Architectures intégrées de gestion de l`énergie

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Micro & Nano Electronique
Arrêté ministériel : 7 août 2006
Présentée par
« Guy / WALTISPERGER »
Thèse dirigée par « Skandar / BASROUR »
préparée au sein du Laboratoire d’Electronique et de
Technologie de l’Information (LETI) et du Laboratoire de
Technique de l’Informatique et de la Microélectronique pour
l’Architecture des systèmes intégrés (TIMA)
dans l'École Doctorale Electronique, Electrotechnique,
Automatique et Traitement du Signal (EEATS)
Architectures intégrées de
gestion de l’énergie pour les
microsystèmes autonomes
Thèse soutenue publiquement le « 17 Mai 2011 »,
devant le jury composé de :
Professeur, Christian, PIGUET
Coordinateur scientifique au CSEM à Neuchâtel en Suisse,
Professeur à l’EPFL à Lausanne en Suisse, Président
Professeur, Nacer, ABOUCHI
Professeur à CPE Lyon, Rapporteur
Professeur, Pascal, NOUET
Professeur à Montpellier II, Rapporteur
Professeur, Skandar, BASROUR
Professeur à Grenoble I, Membre
Docteur, Cyril, CONDEMINE
Ingénieur de recherche au CEA de Grenoble, Membre

(page intentionnellement blanche)

REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier en tout premier lieu Skandar Basrour et Cyril Condemine qui ont
respectivement dirigé et encadré cette thèse. Tout au long de ces trois années, ils m’ont
soutenu et aidé à orienter mes recherches tout en m’éclairant sur le fonctionnement des
microsystèmes et des récupérateurs d’énergie, de la mécanique des matériaux jusqu’aux
fonctions électroniques les plus complexes.
Je remercie les rapporteurs de cette thèse, Pascal Nouet et Nacer Abouchi, pour la
rapidité et la rigeur avec lesquelles ils ont lu mon manuscrit et l’intérêt qu’ils ont porté à mon
travail. Merci également au président du jury Christian Piguet pour le vif intérêt qu’il a porté à
mon travail.
Merci à Jean-René Lèquepeys et à Roland Blanpain, chefs de département au LETI
pour m’avoir accueilli et pour leur confiance.
Je voudrais remercier deux collègues qui jouent un rôle fondamental dans le
développement de la plate-forme MANAGY. Tout d’abord Frédéric Rothan pour ses conseils
avisés et son soutien technique. Puis Jérôme Willemin pour son regard critique, me permettant
de prendre le recul nécessaire et de veiller à la protection des idées novatrices issues de ce
travail.
J’ai eu également le plaisir de collaborer avec des laboratoires français ainsi qu’avec
des grandes entreprises du secteur de l’énergie et de la microélectronique. Je remercie les
collaborateurs avec lesquels j’ai eu la chance de travailler et qui m’ont permis d’affiner mon
projet.
J’exprime toute ma reconnaissance à ma fiancée, pour l’attention qu’elle a portée à la
lecture de mon manuscrit ainsi qu’à ma famille, et mes amis pour le rôle fondamental qu’ils
ont joué au coté de ma fiancée en me soutenant pendant ces trois intenses années.
Enfin, une pensée émue pour les collègues, doctorants et étudiants avec qui j’ai
partagé des instants conviviaux et qui ont permis la réalisation de mes travaux pendant ces
trois années au sein des laboratoires du LETI et du TIMA : H. Lhermet, J.-F. Christmann,
A. Ramond, E. Colinet, S. Dauvé, H. Fanet, G. Despesse, J.-J. Chaillout, P. Audebert,
E. Delevoye, S. Robinet, Claire, Sahar, Grégory, Anton, Alexandre, Chady, Hela, Hamid,
Marjolaine, Hubert, Samuel, Guillaume, Julien, Brice, Motoï, Paco, Maxime, Agnès, Wenbin,
Marcin, ...

« Conservons par la sagesse ce que nous avons acquis par l'enthousiasme »
Condorcet
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TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES 5
RESUME 7
GLOSSAIRE 9
INTRODUCTION 11
CHAPITRE I : LES MICROSYSTEMES AUTONOMES 13
1. I NTRODUCTION 17
2. L ES MICROSYSTEMES AUTONOMES 20
2.1 Etat de l’art 20
2.2 Le projet MANAGY 25
3. L ES SYSTEMES DE RECUPERATION D ’ ENERGIE 28
3.1 Les systèmes photovoltaïques 28
3.2 Les générateurs thermoélectriques 36
3.3 Les systèmes de récupération mécanique 39
3.4 Comparaison des différents systèmes de récupération d’énergie 44
4. C ONCLUSION 45
CHAPITRE II : LA GESTION D’ENERGIE 47
1. I NTRODUCTION 51
2. L ES PRINCIPES DE GESTION D ’ ENERGIE 52
2.1 Les régulateurs linéaires de type LDO 52
2.2 Les convertisseurs à découpage 54
2.3 Conclusion sur les régulateurs et les convertisseurs 61
2.4 Mesure de puissance 62
3. G ESTION OPTIMISEE DE L ’ ENERGIE 67
3.1 Extraction du maximum d’énergie 68
3.2 Stockage efficace de l’énergie 73
4. F ONCTIONNEMENT ET TRANSFERT OPTIMISES POUR UNE INTEGRATION EFFICACE DANS
LA PLATE - FORME MULTI - SOURCES / MULTI - CHARGES 77
4.1 Etat de fonctionnement du système 77
4.2 Modification du chemin de puissance 78
4.3 Intégration dans la plate-forme MANAGY 85
5. C ONCLUSION 86
CHAPITRE III : MODELISATION DU MODULE DE RECUPERATION
PHOTOVOLTAÏQUE DU MICROSYSTEME AUTONOME 87
1. I NTRODUCTION 91
2. L ES SYSTEMES DE RECUPERATION D ’ ENERGIE PHOTOVOLTAÏQUE 91
2.1 Le module photovoltaïque en CIGS 92
2.2 Les systèmes de récupération de l’énergie photovoltaïque CIGS 97
2.3 Comparaison du système proposé avec un système basique adapté à la technologie
CIGS 99
3. M ODELISATION DU CONVERTISSEUR DC/DC 101
3.1 Le convertisseur à double sortie 101
3.2 Le convertisseurr à double sortie avec la cellule photovoltaïque 112