VERSAILLES
p.  19  Mesurer pour rénover M. OURY Directeur scientifique de TPLine J. MORLET   Lycée Galilée  CERGY
p.  29  Petite introduction au langage SysML pour la STI2D R. COSTADOAT  Lycée Dorian  PARIS F. LE GALL  Lycée Jules Ferry  VERSAILLES
p.  36  Liaison Ethernet, du modèle aux protocoles F.OUCHET,  ENS Rennes, Campus de Ker Lann,  BRUZ
 
Hors Thème
p.  46  Récupération de l’énergie des vibrations d’une poutre piézoélectrique V. BOITIER , A. BELINGER  Université de TOULOUSE
p.  53  Initiation au réglage d’un système asservi par la méthode ''des plans d’expériences'' B. BAUDIER  Lycée J.Duhamel  DOLE
p.  62  Classe inversée : exemple de mise en œuvre pour les leçons de sciences physiques de 
BTS Electrotechnique F. HOLST   Lycée Edmond Labbé  DOUAI
p.  73  Banc de test éolien de nouvelle génération tolérant aux défauts A.SIVERT, S.CARRIERE, F.BETIN, B.VACOSSIN, M. TAHERZADEH, A. YAZIDI, A. PANTEA, J.CLAUDON,J.ACCART
 
 
sommaire

La Revue 3EI n°83 Janvier 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 : www.see.asso.fr/3ei Onglet ‘soumettre un article’ Secrétaire Général pour la SEE Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Communication 3EI Aurélie BAZOT abo@see.asso.fr 01 56 90 37 17 publicité au rapport Abonnement (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Tarifs TTC : (revue papier) Individuel : France et UE ...............40 € Pays hors UE...............50 € Collectivités France et UE ...............57 € Pays hors UE...............70 € Impression & routage Imprimerie JOUVE Dépôt Légal : Janvier 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 83 p. 2 Éditorial, p. 3 Annonces, Publications, p. 5 Modèle équivalent d’un élément électrique F. VASSENAIX IUT 1 - GEII St-MARTIN-D’HERES p. 11 Résistance des Matériaux R. GRUAU , J-P. ILARY Lycée Jules Ferry VERSAILLES p. 16 Exemple d’application de la RDM R. GRUAU , J-P. ILARY Lycée Jules Ferry VERSAILLES p. 19 Mesurer pour rénover. M. OURY Directeur scientifique de TPLine J. MORLET Lycée Galilée CERGY p. 29 Petite introduction au langage SysML pour la STI2D R. COSTADOAT Lycée Dorian PARIS F. LE GALL Lycée Jules Ferry VERSAILLES p. 36 Liaison Ethernet, du modèle aux protocoles F.OUCHET, ENS Rennes, Campus de Ker Lann, BRUZ p. 46 Récupération de l’énergie des vibrations d’une poutre piézoélectrique V. BOITIER , A. BELINGER Université de TOULOUSE p. 53 Initiation au réglage d’un système asservi par la méthode ''des plans d’expériences'' B. BAUDIER Lycée J.Duhamel DOLE p. 62 Classe inversée : exemple de mise en œuvre pour les leçons de sciences physiques de BTS Electrotechnique F. HOLST Lycée Edmond Labbé DOUAI p. 73 Banc de test éolien de nouvelle génération tolérant aux défauts A.SIVERT* , S.CARRIERE* , F.BETIN* , B.VACOSSIN* , M. TAHERZADEH* , A. YAZIDI* , A. PANTEA* , J.CLAUDON** ,J.ACCART** * Laboratoire des Technologies innovantes Université de Picardie SOISSONS ** plateforme-innovaltech SAINT QUENTIN 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 17 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 : Enseigner en STIDD Hors Thème Editorial La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 2 Un numéro spécial STI2D pour débuter l'année 2016, quelle bonne idée ! Les rédacteurs de ce numéro se sont placés dans l'état d'esprit d'un enseignant de technologie formé dans une spécialité (mécanique, électricité,...) qui doit se lancer dans l'enseignement transversal. Comment aborder les domaines qu'il ne connaît que vaguement ? Par quoi commencer ? Nous vous proposons donc une série d'articles permettant de prendre pied dans un domaine nouveau et d'en comprendre les enjeux et les intérêts. Le spectre de ces articles est large puisqu'il couvre :  le génie électrique avec la modélisation d'une batterie et d'un moteur à courant continu,  le génie mécanique avec un cours et un TD de résistance des matériaux,  l'énergétique avec un projet mené par des élèves de STI2D sur la rénovation énergétique de bâtiments,  et l'informatique avec une introduction au langage SysML, suivie d'un article sur les liaisons Ethernet, du modèle aux protocoles. Le nombre de pages du thème étant forcément limité, nous publierons un article supplémentaire sur la thermique de l'habitat dans le prochain numéro de la revue qui paraîtra en avril 2016. En complément des publications du thème, nous vous proposons quatre articles qui, bien que n'étant pas précisément liés à l'enseignement de la STI2D, exposent des expériences pédagogiques très intéressantes menées à différents niveaux d'enseignement.  M. Boitier et Belinger décrivent le travail d'un bureau d'étude réalisé par des étudiants de master sur le thème de la récupération d'énergie des vibrations d'une poutre.  Deux articles exposent des travaux menés avec des étudiants de BTS électrotechnique. Celui de M. Baudier nous rafraichit la mémoire sur le réglage d'un système asservi par la méthode des "plans d'expérience" tandis que M. Holst nous décrit une application intéressante du principe de la "classe inversée".  Enfin, M. Sivert et ses collègues de l'IUT de Soisson nous proposent un article sur l'étude d'un banc de tests éolien de nouvelle génération. Le début d'année est bien entendu l'occasion de vous souhaiter à tous les meilleurs vœux de la part de l'ensemble des membres du comité de rédaction de la revue 3EI mais aussi de vous confirmer que nous relançons en 2016 l'organisation d'une journée 3EI. Cette journée aura lieu le jeudi 30 juin 2016 dans les locaux du CNAM de Paris. Le thème choisi est celui de la "mobilité électrique". Les détails de l'organisation seront donnés dans le prochain numéro de la revue mais, dès à présent, vous pouvez commencer à réfléchir à votre participation : soit tout simplement en tant qu'auditeur, soit de manière plus active en présentant un exemple des travaux que vous menez avec vos étudiants. Des cessions de posters sont prévues à cet effet. Nous espérons que cette journée sera un moment d'échanges privilégiés entre nous tous et que nous en repartirons avec des idées pour dynamiser nos enseignements. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue3EI 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

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Numéro 85 complet

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 (exemple  du challenge SUNTRIP)

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 de 10 à 100W

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

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

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, 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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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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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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numéro 84 complet

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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Simulation thermique par éléments finis

Simulation thermique par éléments finis La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 55 Simulation thermique par éléments finis Jean-Philippe ILARY Lycée Jules Ferry 29 rue du Maréchal JOFFRE 78000 VERSAILLES 1. Introduction Le logiciel femm (http://www.femm.info) utilisé ici permet l’étude d’application (en 2D uniquement) dans le domaine magnétique, thermique et électrostatique. Ce logiciel se base sur l’étude des éléments finis. Il est très utilisé dans le milieu universitaire et de la recherche. Il est possible de l’interfacer avec plusieurs logiciels dont Mathematica et Scilab. 2. Démarche de la simulation Pour effectuer une simulation sur femm, il est nécessaire de procéder classiquement sur ce type de logiciel : Lancer le logiciel femm et créer un nouveau problème Le problème doit au préalable être configuré : 3. Préprocesseur Cette étape permet de définir les géométries du problème et de définir les conditions aux limites. 3.1. Dessiner l’élément dans le plan Les icones ci-après permettent de dessiner la coupe (plan) de l’élément à simuler. Il est OBLIGATOIRE de commencer par dessiner les points , ensuite seulement dessiner les traits ou arcs entre ces points . Ensuite il reste à définir les matériaux des zones fermées . Pour faciliter le positionnement des points, il est conseillé de tout d’abord paramétrer la grille ainsi : Pour faciliter le positionnement des points, il est parfois utile d’activer l’accroche à la grille Mais si l’on connait les coordonnées des points, il est plus simple de les saisir. Pour cela appuyer sur et surla touche tabulation. Le repère sur la zone de dessin est : Préprocesseur Desssiner le modèle Processeur Définir les paramètres et lancer la simulation Postprocesseur Exploitation de la simulation Résumé :FEMM 4.2 est un logiciel s’appuyant sur la modélisation par éléments finis. Il permet l’étude de problématique dans le domaine électrotechnique. Je présente ici un exemple d’étude simple, qui vous permettra de développer votre propre étude.    Simulation thermique par éléments finis La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 56 La résistance va être dessinée suivant la coupe A-A. Les points sont les suivants : Depth = 19mm 3.2. Matériaux Définir ensuite les matériaux présents dans les différentes zones. Pour cela il est tout d’abord obligatoire de définir les matériaux avant de pouvoir les placer. Choisir dans la liste des matériaux prédéfinis les éléments ci-dessus. Ils seront alors disponibles lors du placement des matériaux des zones. Sélectionner l’icône et placer dans chaque zone fermées un point de matériau. Un clic droit sur ce nouveau point permet d’ouvrir la fenêtre de définition du matériau. N’ayant pas de céramique dans la liste des matériaux prédéfinis, on le remplacera par du sable à la place. On doit aboutir au schéma suivant : Voilà, il reste maintenant à définir les conditions aux limites et lancer la simulation 3.3. Processeur Sans une définition aux limites, le calcul ne pourra aboutir (pas de terminaison). Le rectangle délimitant la zone d’air sera fixé à la température de 25°C (=298,15 K). Attention, le logiciel comprend 298.15 et non 298,15. Le menu Proprerties/Boundary permet l’accès au menu : Sélectionner l’icône  (trait ou arc) et effectuer un clic droit sur tous les segments devant recevoir la condition aux limites. Puis l’appuie sur la barre espace fait apparaître le menu permettant de la définir. A A (0,0) (11,11)(0,11) (0,2) (11,0) (0,0) x y Convection naturelle Simulation thermique par éléments finis La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 57 Maintenant, il faut définir le flux d’énergie qui apparaîtra au cœur de la résistance. Le menu Proprities/Conductors permet d’accéder au choix de la source d’énergie. On va réaliser une simulation pour Pd=8W à dissiper. Soit pour un segment (W=Pd/4) afin de simuler que les 8W s’ont dissipée sur le cercle. Sélectionner les deux limites comme indiqué ci- dessous et appuyer sur la barre espace pour appliquer l’énergie. 3.4. Post processeur Lancer la simulation en cliquant sur les icônes l’un après l’autre : 4. Exemple de scipt LUA Ce script va générer un ensemble d’images au format bmp. Il suffit après de les assembler pour former une animation. La programmation de ce type de script LUA est utilisé par exemple en simulation de problème magnétique pour voir les évolutions des lignes de champs. Ce langage est simple et il ne faut pas avoir peur de se lancer. Voilà, j’espère que cette petite introduction vous aura été utile, car les exemples en thermique avec ce logiciel ne sont pas légions.

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Thermique de l’habitat

Thermique de l’habitat La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 48 Thermique de l’habitat PIETRANICO Sylvain pietrasy@lycee-lecorbusier.org 1. Thermodynamique générale : 1.1. Premier principe : D’après le premier principe de la thermodynamique appliqué à un système fermé, la variation d’énergie d’un système est égale à l’énergie reçue sous toutes ses formes (travail, transferts thermiques) : ∆ℇ =

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Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD

Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 42 Stockage d'énergie ; exemple d'une séquence en STIDD Richad DAYA Lycée Jean Jaurès Argenteuil Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une quantité d'énergie en un lieu donné pour permettre son utilisation ultérieure. Par extension, le terme « stockage d'énergie » est souvent employé pour désigner le stockage de matière qui contient cette énergie. La maîtrise du stockage de l'énergie est particulièrement importante pour valoriser les énergies alternatives, telles que l'éolien ou le solaire, sûres et renouvelables, mais par nature intermittentes. Le stockage de l'énergie est l'action qui consiste à placer une énergie à un endroit donné pour faciliter son exploitation immédiate ou future. Par son importance dans notre civilisation grande consommatrice d'énergie, le stockage d'énergie est une priorité économique. Il concourt à l'indépendance énergétique, c'est-à-dire à la capacité d'un pays à satisfaire par lui-même ses besoins énergétiques. De ce fait, le stockage d'énergie est souvent l'objet d'une attention particulière de la part des pouvoirs politiques, surtout dans les pays fortement dépendants de l'étranger. 1 LES ENERGIES EMMAGASINEES Le stockage d’énergie a une double fonction dans un système : le rendre autonome ou emmagasiner une énergie pour l’utiliser avec un temps de décalage. Exemples : Véhicule hybride et système thermique de production d’eau chaude Véhicule hybride : besoin d’énergie électrique embarquée Solution batterie de stockage. Autres exemples : téléphone, ordinateur portable… Système thermique de production d’eau chaude : besoin d’emmagasiner de l’eau chauffée pour l’utiliser au fil du temps. Solution ballon de stockage d’eau. Autres exemples : réserve d’air comprimé, réserve de carburant… Il existe différents moyens d’emmagasiner de l’énergie primaire ou secondaire : Résumé : Cet article présente un cours de STIDD portant sur le stockage d'énergie. Il à pour Objectifs de réaliser le bilan d’un système de stockage d’énergie pour effectuer un choix judicieux dans une application de chaine d’énergie. - Décrire les principes de fonctionnement des systèmes de stockage d’énergie - Citer les ordres de grandeurs des performances énergétiques des stockages - Etre capable de proposer ou de justifier une solution de stockage d’énergie Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 43 2- LES FORMES D’ENERGIES SECONDAIRES STOCKABLES Le stockage d’une énergie consiste à utiliser un « réservoir » dont le but est d’emmagasiner une grandeur physique qui sera exploitée à un moment choisi. Sauf pour le stockage d’électricité, les autres procédés ne nécessitent pas de conversion finale. En fonction des besoins d’énergie, il est possible de choisir différentes formes de stockage : 3- LES GRANDEURS LIEES AU STOCKAGE Forme de l’énergie stockée Moyen de stockage Grandeur physique Unité(s) Relation physique Electrique Batteries d’accumulateurs Quantité de charge Coulomb (C) W= U.I.t (1) U : tension en volts (V) I : intensité courant en Ampères (A) t : durée en secondes (s) Q= I.t (2) Charge électrique en Coulomb (C) Electrique Condensateur et supercondensateur Tension Volt (V) W= ½. C. U2 (3) C : Capacité en Farads (F) U : Tension en volts (V) Thermique sensible Accumulateur thermique Température Degré Celsius (°C) ou Kelvin (K) W= m.C.ϴ (4) m : masse en kilogrammes (kg) C : capacité thermique massique en J/kg/K ϴ : température en Kelvins (K) Mécanique Ressort (constante K) déplacement Mètre (m) W= ½.K.d2 (5) K : constante du ressort en newton/mètres (N/m) d : allongement du ressort en mètres (m) Mécanique inertielle Volant d’inertie de moment J Taux de rotation Radian par seconde (rad/s) W= ½. J. Ω2 (6) J : moment d’inertie en kg.m2 Ω : taux de rotation en rad/s Mécanique cinétique Retenue de fluide Hauteur Mètre (m) W= r.V.g.h (7) r : masse volumique en kg/m3 V : volume en m3 g : accélération due à la pesanteur en m/s2 h : hauteur en m Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 44 Compléments : (explications supplémentaires sur chacune des expressions) Rappel l’énergie est homogène à une puissance multipliée par un temps E= P.t avec P=U.I Le joule est l’unité de l’énergie dans le Système international : 1 J = 1 W. 1 s EDF a introduit la notion d’énergie en Wh E (Wh) = P.t avec P en Watts (W) et t en heures (h) d’où 1 Wh=3600 J car nous avons 3600 s dans une heure. E (Wh) = C.U , C capacité en Ah et U tension en V Explication expression (2) : 1 C = 1 A. 1s d’où 1 Ah = 3600 C L’expression (3) représente la notion d’énergie stockée dans un condensateur Dans l’expression (4), nous avons souvent ∆θ à la place de θ car nous avons souvent une différence de température (entre deux moments, entre deux milieux) 0 ° C = 273.15 K L’expression (5), le d est souvent un x soit ½.K.x2 (d et x étant une notion d’allongement ou d’élongation en mètres (m)). (En physique énergie potentielle élastique) Dans l’expression (6), nous avons aussi souvent l’habitude de retrouver la notion de vitesse angulaire en rad/s pour Ω. Dans l’expression (7), r est souvent noté µ ou ρ représentant la masse volumique En chimie, la masse est le produit de la masse volumique par le volume (m = ρ.V) D’où l’expression (7) deviendrait W= m.g.h (appelée énergie potentielle de pesanteur en physique) g = 9.81 m/s2 (constante de pesanteur ou accélération due à la pesanteur). Batterie, supercondensateur, ballons d’eau chaude, ressort, volant d’inertie, barrage Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 45 Dans tous les cas, lors du stockage, des pertes apparaissent. Pour que le stockage de l’énergie soit considéré comme efficace, un bilan énergétique doit être réalisé. Il ne s’agit pas de transformer de l’énergie puis de la stocker pour qu’elle se dissipe en grande partie sous forme de pertes, à moins de pouvoir les valoriser. 4- STOCKAGE DE L’ENERGIE ELECTRIQUE 4.1 Chimique : piles et accumulateurs L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des batteries d’accumulateur appelées aussi électro-générateurs. L’énergie stockée dans une pile est épuisable et le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est irréversible : cycle de décharge uniquement. Une pile alcaline est un type de pile fonctionnant par oxydoréduction entre le zinc (Zn) et le dioxyde de manganèse (MnO2). La pile alcaline tire son nom du fait que ses deux électrodes nommées pôle positif et pôle négatif sont plongées dans un électrolyte alcalin d'hydroxyde de potassium, par opposition à l'électrolyte acide de la pile zinc-carbone qui offre la même tension nominale et la même taille. L’énergie stockée dans un accumulateur est épuisable mais le procédé chimique utilisé pour fournir l’énergie est réversible : cycles de décharge et de charge possibles. L’accumulateur, réversible partiellement et une batterie type lithium ion 12 V. la plupart (voire tous) les téléphones portables possèdent une batterie de type Li Ion. Une batterie lithium-ion, ou accumulateur lithium- ion est un type d'accumulateur lithium. Ses principaux avantages sont une énergie massique élevée (deux à cinq fois plus que le nickel-hydrure métallique par exemple) ainsi que l'absence d'effet mémoire. Enfin, l'autodécharge est relativement faible par rapport à d'autres accumulateurs. Cependant le coût reste important et cantonne le lithium aux systèmes de petite taille. L’énergie emmagasinée dans un accumulateur : W = Q . U avec Q = I . t 4.2 Electrostatique : condensateur et supercondensateur L’énergie électrique sous forme de courant continu peut être stockée dans des condensateurs. Un condensateur est un composant électronique ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Sa propriété principale est de pouvoir stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique et exprimée en farads (F). La relation caractéristique d'un condensateur idéal est : • i est l'intensité du courant qui traverse le composant, exprimée en ampères (symbole : A); Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 46 • u est la tension aux bornes du composant, exprimée en volts (symbole : V) ; • C est la capacité électrique du condensateur, exprimée en farads (symbole : F) ; • du/dt est la dérivée de la tension par rapport au temps. Les signes sont tels que l'électrode par laquelle entre le courant (dans le sens conventionnel du courant) voit son potentiel augmenter. Le condensateur est utilisé principalement pour : • stabiliser une alimentation électrique (il se décharge lors des chutes de tension et se charge lors des pics de tension) ; • traiter des signaux périodiques (filtrage…) ; • séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur ; • stocker de l'énergie, auquel cas on parle de supercondensateur car la capacité de charge électrique est beaucoup plus importante que celle d’un condensateur à usage électronique. Les condensateurs s’appellent aussi « capacité » par abus de langage. Energie emmagasinée L’énergie accumulée dans un condensateur est égale au travail fourni pour le charger : W = ½ . C U2 5- STOCKAGE DE L’ENERGIE THERMIQUE Deux formes de chaleur : chaleur sensible et chaleur latente En fonction des contraintes et des besoins des utilisateurs, les bâtiments ou les systèmes font appel à des technologies de stockage d’énergie thermique dans l’eau. Dans certains cas, pour le chauffage des locaux, on utilise aussi des matériaux comme le béton (plancher chauffant) afin de restituer la chaleur par inertie. Energie emmagasinée : L’eau est utilisée pour le stockage de chaleur sensible en raison de son important coefficient de capacité thermique 4180 J.kg-1 .K-1 , pour l’air ambiant 1015. W = m.C.θ Stockage d'énergie, exemple d'une séquence en STIDD La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 47 Les matériaux peuvent aussi être utilisés pour stocker la chaleur sensible. Lorsqu’une masse M de matériau de chaleur massique C subit un accroissement de température ∆T , la quantité de chaleur Q fournie est Q = M C ∆T En Architecture, on raisonne plus simplement sur des volumes que sur des masses. Il est plus intéressant de considérer le volume V de la masse M , l’expression ci-dessus deviendra donc Q = V r C ∆T. Le produit r C s’appelle chaleur volumique (kJ/m3 .°C) c’est-à-dire la quantité de chaleur absorbée ou fournie par 1 m3 de matériau dont la température varie de 1°C. 6- STOCKAGE DE L’ENERGIE MECANIQUE Certains systèmes ont besoin d’énergie cinétique pour assurer un stockage ou la régulation de l’énergie lors de fortes irrégularités de couple. On peut lisser le couple en stockant de l’énergie cinétique de rotation lorsque le couple est fort, pour la restituer lorsque celle-ci est faible. L’objet réalisant cette fonction est le volant d’inertie. Il s’agit d’un cylindre accouplé à un arbre mécanique en rotation dont le fort moment d’inertie joue le rôle de lisseur de couple. Avantages : pas d’émissions de CO2, réponse rapide. Accumulateur d’énergie cinétique : Inconvénients : doivent être solides pour éviter l’éclatement, éviter les effets explosifs dus aux grandes vitesses du volant permettant de plus grandes capacités de stockages. Energie emmagasinée : W = ½ . J . Ω2 Un volant d'inertie moderne est constitué d'une masse (anneau ou tube) en fibre de carbone entraînée par un moteur électrique. L'apport d'énergie électrique permet de faire tourner la masse à des vitesses très élevées (entre 8000 et 16000 tour/min pour le modèle ci-contre) en quelques minutes. Une fois lancée, la masse continue à tourner, même si plus aucun courant ne l’alimente. L'énergie est alors stockée dans le volant d’inertie sous forme d’énergie cinétique, elle pourra ensuite être restituée instantanément en utilisant le moteur comme génératrice électrique, entraînant la baisse de la vitesse de rotation du volant d'inertie. Le système est monté sur roulements magnétiques et confiné sous vide dans une enceinte de protection afin d'optimiser le rendement du dispositif (temps de rotation) et ainsi prolonger la durée de stockage. Avantages : Haut rendement (environ 80% de l'énergie absorbée pourra être restituée) Phase de stockage très rapide par rapport à une batterie électrochimique Temps de réponse très court, permet de réguler la fréquence du réseau Aucune pollution : ni combustible fossile, ni produits chimiques Technologie fiable, peu d'entretien Inconvénients : Temps de stockage limité (environ 15 minutes). Le stockage d'énergie par volant d'inertie est utile pour la régulation et l'optimisation énergétique d'un système, il ne permet pas d'obtenir une durée d'autonomie importante comme les batteries électrochimiques ou le stockage d'énergie par pompage/turbinage.

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Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique

Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 31 Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium – Application à l’estimation de l’autonomie d’un véhicule électrique Arnaud Sivert1 , Franck Betin1 , Bruno Vacossin1 , M.Bosson, Thierry Lequeu2 : arnaud.sivert@u-picaride.fr (1) U.P.J.V Université de Picardie Jules Verne, Institut Universitaire de Technologie de l’Aisne GEII, 02880 SOISSONS (1) 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. 1. INTRODUCTION Les véhicules électriques deviennent des nouveaux acteurs du transport. La jauge d’autonomie restante est problématique lors de longs trajets inhabituels pour lesquels la consommation énergique peut aller jusqu’à 80% de la capacité de la batterie. L’utilisateur ne sait pas s’il va rester assez d’énergie ou s’il va devoir prévoir un arrêt pour recharger. Cette anxiété peut être modérée par une infrastructure de recharge en développement [1]. Cependant, la présence de ces bornes ne minimisera pas le temps de la recharge qui peut agacer l’utilisateur. De nombreuses publications ont été faites avec des méthodes plus ou moins élaborées pour connaitre l’état de santé de la batterie (SOH : state of health) et l’état de charge (SOC : state of charge) en fonction de sa technologie [2] [3] or ces données ne sont pas utilisables par un non-expert qui aimerait juste connaitre la distance que le véhicule peut encore parcourir sans problème. L’autonomie va dépendre de l’utilisation, donc du parcours : des nombres d’accélération, de la vitesse de pointe, de la somme des dénivelés positifs et négatifs, du type de route (granuleuse ou lisse), de la circulation. A cela s’ajoute aussi des conditions d’utilisation des accessoires comme le chauffage, la climatisation, l’éclairage, l’autoradio ... En conséquence, dans cet article, nous allons répondre aux questions suivantes : - Comment peut être établi l’état de santé de la batterie ? - Comment peut-on faire le diagnostic de l’accumulateur sans appareillage spécial ? - Comment peut-on estimer la durée de vie et la fiabilité de la batterie ? - Quelle stratégie de gestion peut-on adopter pour prolonger la durée de vie des batteries ? - Quelles sont les stratégies pour connaitre l’estimation de l’autonomie restante et ne pas provoquer l’anxiété de l’utilisateur ? Evidement, il est possible d’augmenter la capacité énergique de la batterie au détriment du prix du véhicule (0,50 €/Wh). Sachant que la capacité de la batterie diminue dans le temps même si elle n’est pas utilisée (vieillissement calendaire), cette augmentation de capacité risque de ne pas être amortie au cours de la durée d’utilisation. Par conséquent, avoir une batterie avec une forte capacité énergétique n’est pas idéal à première vue. La solution d’échanger une batterie vide contre une batterie pleine demande une infrastructure et des investissements très importants. De plus, ce n’est pas viable pour un pays étendu avec des zones peu peuplées. Enfin, cette solution conduit à une location de la batterie. Cette stratégie commerciale de location de la batterie ne convient pas à de nombreux consommateurs notamment lorsqu’un véhicule est peu utilisé et que la charge locative reste la même. En vue de la transition énergétique et de la demande de la minimisation des consommations d’énergie, des véhicules individuels et ultra léger ont commencés à Résumé : Les véhicules électriques ont des temps de charge relativement long et des autonomies relativement faibles. Par conséquent, l’estimation de la consommation et de l’autonomie du véhicule est cruciale. Cette autonomie va dépendre de la vitesse moyenne, des vitesses de pointe, du dénivelé positif et négatif, de la température extérieure, ainsi que de l’état de santé de la batterie. Par conséquent, la jauge d’autonomie d’un véhicule n’est pas directement linéaire en fonction de la distance. Cette non linéarité provoque chez l’utilisateur une méfiance et ne lui permet pas d’avoir une totale confiance dans les véhicules électriques (vélo, scooter, voiture…). Il suffit de plus, qu’un seul élément de l’accumulateur soit défaillant pour provoquer une chute de l’autonomie voire un arrêt du véhicule. L’utilisateur doit donc connaitre le diagnostic de la batterie et son état de santé pour savoir s’il peut faire le parcours désiré. Cet article présente une stratégie simple pour connaitre le comportement de l’accumulateur pendant la charge et la décharge et propose une jauge rapide de chaque élément. Cet article présente la détermination de la jauge d’autonomie restante du véhicule en fonction de tous les paramètres précités. Pour savoir, si le véhicule peut faire le parcours sans recharger, une application web d’estimateur de consommation du véhicule a été réalisée et testée avec succès. Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 32 être commercialisés. Ces véhicules ont vu le jour dans des challenges tel que l’éco-marathon Shell. La mobilité d’un français dans ces déplacements quotidiens est de 26 km avec un temps moyen de 54 minutes, 50% de ces déplacements sont réalisés par un conducteur seul [5]. Enfin, les 31 millions automobilistes français parcourent 11000 km en moyenne par an. Entre 1994 et aujourd’hui, les chiffres changent peu, que ce soit pour les zones rurales ou urbaines. D’autres études sociétales montrent que les français réalisent en moyenne 8 parcours à plus de 200 km aller-retour dans l’année. Depuis 2010, des cycles électriques monoplaces sont utilisés et testés au sein de notre université sur notre site de Soissons. Avec 200 km d’autonomie et des vitesses moyennes de 45 km/h, aujourd’hui, ces véhicules ont parcouru 20 000 km [8] [9]. Ces prototypes sont équipés de batterie de technologies différentes Lithium NMC, Lithium NCA, LiFePo4, avec plusieurs constructeurs. En revanche, les stratégies de dimensionnement et de gestion de l’énergie sont identiques. 2. PRESENTATION DES VEHICULES ULTRA LEGER Depuis 2010, des cycles ultra légers sont utilisés tous les jours sur la route pour tester leurs fiabilités et leurs autonomies. En effet, plus un véhicule est léger et moins il consommera d’énergie. La vitesse de pointe permet aux tricycles carénés d’atteindre avec l’électrification 80 km/h sur le plat. Fig 1. Différentes réalisations de cycles électriques motorisés entièrement carénées (de 50 kg à 85 kg) [8, 9, 10]. L’accumulateur fournit une tension de 72 V avec une capacité énergétique de 20 Ah et une limitation du courant de la batterie à 40 A, soit 2C (2 fois la capacité énergétique). La puissance de la motorisation est de 2880 W. Notre site dispose aussi de vélos classiques à assistance électrique qui ont été réalisés pour présenter les mêmes performances. Ces dernières années, les éléments LiFePo4 sont devenus prépondérants car ils offrent un bon compromis entre le prix, la capacité énergétique massique et volumique et la sécurité d’utilisation. Les batteries et les chargeurs de ces prototypes ont été réalisés aux laboratoires. Les chargeurs avec équilibreur intégré disposent de courants paramétrables de 1C à 0,1C. Toutes les courbes de tension de chaque élément sont visualisables et enregistrables en charge et en décharge. Lors de la charge, la mesure de la résistance interne de chaque élément peut se faire toutes les minutes. Des bancs de décharge ont aussi été réalisés pour pouvoir faire des tests sur les accumulateurs dans des enceintes thermiques, comme le montre la figure suivante. Fig 2 . Décharge d’éléments LiFePo4 90 Ah. Or, le véhicule est un banc de test à part entière avec une instrumentation embarquée. Il suffit qu’un élément de l’accumulateur ne fonctionne pas bien, (résistance d’autodécharge, résistante interne ou capacité énergétique faible par rapport aux autres éléments, échauffement d’un élément) pour que le module électronique de surveillance de la batterie « Battery Management System » (BMS) décide d’arrêter la décharge (et donc la motorisation du véhicule !). En effet, une augmentation de la résistance interne d’un élément va provoquer une chute de tension en dessous du seuil critique (cut off voltage) et le BMS va arrêter la décharge bien avant que tous les autres éléments soient complètement déchargés. Pour éviter cette situation, il est important de diagnostiquer l’état de santé de chaque élément de batterie en temps réel. Le taux de fiabilité va dépendre du nombre d’éléments utilisés dans l’accumulateur comme nous allons le démontrer dans le paragraphe suivant. Décharge à 20A Décharge à 75A ARRET de décharge 0.1V Temps (h) Tension de 4 éléments 2.9V 3.4V 3.15V 1h0.5h 1.5h Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 33 3. MISE EN SERIE ET PARALLELE D’ELEMENTS La mise en série des cellules permet d'obtenir plus d’énergie embarquée en additionnant les tensions des éléments et permet d’obtenir la tension désirée au niveau du variateur. En revanche, la mise en parallèle de cellules de batterie permet d’avoir une intensité disponible plus importante, avec un courant de décharge par élément acceptable. L’assemblage en parallèle permet la réduction de l’impédance équivalente en prenant en compte le nombre de branches en parallèle, comparée au cumul des effets résistifs dans l’assemblage en série. Le courant max que pourra sortir l élément est donné par l’équation suivante (0) 1 ocv cut esist elem max ent V V nombr element paral é eI l l R    (0) Avec Vocv tension à vide d’un élément, Vcut tension de coupure du BMS. Cette équation est aussi valable pour tout l’accumulateur est indépendante du nombre d’élément en série. Mais, il y a de légères différences des résistances internes des cellules de la batterie, des déséquilibres de charge et de décharge peuvent apparaitre, d’où la nécessité de rééquilibrer les cellules à chaque charge. Nous allons prendre plusieurs étapes avec 2 éléments en parallèle qui ont des FEC Ex et des résistances internes Rx avec 2 exemples de courant de décharges de 10A 1 2 1 2 1 2       decharge E E I V R I V R I avec V tension des 2 éléments en parallèle. Exemple en décharge I=10A Etape 1 : les E1=E2=3.3 et R1=R2=1mΩ, alors V=3.295V et I1=I2=I/2 chaque élément fournit une partie du courant. Etape 2 : avec E1=E2 mais R1=5.R2=5mΩ alors V=3.292V I1=1.667A et I2=8.33A Etant donné que l’élément 2 fournit plus de courant, sa FEC va diminuer plus rapidement que l’élément 1. Etape 3 : toujours avec avec R1=5.R2=5mΩ E1=3.3V E2=3.295V alors V=3.283V I1=2.5A et I2=7.5A L’élément 2 se décharge toujours plus que l’élément 1. Etape 4 : toujours avec R1=5.R2=5mΩ avec E1=3.3V E2=3.28V alors V=3.275V I1=5A et I2=5A, Les 2 éléments refournissent le même courant. Etape 5 : toujours avec R1=5.R2=5mΩ avec E1=3.3V E2=3.265V alors V=3.263V I1=7.5A et I2=2.5A, l’élément 1 va fournir plus de courant que l’élément 2 et sa tension va diminuer. En conclusion : lorsque plusieurs éléments sont en parallèle et qu’ils ne sont pas appairés au niveau de leur résistance interne alors dans ce cas le taux de décharge va dépendre des écarts entre ces 2 éléments. Etant donné que les éléments sont assemblés par des barrettes métalliques soudés, il n’est pas possible de vérifier le débit de courant de chaque élément en parallèle et de savoir si un élément a un problème. 4. TAUX DE FIABILITE D’UN ACCUMULATEUR Lorsqu’il y a plusieurs cellules en parallèle il est donc difficile de déterminer la cellule défaillante. En effet, seul la tension commune du chaque pack de cellule en parallèle est mesurée. Par conséquent, le pack de cellule en parallèle sera considéré défaillant, même si une seule cellule est défaillante. Le taux moyen de défaillances de l’accumulateur λ (λ=1/MTBF avec MTBF le taux moyen entre panne Mean Time Between Failures) correspondra à l’équation (1), avec n le nombre de cellules qu’elles soient en parallèle ou en série. λaccumulateur (défaillance par heure) = n x λcellule (1) Donc, la probabilité de ne pas avoir de panne de l’accumulateur correspondra à l’équation suivante :   .n.tempscelluleRn temps e nR celulle   (2) Prenons par exemple une cellule de batterie de MTBF de 11000 heures, avec un cycle de charge et de décharge par jour. S’il y a 20 éléments le MTBF de l’accumulateur passe à 550 heures. La probabilité de ne pas avoir de disfonctionnement de l’accumulateur au bout de 360 heures est de 52% et au bout de 720h est de 27%. En conclusion, plus le nombre de cellules sera élevé et plus la fiabilité de l’accumulateur diminue. De plus, remplacer une cellule usagée par une cellule neuve dans un accumulateur qui a déjà un certain nombre de cycle provoquera des problèmes d’équilibrage. Une solution constitue à appairer les cellules de la batterie mais cela demande du temps et un savoir-faire. La qualité de fabrication des batteries est ainsi cruciale et un bon fonctionnement requière des cellules avec des caractéristiques les plus proches possibles. Dans l’estimation de la fiabilité d’un accumulateur, le BMS actif ou passif doit être pris en compte ce qui diminue encore la valeur de la fiabilité. La maintenance Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 34 de la batterie demande ainsi d’avoir un accès facile et d’avoir un démontage aisé de chaque élément. Enfin, en dehors de la fiabilité, d’autres paramètres contribuent à une diminution de la durée de vie de la batterie. Quelles sont ces paramètres qui provoquent une diminution de l’état de santé d’une batterie lithium ? 5. ETAT DE SANTE ET CAPACITE ENERGETIQUE DE LA BATTERIE La capacité énergétique d’une batterie est donnée par son constructeur. La figure 3 montre la variation de la capacité énergétique en fonction de la température, sachant que la tension de cut off pour le LiFePo4 est de 2,50V. Fig 3. Tension en fonction de la capacité énergétique et de la température – LiFePo4 Q=20 Ah déchargée à 1C A 45°C Q = 19.5Ah – A -10°C Q = 13 Ah [6] Sur la figure précédente, la chute de tension est surtout provoquée par la résistance interne de la batterie qui augmente pour les températures basses inferieures à 10°C. La capacité énergétique de la batterie en fonction de la température correspond à l’équation suivante (3) : T T T 18 45 C 0 C 45 CQ(A.H) Q (Q Q ) e 19.5 (16 19.5) e              Les mécanismes de vieillissement se produisent lors de l'usage de l'accumulateur (vieillissement en cyclage) mais également pendant les phases de repos. La profondeur de décharge entre 0 et 80% (DOD : Depth Of Discharge) n’a que très peu d’influence sur l’état de charge ou de la santé d’une batterie lithium [3] [4]. Par contre, si on continue de décharger au-delà de 100 % (erreur de « cut off » du BMS), les éléments se mettent en court-circuit 0V de façon irréversible avec une résistance interne faible. De plus, dans cet état, les éléments « pouch » gonflent. D’ailleurs, des capteurs de pression peuvent diagnostiquer ce genre de problème au niveau d’un accumulateur. Les statistiques montrent que les véhicules passent plus de 90% de leur vie dans un parking ce qui prouve l’intérêt d’étudier le mode de vieillissement calendaire qui n’est pas négligeable. D’ailleurs, on peut voir sur la figure suivante, la perte de la capacité énergétique en fonction du nombre de cycles (Ah) et du taux de décharge. Cette courbe montre bien le vieillissement provoqué par le cycle de charge et de décharge et par l’effet calendaire. Fig 4. Modèle du cycle de vie en fonction de la décharge (Ah) à 20° C – Valable pour LiMn 1,5Ah 2000 cycles [4] Perte de la capacité énergétique totale en bleu, perte calendaire en vert, perte cycle de décharge en brun. Cette perte de capacité est provoquée en partie par une augmentation de la résistance interne de la batterie (ESR : Equivalent Series Resistance) qui dépend de la température mais aussi de la profondeur de décharge comme on peut le voir sur la figure suivante en mode sain. Fig 5. Résistance interne lors de la décharge de la batterie en fonction de la température et de la profondeur de décharge – Élément A123 LiFePo4 dans un état sain [13]. C’est seulement à des températures supérieures à 45°C, que l’augmentation de l’impédance de la batterie du à l’effet calendaire énergétique est perceptible et cela notamment si l’état de charge reste élevé. Ainsi, le vieillissement calendaire reste relativement faible en France. L’augmentation de l’impédance est la cause essentielle des mécanismes de dégradation pour les batteries lithium. L’effet du vieillissement est surtout observé dans la gamme [0,1Hz, 1Hz] sur la partie réelle de Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 35 l’impédance interne [3]. Mais comment peut-on évaluer l’état de santé d’une batterie lithium ? 6. METHODE DE MESURE DE L’ETAT DE SANTE L’état de santé d’une batterie correspond à la capacité énergétique ainsi qu’au courant qu’elle peut fournir sans s’échauffer : cet état de santé correspond donc à une résistance interne très faible. Sur un véhicule, il faut que l’état de santé et l’état de charge soit connu avec une précision de l’ordre de 1% pour rassurer l’utilisateur. Plusieurs méthodes existent pour le SOH : - La méthode par intégration de la puissance [11] : il s'agit d'un comptage du nombre de Watt-heures entrants et sortants avec une remise à zéro après chaque recharge complète. Cette méthode ne permet pas la détermination des variations relatives de l’état de charge en fonction de la température, ni la détermination de l'autodécharge et ni la connaissance de l’état de santé à un moment donné. - Les méthodes directes basées sur des mesures de la tension et de la résistance interne par impulsions de charge et de décharge [15] ou de l’impédance dynamique par spectroscopie. Pour les LiFePo4, la variation de la tension est très faible en fonction de la profondeur de la décharge entre 10% et 80% (figure 3). Il n’est donc pas possible de connaitre précisément la profondeur de la décharge en mesurant la tension à vide ou en charge. En revanche, la méthode d’estimation de la résistance interne est souvent utilisée. - Des méthodes adaptatives par Filtre de Kalman sont aussi utilisées : il s'agit d'une structure d'observateurs dont la correction est effectuée de manière optimale et utilisée pour ajuster la variable SOC. - Méthode par la mesure du temps de charge à courant constant (CC charge) puis en tension constante (CV charge) [3]. Ces temps dépendent évidement de la résistance interne de la batterie et de la température. Mais pour cela, il faut avoir le modèle de la variation de la résistance interne de la batterie en charge qui devra être validé pour plusieurs types de courant de charge (lente, rapide) et cela en fonction de la température. Il y a des composants qui sont dédies à connaitre le SOC « battery fuel gauge » , DS2762 « Coulomb counter A.H », MAX1781 « Programmable fuel gauge », le circuit bq27500 « mesure de la résistance ». Sur la figure 6, on peut observer le temps de charge (CC et CV) d’un accumulateur en mode sain. Fig 6. Charge d’éléments A123 20Ah à 0,5C dans un état sain à 20 °C, avec la mesure de toutes les tensions de chaque élément en fonction du temps [10]. On peut donc observer sur la figure précédente que toutes les cellules ne sont pas appariées de là l’utilité de rééquilibrer à chaque charge toutes les cellules. Pour un véhicule électrique de type vélo, la méthode d’intégration du courant ou de la puissance est très facile à mettre en œuvre pour connaitre la consommation en W.h et l’état de santé de la batterie. Donc après une recharge complète, on peut décharger à 100% donc jusqu’à la tension de « cut off » d’un élément de l’accumulateur et finir le parcours en pédalant. Il faut alors vérifier qu’il n’y a pas de différences importantes avec les autres tensions des éléments de l’accumulateur et connaitre la capacité énergétique de l’accumulateur donc son état de santé pour une certaine valeur de température moyenne de la batterie. La perte de la capacité énergétique de l’accumulateur ΔE en W.H correspondra à l’équation suivante (4) avec l’énergie En correspondant à la capacité énergétique en état sain et la résistance interne de l’accumulateur en fonction de la température. 2 100    perte n decharg e(T ) dechE (T ) E (T ) mesure %(W.h) R I dt Mais quelle est la valeur de la résistance interne des éléments d’un accumulateur ? Modèle électrique d’un élément de batterie L’élément électrochimique peut être modélisé simplement par le modèle électrique suivant : Fig 7. Modèle electrique d’un element de batterie Lors d’une impulsion de courant de décharge la tension de l’élément correspondra à l’équation suivante : CC Charge CV Charge+equilibrage E R1 Ue R2 C Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 36 2 1 2 1 t R C eU (t ) E R I R I ( e )          La force électrochimique et les valeurs de résistances dépendent de la température et la profondeur de décharge. D’ou l’importance de la figure 3 qui est donné par le constructeur. Par contre, les résistances internes en mode sain en fonction de la température sont rarement fournies. Mais cette R1 peut être déterminée lors de la mise en courant de décharge et R1+R2 lors de l’arrêt de la décharge. R1 et R2 peut être déterminité aussi à partir de la figure 3. L’identification de l’impédance des éléments est donc très facile à déterminer mais il faut une mesure de la tension au mV et une mesure du courant aux dixièmes prés, donc des convertisseurs analogiques numériques précis. La constante de temps est de quelques minutes. Dans le cas le plus défavorable, donc pour un courant de décharge continue, la somme des 2 résistances provoquent l’échauffement et la chute de tension. La courbe de R1+R2 pour les A123 en fonction de la température correspond à la courbe suivante : Fig 8. Courbe de la resistance interne d’un element A123 20A.H en fonction de la temperature La valeur de la résistance interne d’un élément A123 20A.H à l’état sain en fonction de la température correspond à l’équation suivante (5): 18 45 0 45 0 01 T T T decharge C C CR (T) R (R R ) e =0.0015 . e           A partir de cette résistante, l’état de santé peut être estimé et quantifié. 6.2 Quantification et estimation de l’état de santé Lors de cette décharge avec le cutt off du BMS, l’état de santé de batterie relative (%) peut être remis à zéro de la batterie par rapport à la température mesurée et peut être déterminé par l’équation suivante : n n n E (T ) E (T ) SOH(%) E (T )   (6) Puis, l’état de charge relative peut être déterminée par l’équation suivante : n n n n E (T ) E (T ) energiedepensée SOC(%) E (T ) E (T )       (7) Apres une décharge avec cutt off du BMS, lors de la charge il est aussi possible de connaitre l’état de santé de la batterie avec la même méthode précédente, avec une meilleur précision car le courant de charge est relativement faible (0.25C à 1C) (8). 2 charg e(T ,t ) chSOH(W .H) mesurecharge(W.H) R I (t )- dt  Exemple : Apres une décharge jusque 2.5V des éléments à 25°C, pour un accumulateur de 21 éléments A123 (1344W.H nominale), en charge à 6A, la mesure de la charge est de 1353W.H, la température passe rapidement à 27°C, la résistance de charge est de 4 mΩ pratiquement constante en fonction du DOD. Le chargeur fait la mesure de la résistance interne toutes les 2 minutes ainsi que l’intégration de la puissance à la batterie et l’intégration des pertes dans la résistance de l’accumulateur tous les 0.2s. La valeur du SOH de la batterie correspond environ à l’équation suivante : 3.25 3 2 0 SOH 1353- 21 4 10 6 dt       =1344W.H à 27°C Toujours après un arrêt de décharge à 100% à 10°C, lors d’une charge à 10°C, toujours à 6A, la mesure de la charge est de 1120W.H, l’augmentation de la température est de 14°C, la résistance de charge est d’environ 6 mΩ 2.66 3 2 0 SOH 1120- 21 6 10 6 dt       =1106W.H à 10°C Le SOH doit toujours être réestimé en fonction de l’utilisation de la température de la batterie à partir de l’équation (3). La résistance interne lors de la charge est plus élevée par rapport à la résistance lors de la décharge. Par conséquent pour une charge à 1C, la température atteinte par la batterie est plus importante que lors de la décharge [9, 13]. C’est pourquoi le taux de charge maximale préconisé par le constructeur est de seulement 1C pour une durée de vie optimale. Connaitre l’état de santé de l’accumulateur d’une voiture électrique est plus problématique car elle ne peut plus rouler après une décharge de 100%. Mais après avoir fait un long parcourt il est possible de finir de décharger la batterie à 100% chez soi, avec le chauffage (environ 5 kW pour une voiture), puis de recharger l’accumulateur pour connaitre la capacité énergétique de la batterie. Température (°C) R1+R2 (Ω) R Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 37 Mais quelle est la tolérance admissible entre les cellules ? 7. TOLERANCE ADMISSIBLE ENTRE LES CELLULES D’UNE BATTERIE Pour nos cycles électriques, la durée de vie des batteries consiste à trouver la limite pour laquelle la baisse de performances est considérée comme intolérable. Généralement, une perte de 25% de la capacité énergétique nominale est une bonne limite. Une augmentation de la résistance interne qui provoque une chute de tension de 7,3% à 3C peut être un autre critère. Enfin, un échauffement au-delà d’une valeur critique lors d’un cycle normal d’utilisation est aussi un bon indicateur de défaillances. Cette valeur critique de température de l’accumulateur est préconisée par le constructeur afin de préserver les isolants utilisés. Par exemple, pour une cellule A123 20Ah, la température maximale d’utilisation est de 60°C avec une résistance thermique de 3°C/W (avec 1mm d’espace entre les éléments) et une capacité thermique de 800 J/°C et un coefficient d’entropie dE(SOC) / dT qui varie de -2mV/°C à 2mV/°C [6, 13] en fonction de la capacité énergétique. La température est mesurée sur l’électrode positive ou la chaleur est la plus importante que pour le reste de la batterie. En effet le terminal positif est fait d’aluminium qui possède une résistivité plus importante que celle du cuivre. L’évolution de la température de la batterie correspond à l’équation simplifiée suivante : t P(W ) R . R CTH TH(T T )( C)amb (1 e )TH      (9) La puissance perdue dans l’élément de la batterie correspond à l’équation suivante avec R(Ω) correspondant à la résistance interne d’un élément et I(A) à son intensité. dE(SOC)2P(W ) R(T ,SOC ) I I T dT      (10) Exemple : pour une décharge à 2C, donc à 40A, en continu avec une température ambiante de 20°C et une résistance de 2 mΩ, la cellule aura une puissance à dissiper de 3,2 W. Par conséquent, l’augmentation de température sera de 6,4°C ce qui n’est pas un problème pour la cellule. En revanche, si la résistance interne passe à 12 mΩ à cause du vieillissement, alors la puissance à dissiper atteint 19,2W et l’augmentation de la température est de 38,4°C soit 58,4°C aux bornes des électrodes. Cette température est critique et le BMS arrêtera le fonctionnement du véhicule s’il n’y a pas une ventilation forcée de la batterie. Sur la figure suivante, on peut observer l’évolution des pertes thermiques d’un élément en fonction de la profondeur de décharge et du temps. Fig 9. Perte en chaleur pour différentes températures ambiantes pour un courant de décharge 2C en fonction de DOD ou du temps. D’ailleurs, l’incrémentation de la température sera plus grande à 5°C qu’à 35°C car la résistance interne sera plus importante. Sur la figure suivante, on peut observer l’incrémentation pour un taux de décharge important de 4C. A 5°C ambiant, la température de la batterie atteindra une température de fonctionnement optimale autour de 20°C. Fig 10. Incrémentation de chaleur pour un courant de décharge 4C en fonction du DOD et du temps en mode sain, mesure en trait plein et modélisé en trait pointillé. La perte énergétique provoquée par la résistance interne de la batterie pour une décharge de 100% correspond à l’équation suivante :   t100% 2W W.H R( SOC,T ) I dtperte 0     (11) À une température ambiante de 20°C, pour une cellule A123 de 60 Wh, en mode sain avec une résistance de 2 mΩ, l’énergie perdue est de 0,8 Wh à 1C et de 1,6 Wh à 2C, soit 2.6% de la capacité nominale. En mode dégradé, avec une résistance de 12 mΩ, l’énergie perdue est de 4,8 Wh à 1C et de 9,6 Wh à 2C soit 16% de la capacité nominale. , time 30mn15mn 7.5mn 15mn Tambiante=35°C Tambiante=5°C ΔTbattery (°C) A123 (20A.H) A123 (20A.H) 3mn Tamb=5°C Tamb=15°C 3mn Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 38 Une différence de résistance interne provoque un temps plus de long de la recharge à tension constante à cause de l’équilibrage de chaque élément. 8. ÉQUILIBRAGE DE LA CHARGE ET DE LA CAPACITE ENERGETIQUE Si toutes les tensions électrochimiques (OCV : Open Circuit Voltage) sont identiques, alors le temps de rééquilibrage à chaque cycle dépendra seulement de la différence entre la résistance interne de la plus grande d’une cellule par rapport à la plus faible, appelé ΔR. Ce temps de rééquilibrage de charge dépend la puissance lors de la charge lors de l’équilibrage et correspond à l’équation suivante : E (W.h )equilibre t( H ) puissancecharg e_1_cell   (12) La différence d’équilibrage correspondra à la différence des pertes d’énergies dans les résistances : 2 2E R I dt R I dtequilibre decharge dech charge ch          Dans le cas le plus défavorable, avec une décharge à 2C et une charge à 1C, avec une décharge à 100%, l’équation du déséquilibre correspond à l’équation précédente avec la capacité énergétique Q en Ah et l’intensité de charge à 1C. E ( R I 2 R I ) Qequilibre decharge charge        (14) Dans le cas de la batterie A123 20Ah, une intensité de 20A et avec un écart de 1mΩ entre la résistance de décharge et de la charge, la différence d’énergie sera de 2Wh. Avec une puissance de 1,65W pour l’équilibrage pour une cellule, il faudra 1,2 h pour faire le rééquilibrage. L’équilibrage passif à faible puissance, en déchargeant les cellules les plus chargées avec des résistances, est une solution peu onéreuse à mettre en œuvre. Ce type d’équilibrage peut être observé sur la figure 6. Par contre un rééquilibrage actif peut être plus rapide, mais ce système est plus complexe donc plus cher. Si le rééquilibrage ne se fait pas, alors l’écart de la capacité énergétique augmente entre les cellules qui ont la résistance interne la plus faible et celles qui ont la résistance interne la plus forte. L’utilisateur du véhicule doit être prévenu du fait que si le rééquilibrage soit complet ou pas. L’instrumentation du véhicule électrique indique à l’utilisateur : la consommation en Wh, le % de l’énergie restante, la température des éléments de batteries, les Wh par km… Nos instrumentations [11] ont une erreur sur la mesure de puissance de 0,12% et une erreur sur celle de l’énergie de 0,5Wh (pour un accumulateur de 72V, 20Ah 1440Wh). En dehors de la connaissance de l’état de santé de la batterie, de l’énergie consommée depuis cette batterie en temps réelle, ce qui intéresse l’utilisateur d’un véhicule électrique, est concrètement, le nombre de kilomètres qu’il peut faire avec l’énergie restante en prenant en compte éventuellement une réserve de sécurité de quelques % afin de ne pas avoir l’inquiétude de tomber en panne … Dans tous les cas, la distance parcourue va dépendre de la consommation du véhicule et du trajet à effectuer. C’est pourquoi un estimateur de consommation en fonction de la somme du dénivelé et de la vitesse moyenne a été développé … 9. ESTIMATION DE CONSOMMATION SUR UN PARCOURS Depuis 2012, une application ebikemaps.com [12] a été développée. Cette application a subi de nombreuses améliorations au cours du temps pour estimer la consommation du véhicule sur un parcours. En effet, il est possible de tracer son parcours sur « Google Maps est de connaitre le dénivelé positif et la consommation pour ce parcours. Pour cela, le véhicule doit être modélisé avec le coefficient d’aérodynamisme, le coefficient de roulement, et le rendement de la motorisation en fonction de la puissance résistive. La puissance absorbée du vehicule correspond à l’équation (9). 3P (W ) k Vit (k k ) Vit(km / h) / ( )abs Aero roul pente Presisitive         Sur un parcours donné, la consommation énergétique en fonction du cycle motorisé peut être estimée approximativement par l’équation suivante (10) : ( distance D ) M g D E(W.h ) ( P (V ) P )motor moy humain V ( km / h ) 3,6moy         avec la vitesse moyenne en km/h, D+, D- les dénivelés positifs, négatifs et la distance en km. Donc à partir de l’équation une estimation de la consommation de l’énergie de la batterie peut être réalisée, comme on peut l’observer sur la figure suivante avec sa jauge de batterie en fonction du parcours et de la vitesse moyenne. Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 39 Fig 11. Estimation de la consommation énergétique en fonction d’un parcours et d’une vitesse moyenne fixée pour un tricycle caréné. La puissance résistive et la température du moteur sont aussi estimées. [8] Sur la figure suivante, on peut observer les mesures de la consommation, de la puissance sur le parcours précédents, ce qui permet de confirmer l’estimateur. Fig 12. Enregistrements de la vitesse (bleu), de la puissance (vert), de l’énergie (violet), de l’altitude, de la somme du dénivelé positif et de la température moteur. La précision de l’estimation est d’environ 5% sur des parcours allant de 20 km à 200 km. 50% de la consommation dépend du dénivelé positif avec des véhicules qui ont une masse faible de l’ordre de 140 kg avec le cycliste. L’estimateur ne prend pas en compte le freinage régénératif électrique, la granulométrie de la route, le vent et la consommation due aux accélérations. On peut remarquer sur la figure précédente, que la puissance est fortement hachée car il y a de nombreuses accélérations sur un parcours, alors que l’estimateur filtre ces demandes en énergie. Certaine jauge sur un véhicule électrique indique la distance restante à parcourir en km. Cette estimation est déterminée par l’équation suivante (11) avec la capacité restante de la batterie et la consommation moyenne sur une certaine distance (ici 10 km).   capacité (W.H ) / consommation (W.H ) / 10kmrestante moDis yetance km nne    Naturellement, la distance estimée restante sera faussée si après un dénivelé faible une montée conséquente se présente. La consommation moyenne sur nos vélomobiles peut ainsi passer de 5 Wh/km à 10 Wh/km sur certains parcours pour une vitesse moyenne identique en fonction du profil du parcours. 10. ESTIMATION DE LA DUREE DE VIE DE LA BATTERIE Pour les batteries A123 20Ah à 25°C, le vieillissement provoquant une perte de moins de 3 % de la capacité énergétique est de 15 ans, comme on peut l’observer sur la figure suivante. Fig 13. Vieillissement calendaire des éléments LiFePo4 A123 avec 50% d’énergie stockés [6]. Sur la figure suivante, le nombre de cycle à 25°C est de 5200 cycles (102600Ah) pour une perte de 20% de la capacité énergétique par rapport à la capacité initiale. Fig 14. Perte de la capacité énergétique à différentes températures avec 100% de DOD [6]. Etant donné que les vélomobiles consomment environ 1200 Ah pour 10000 km, la durée de vie estimée de la batterie serait de 850 000 km avec un courant de décharge de 2C, une température de 25°C et un taux de décharge de 100%. En générale, 90% des cycles ont des décharges peu profondes inférieures à 40%. Mais les constructeurs donnent rarement l’équation ou la courbe du nombre de cycle de vie en fonction du DOD comme on peut l’observer sur la figure suivante [14]. A123 (20A.H) A123 (20A.H) 55°C 25°C35° C 45° C Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 40 Fig 15. Evolution du nombre de cycle et de la consommation échangée en Ah en fonction du DOD à 25°C. Sur la figure précédente, on peut observer la capacité énergétique échangée en Ah en fonction de DOD. Sur la figure précédente, il y a une optimisation de l’échange de la capacité énergétique à 37 % du DOD. Les constructeurs ne donnent pas l’évolution de la résistance interne en fonction du vieillissement. C’est la résistance de diffusion sur la borne + qui augmente fortement en fonction du vieillissement [16]. Mais Peut-on utiliser un élément lithium à 0V dans un accumulateur ? Quelle sera la résistance interne et son échauffement ? 11. ELEMENT A 0V ET STABILITE THERMIQUE Suite à une profondeur de décharge trop importante ou au vieillissement, l’élément passe à 0V. Peut-on forcer le BMS sans crainte ? En effet avec un BMS, ce n’est pas possible d’utiliser l’accumulateur car il n’est plus possible de charger et de décharger la batterie avec un élément à 0V. La encore l’échauffement principal est sur la borne positive en aluminium. En charge 10A, entre 15°C et 24°C sa résistance est de 0.08 Ω, puis la température passe à 34°C avec une résistance de 0.095 Ω, donc la résistance interne augmente très légèrement en fonction de la température comme on peut l’observer sur la figure suivante, mais il n’y a pas de divergence thermique. En décharge à 10A, l’élément devient récepteur. La résistance interne de l’élément diminue en fonction de la température. La température de l’élément en défaut atteint 31°C. Etant donné que la résistance diminue lorsque la température augmente alors pour un même courant, la puissance perdue qui provoque l’échauffement diminue. Par conséquent, il n’y a pas de divergence thermique. Mais, cela provoque une chute de tension non négligeable aux bornes de cet élément, donc sur l'accumulateur. Fig 16. Evolution de la résistance interne d’une cellule morte. Par conséquent, une batterie lipofer à 0V n’a pas une résistance interne négligeable. Nous n’avons pas assez d’élément mort pour faire une généralisation sur un élément à 0V. Mais dans le cas, présent, il serait possible de forcer le BMS sans destruction de l’accumulateur. Puis, il vaudra mieux changer l’élément en défaut ou le court-circuiter, surtout si les courants sont importants. 12. CONCLUSIONS Cet article a permis d’établir que l’on pouvait connaitre simplement l’état de santé de chaque élément d’une batterie installée sur un véhicule électrique. L’augmentation de la résistance interne du au vieillissement provoque une chute de la capacité énergétique et aussi un échauffement préjudiciable à la batterie. La durée de vie, quant-à-elle, dépend du taux de décharge. Par conséquent, pour une certaine puissance, il est préférable d’augmenter la tension de l’accumulateur pour ne pas dépasser un taux de décharge de 2C. Cette augmentation de la tension demande un nombre d’éléments plus importants au détriment de la fiabilité. Pour minimiser le taux de décharge, l’utilisation de super capacités est une solution [7] mais qui reste cependant encore onéreuse aujourd’hui. La connaissance du vieillissement de la batterie en fonction de l’utilisation permet d’estimer sa durée de vie pour une étude marketing [3]. L’étude du nombre de cycles possibles pour un accumulateur demande de faire des études relativement longues. Ces données sont peu fournies par les constructeurs. Il en est de même pour la fiabilité de la cellule. Dans tous les cas l’autonomie va dépendre surtout de la consommation du véhicule. Pour toutes ces raisons, un estimateur de consommation est obligatoire pour prendre en compte la somme des dénivelés et la vitesse moyenne. Une application a été testée sur plus de 1500 cycles (vélos, tricycles, vélomobiles) avec succès. Cet estimateur prend en plus en compte l’état de santé de la batterie ainsi que sa température qui joue un grand rôle en ce qui concerne la capacité énergétique de la batterie. Cet Resistance interne d’element A123 morte 0V A123 (20A.H) Capacité énergétique échangée (A.H)/5 Cycle de vie (limité pour 80% du SOH) Etat de santé, diagnostic, durée de vie des batteries Lithium La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Hors Thème 41 estimateur et une bonne stratégie de gestion de l’autonomie peuvent être utilisés pour tous les types de véhicules électriques. 13. REFERENCES [1] J. Neubauer, E. 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Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 22 ALIMENTATIONS DES VARIATEURS DE VITESSE PAR BUS A COURANT CONTINU FRANCK LE GALL Lycée Jules Ferry Versailles 1. Introduction La solution la plus courante pour alimenter les variateurs de vitesses des machines alternatives consiste à utiliser un onduleur triphasé alimenté sous une tension continue (figure 1). Figure 1 : Structure de base d'un variateur Lorsque, dans de nombreuses applications industrielles (papeterie, fonderie ...), il est nécessaire d'utiliser une série de variateurs, il est alors souvent économique de connecter ces variateurs en parallèle sur la même source de tension qui est alors appelée "bus continu ou bus DC" (figure 2). Figure 2 : Bus DC alimentant plusieurs variateurs A titre d'exemple, des architectures constituées d'une vingtaine de variateurs alimentés sur le même Bus DC sont classiques dans les process de métallurgie ou des industries papetières. Les bus DC dépassent alors la centaine de mètres. Outre le gain financier évident lié au partage du même bus DC, cette structure est aussi très intéressante pour faciliter la sauvegarde en cas de défaillance du réseau. Un Bus continu secouru par des batteries permet d'éviter les problèmes d'interruption de production comportant des engagements de matière et des conditions de redémarrages complexes (exemple de tôles dans les lignes de parachèvement). Par ailleurs, il est important de veiller à ce que d'une part, les variateurs polluent le moins possible le réseau triphasé d'alimentation du bus continu tant du point de vue des fluctuations de puissance réactive que des harmoniques, et que d'autre part, les variations dans l'amplitude de tensions du réseau ne génèrent pas d'instabilités sur le bus DC. Enfin il faut que la tension du bus DC reste constante alors que la puissance active absorbée par les machines reste elle aussi constante. Cette double contrainte implique l'existence d'une résistance dynamique négative dont il faudra analyser les implications. 2. Structures d'alimentation du bus DC Partant d'un réseau triphasé, plusieurs solutions peuvent être envisagées pour alimenter le bus continu. On peut les classer en deux grandes catégories ; les sources non régulées à base de ponts de diodes et les sources régulées à base de composants de puissance commandables (thyristors ou transistors). 2.1. Ponts de diodes Le pont de diodes PD3 peut être utilement intégré dans une structure dodécaphasées pour annuler les harmoniques de rangs 5 et 7 en amont du transformateur (figure 3). Résumé : Dans les installations industrielles dont les procédés nécessitent l'utilisation de nombreux variateurs de vitesse, il est souvent économiquement pertinent de connecter ces convertisseurs sur un même bus continu. Il faut alors se poser des questions sur le dimensionnement du bus continu afin d'assurer sa stabilité et de limiter les perturbations sur le réseau. MEd Id MEd Id MEd MEd Id ALIMENTATION M2M1M3M4M5 ALIMENTATION M2 M1 M3 M4 M5 ALIMENTATION M2M1M3M4M5 ALIMENTATION M2 M1 M3 M4 M5 Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 23 Figure 3 : Structure dodécaphasée à diodes Cette structure est classique. Elle permet pour un faible coût d'obtenir un bus continu comportant de faibles ondulations et dont les pollutions harmoniques sur le réseau triphasé n'apparaissent qu'à partir du rang 11. En revanche, le bus continu ne peut être contrôlé. 2.2. Ponts tous thyristors Pour limiter les pollutions harmoniques sur le réseau alternatif, il est judicieux de conserver la structure dodécaphasée précédente. Par ailleurs, la tension de sortie du redresseur devant être constante, il faut porter un soin tout particulier au dimensionnement (choix d’un angle  de commande des thyristors, faible et dont la variation doit être liée aux variations de tension du réseau alternatif) pour limiter la demande en puissance réactive. Figure 4 : Structure à thyristors Si le procédé nécessite une gestion de la réversibilité énergétique, deux cas se présentent :  Les freinages sont exceptionnels. Il suffit alors d'ajouter de disposer sur le bus une résistance de dissipation enclenchable, statiquement ou par contacteur, en cas de surtension.  Les freinages sont répétitifs. Une alimentation réversible est alors nécessaire. La solution la moins contraignante, en terme de puissance réactive et de pollution harmonique est l’utilisation d’un redresseur actif ou « active front end ». 2.3. Redresseurs MLI La troisième structure envisageable est constituée d'un redresseur à Modulation de Largeur d'Impulsions (MLI). Ce type de convertisseur est particulièrement bien adapté à l’alimentation des bus à courant continu car il est réversible en courant, il génère peu ou pas de courants harmoniques dans les basses fréquences, il consomme peu ou pas de puissance réactive sur le réseau. Figure 5 : Structure à redresseurs MLI En revanche, cette structure est plus couteuse et plus complexe à mettre en œuvre que les précédentes. 3. Existence des instabilités Le Bus DC en aval des structures de redressement étant constitué d’éléments L et C (figure 6). Quelque soit la structure choisie pour l'alimentation du bus DC, il existe un risque d’instabilité qui amplifierait d'éventuelles petites variations de la tension alternative, donc de la tension Ed0. Figure 6 : constituant LC du bus DC  C : somme des condensateurs présents sur le bus  R : résistance équivalente à l'ensemble des charges sur le bus Alimentations des variateurs de vitesse par bus à courant continu La Revue 3EI n°84 Avril 2016 Thème 24  r : résistance due à la commutation des diodes  L : inductance totale correspondant aux 4 inductances des secondaires des transformateurs parcourues à un instant t (l'inductance du réseau est négligée). Il est primordial de connaître la fonction de transfert de cette structure pour dimensionner les composants afin d'éviter ces instabilités. Le calcul de la fonction de transfert U/Ed0 donne :  Pulsation propre :

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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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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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n83 complet

La Revue 3EI n°83 Janvier 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 : www.see.asso.fr/3ei onglet ‘soumettre un article’ Secrétaire Général pour la SEE Mr Jacques HORVILLEUR communication@see.asso.fr 01 56 90 37 09 Communication 3EI Aurélie BAZOT abo@see.asso.fr 01 56 90 37 17 publicité au rapport Abonnement (4 numéros par an) Janvier, Avril, Juillet, Octobre 2016. Tarifs TTC : (revue papier) Individuel : France et UE ...............40 € Pays hors UE...............50 € Collectivités France et UE ...............57 € Pays hors UE...............70 € Impression & routage Imprimerie JOUVE Dépôt Légal : Janvier 2016 Commission Paritaire 1217 G 78028 ISSN 1252-770X Sommaire du n° 83 p. 2 Éditorial, p. 3 Annonces, Publications, p. 5 Modèle équivalent d’un élément électrique F. VASSENAIX IUT 1 - GEII St-MARTIN-D’HERES p. 11 Résistance des Matériaux R. GRUAU , J-P. ILARY Lycée Jules Ferry VERSAILLES p. 16 Exemple d’application de la RDM R. GRUAU , J-P. ILARY Lycée Jules Ferry VERSAILLES p. 19 Mesurer pour rénover. M. OURY Directeur scientifique de TPLine J. MORLET Lycée Galilée CERGY p. 29 Petite introduction au langage SysML pour la STI2D R. COSTADOAT Lycée Dorian PARIS F. LE GALL Lycée Jules Ferry VERSAILLES p. 36 Liaison Ethernet, du modèle aux protocoles F.OUCHET, ENS Rennes, Campus de Ker Lann, BRUZ p. 46 Récupération de l’énergie des vibrations d’une poutre piézoélectrique V. BOITIER , A. BELINGER Université de TOULOUSE p. 53 Initiation au réglage d’un système asservi par la méthode ''des plans d’expériences'' B. BAUDIER Lycée J.Duhamel DOLE p. 62 Classe inversée : exemple de mise en œuvre pour les leçons de sciences physiques de BTS Electrotechnique F. HOLST Lycée Edmond Labbé DOUAI p. 73 Banc de test éolien de nouvelle génération tolérant aux défauts A.SIVERT* , S.CARRIERE* , F.BETIN* , B.VACOSSIN* , M. TAHERZADEH* , A. YAZIDI* , A. PANTEA* , J.CLAUDON** ,J.ACCART** * Laboratoire des Technologies innovantes Université de Picardie SOISSONS ** plateforme-innovaltech SAINT QUENTIN 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 17 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 : Enseigner en STIDD Hors Thème Editorial La Revue 3EI n°83 Janvier 20162 Un numéro spécial STI2D pour débuter l'année 2016, quelle bonne idée ! Les rédacteurs de ce numéro se sont placés dans l'état d'esprit d'un enseignant de technologie formé dans une spécialité (mécanique, électricité,...) qui doit se lancer dans l'enseignement transversal. Comment aborder les domaines qu'il ne connaît que vaguement ? Par quoi commencer ? Nous vous proposons donc une série d'articles permettant de prendre pied dans un domaine nouveau et d'en comprendre les enjeux et les intérêts. Le spectre de ces articles est large puisqu'il couvre : x le génie électrique avec la modélisation d'une batterie et d'un moteur à courant continu, x le génie mécanique avec un cours et un TD de résistance des matériaux, x l'énergétique avec un projet mené par des élèves de STI2D sur la rénovation énergétique de bâtiments, x et l'informatique avec une introduction au langage SysML, suivie d'un article sur les liaisons Ethernet, du modèle aux protocoles. Le nombre de pages du thème étant forcément limité, nous publierons un article supplémentaire sur la thermique de l'habitat dans le prochain numéro de la revue qui paraîtra en avril 2016. En complément des publications du thème, nous vous proposons quatre articles qui, bien que n'étant pas précisément liés à l'enseignement de la STI2D, exposent des expériences pédagogiques très intéressantes menées à différents niveaux d'enseignement. x M. Boitier et Belinger décrivent le travail d'un bureau d'étude réalisé par des étudiants de master sur le thème de la récupération d'énergie des vibrations d'une poutre. x Deux articles exposent des travaux menés avec des étudiants de BTS électrotechnique. Celui de M. Baudier nous rafraichit la mémoire sur le réglage d'un système asservi par la méthode des "plans d'expérience"tandis que M. Holst nous décrit une application intéressante du principe de la "classe inversée". x Enfin, M. Sivert et ses collègues de l'IUT de Soisson nous proposent un article sur l'étude d'un banc de tests éolien de nouvelle génération. Le début d'année est bien entendu l'occasion de vous souhaiter à tous les meilleurs vœux de la part de l'ensemble des membres du comité de rédaction de la revue 3EI mais aussi de vous confirmer que nous relançons en 2016 l'organisation d'une journée 3EI. Cette journée aura lieu le jeudi 30 juin 2016 dans les locaux du CNAM de Paris. Le thème choisi est celui de la "mobilité électrique". Les détails de l'organisation seront donnés dans le prochain numéro de la revue mais, dès à présent, vous pouvez commencer à réfléchir à votre participation : soit tout simplement en tant qu'auditeur, soit de manière plus active en présentant un exemple des travaux que vous menez avec vos étudiants. Des cessions de posters sont prévues à cet effet. Nous espérons que cette journée sera un moment d'échanges privilégiés entre nous tous et que nous en repartirons avec des idées pour dynamiser nos enseignements. Bonne lecture. Le Comité de Publication de la Revue3EI 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 La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 3 Abonnement 3EI La Revue 3EI n°83 Janvier 20164 Abonnement REE Modèle équivalent d’un élément électrique La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 5 Modèle équivalent d’un élément électrique Fabien VASSENAIX Département GEII – IUT 1 – 151 rue de la Papeterie Domaine universitaire – BP 67 38402 SAINT-MARTIN-D’HERES Cet article va permettre de réaliser le modèle équivalent d’une source d’énergie électrique (une batterie) et celui d’un récepteur (une machine à courant continu) en vue de les insérer dans des simulations par exemple sous MathLab/Simulink. Pourquoi ces deux éléments, tout simplement parce que leur modèle équivalent est, en première approximation, simple à définir. 1. Modèle équivalent d’une source électrique continue 1.1. Présentation des piles et des accumulateurs électriques: Une pile ou un accumulateur électrique est un dispositif électrochimique destiné à stocker de l’énergie chimique et à la restituer ultérieurement sous forme d’énergie électrique. On les retrouve dans les appareils autonomes ou embarqués qui sont de plus en plus nombreux au quotidien : Appareils photo, téléphones portables, lecteurs MP3, jouets, jeux électroniques, télécommandes, petit électroménagers, outillages portatifs, véhicules automobiles… 1.2. Principe de fonctionnement : Rappel de physique : Les atomes sont constitués de neutrons, de protons et d’électrons. Certains atomes perdent ou gagnent des électrons et deviennent des ions positifs ou négatifs. Fonctionnement : Une anode et une cathode sont plongées dans un électrolyte, (élément permettant aux ions de circuler) Une réaction chimique appelée l’oxydoréduction entraîne : Au niveau de l’anode apparait une oxydation, c'est- à dire une perte d'électrons, qui engendre la création d’ions positifs pouvant circuler dans l’électrolyte. Il y a une perte de matière au niveau de l’anode. Au niveau de la cathode apparait une réduction, c'est-à-dire un gain d'électrons, qui engendre une création de matière par recombinaison des électrons circulant par le fil électrique et des ions circulant dans l’électrolyte. 1.3. Les différents types d’accumulateurs Les piles possèdent de nombreuses formes en fonction de leur principe de fabrication Exemple de la batterie au plomb que l’on retrouve dans nos véhicules thermiques 1.4. Étude du modèle électrique équivalent d’un accumulateur 1.4.1. 1er modèle électrique : Essai à vide pile chargée Résumé : Réaliser un modèle équivalent permettant de modéliser, à l’aide de logiciel informatique, le comportement d’une pile ou d’une batterie. Circulation d’électron Circulation d’ion Modèle équivalent d’un élément électrique La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 6 Ce premier modèle considère la pile comme un élément idéal. On mesure à l’aide d’un voltmètre la tension aux bornes d’une pile bien chargée. Conclusion : L’essai à vide, pile chargée, permet de déterminer E la f.e.m du modèle équivalent. (f.e.m : force électromotrice) 1.5. 2ème modèle : essai en charge - pile chargée Ce second modèle va faire apparaître que lorsque la pile débite (ou absorbe) un courant, il apparait une chute de tension. En plaçant une résistance variable aux bornes de la pile chargée, nous pouvons faire varier le courant débité par celle-ci. Cette manipulation va permettre de tracer la caractéristique de décharge de la pile. Plus on diminue la résistance plus on augmente le courant délivré par la batterie. On dit que l’on augmente la charge. Plus on augmente la résistance plus on diminue le courant délivré par la batterie. On dit que l’on diminue la charge. A l’aide d’un voltmètre et d’un ampèremètre, on mesure le courant délivré par la pile et la tension à ses bornes. I Upile A R variable V L’évolution de la tension est proportionnelle au courant. Ce comportement est typiquement celui d’une résistance. C’est pourquoi, au modèle précédent on rajoute Rint correspondant à la résistance interne de l’accumulateur. L’équation électrique de notre modèle devient donc : La valeur de cette résistance est en général inférieure à 1Ω. Que manque-t-il encore à notre modèle pour mieux modéliser le fonctionnement d’une pile ? L’accumulateur ne peut pas conserver la charge indéfiniment. Notre modèle ne prend pas en compte le fait qu’une pile se décharge. Conclusion : L’essai en charge, pile chargée, permet de déterminer la résistance interne du modèle équivalent. Il faut obligatoirement avoir fait l’essai à vide au préalable. 1.6. 3ème modèle : Modéliser la capacité Le 2ème modèle que l’on vient de voir est déjà suffisant pour beaucoup de simulations. Toutefois, si l’on veut simuler le fonctionnement d’une pile dans le temps, ce modèle ne suffit plus. Une pile peut stoker une certaine quantité d’énergie, c’est ce que l’on appelle sa capacité. Elle s’exprime en A.h. 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 0 200 400 600 Résultats des mesures I(mA)I(mA) Upile(V) Upile (V) 1,5 1,45 1,4 1,35 1,3 1,25 I (mA) 0 100 200 300 400 500 On mesure à l’aide d’un voltmètre 1.5V. Le modèle électrique équivalent peut donc être un générateur de tension parfait. V I=0A Upile E =1.5V Upile Modèle électrique équivalent E =1.5V Upile Modèle électrique équivalent Rint I Charge Rint.I Modèle équivalent d’un élément électrique La Revue 3EI n°83 Janvier 2016 Thème 7 Upile I1 Rcharge Rint I URint Application : Sur notre pile, il est écrit 1,5V - 1000mA.h. Cela signifie qu’elle peut fournir 1000mA pendant une heure. Nous avons réalisé trois campagnes de mesures, durant lesquelles on a mesuré différentes valeurs de tension batterie en fonction du temps pour trois valeurs de courants (0,2×It, 1×It et 3×It) et tracé les allures de la tension batterie (voir ci-dessous).On appelle « It » le courant de décharge nominal correspondant à une heure de fonctionnement. Dans notre cas It=1000mA comme indiqué sur la pile. L’énergie stockée(en joule) dans la pile (on considèrera la tension constante et égale à 1,5V) est : Pour les trois tracés ci-dessous, le courant de décharge a été de : Idécharge = 0,2×It=0,2×1000mA=200mA Idécharge = 1×It=1000mA=1A Idécharge = 3×It=3A La tension aux bornes de la pile fluctue au cours du temps en fonction de son taux de décharge. Cette fluctuation dépend aussi de la valeur du courant de décharge. La modélisation de ces phénomènes fait appel à des outils mathématiques que vous ne maîtrisez pas encore. Nous li