management de l'énergie des capteurs autonomes. application aux vêtements intelligents ·...

Journée Thématique « Vêtement et santé »

Management de l'énergie des capteurs autonomes.

Application aux vêtements intelligents

LAAS – 11/10/10

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JournJournéée The Théématique matique «« VVêêtement et santtement et santéé »»

AbstractNEXTER Electronics se positionne autour de la « Gestion et Distribution de l’Energie »(GDE) embarquée sur des plateformes aéroterrestres, comme un fournisseur de produits et services tant pour les secteurs civil que militaire. Après avoir présenté le concept « Jauge Energétique Fonctionnelle » appliqué aux capteurs autonomes, ce document présente l’extrapolation de ce concept aux vêtements intelligents

Sommaire

1. NEXTER Electronics @

2. Produits NE autour de l’énergie embarquée

3. Management de l’énergie des capteurs autonomes

� La Jauge Energétique Fonctionnelle

4. Application aux vêtements intelligents

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PSEM : Power Supply & Energy Management PSEM : Power Supply & Energy Management

ThThèème fme fééddéérateur (rateur (O3E) : O3E) : Optimisation de lOptimisation de l’’Energie Electrique EmbarquEnergie Electrique Embarquééee

2 - Produits NE autour de l’énergie embarquée 2.1 - Energie Embarquée sur secteur militaire terrestre

Dualité civil/militaire

� Vecteurs terrestres

� Nouveaux, Rénovés

� Adaptés aux nouveaux profils de mission

� Transport de personnel léger (8T)

� Transport de personnel de contact (20T)

� Véhicule de combat (32T)

� Nouveaux modes d’intervention

� Théâtres d’opérations distants (< 25T–A400M)

� Dans la durée (logistique)

� Nouveaux Concepts :

� Economie de carburant

� Disponibilité énergétique

� Veille et mobilité silencieuses

� Flexibilité (nouvelles fonctions)

� Maintenance optimisée

� Plateformes plus électriques

� Blindages actifs

� Armes électriques : ETC, EM, HPM, MEL

� Tourelles

� Propulsion hybride : mobilité accrue, économie

d’énergie

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� Modélisation : Analyse et Modélisation de systèmes énergétiques hétérogènes (génératrices, accumulateurs, groupes auxiliaires, convertisseurs).

� Sources : Disponibilité énergétique des sources (fiabilité, évaluation prédictive des défaillances en temps réel).

� Topologies : Architectures modulaires pour les réseaux de puissance, robustes et tolérantes aux pannes. Connectique modulaire intelligente.

� Distribution/Management : Couplage/Délestage sélectif de sources/charges, récupération d’énergie, convertisseurs réversibles, bus barres, harnais.

� Supervision :

� Jauge énergétique fonctionnelle JEF (bilan énergétique instantané, prédiction du besoin énergétique et de l’énergie disponible) avec pris en compte des paramètres internes (proprioceptifs) et externes (extéroceptifs) au véhicule,

� Reconfiguration dynamique de la topologie du réseau (adéquation avec les besoins de la mission)

� Dans le domaine des servitudes jusqu’à 50 kW

� Suivant des normes et standards réseaux existants

2 - Produits NE autour de l’énergie embarquée 2.2 - O3E : « Dualité (Secteur, Domaine) »

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1. Modélisation : Analyse et Modélisation de systèmes énergétiques hétérogènes (génératrices, accumulateurs, groupes auxiliaires, convertisseurs).

� RECUPENER (Aéronautique) En cours

� Objet : Réseau de Puissance avec récupération d’énergie – Terre / Air

� Acteurs : Messier Bugatti, Hispano Suiza, Sagem, Batscap, Sherpa, ERTE,

Clemessy, Supelec, Cirimat (UPS), Green

� Participation NE : Etude et Développement SSPC270V ( Modélisation )

� Financement : FUI (2009-2011) – Labellisation : AESE, ASTECH

� Intérêt Marché : > 2012

� Produits : SSPC pour gestion d’énergie système terrestre et aérien

2. Sources : Disponibilité énergétique des sources (fiabilité, évaluation prédictive des défaillances en temps réel).

� BATMASTER (Terrestre) Produit disponible

� Objet : Etat de Charge et de Santé de Batteries au Pb (ECSB)

� Fonction : Optimisation de l’autonomie

� Innovation / éléments différentiateurs :

� Fiabilisation de la mission véhicule

� Optimisation de la maintenance des batteries

� Haut niveau d’intégration et modularité

� Facilité d’utilisation

� Prospects :

� NS, Panhard, DCNS, ALSTOM, SNCF, VALEO,…


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3. Topologies : Architectures modulaires pour les réseaux de puissance, robustes et tolérantes aux pannes. Connectique modulaire intelligente.

� CIMAD (Spatial) & RESANU (Terrestre) En cours

� Implication NE : fourniture de nœuds de réseau

� Innovation / éléments différentiateurs :

� Reconfiguration dynamique d’un réseau embarqué

� Réduction du câblage plateforme

� Acteurs : CNES, NS, AXON

� Retour marché : > 2014

� Produits : Connecteurs intelligents

4. Distribution/Management : Couplage/Délestage sélectif de sources/charges, récupération d’énergie, convertisseurs réversibles, bus barres, harnais.

� NOMADE (Aero) En construction

� « NOuvelle MAchine polyDiscoïde pour ralentisseur Electromagnétique »

� Objet : Machine électrique polydiscoïde polyphasée à aimants

� Acteurs : NE, FRENELSA, ERNEO, Universite de Valenciennes, NOVELTE, PANHARD, RTD

� Implication NE : Etude et développement du CC de la machine

� T0 attendu : Q4/10, Durée : 24 mois

� Financement : DGCIS (2010-2012) – Labellisation : DGA

� Retour marché : > 2013

� Produits : Electronique de puissance pour la commande d’une machine polydiscoide mécaniquement couplée

Disques statoriques

Disques rotoriques


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2 - Produits NE autour de l’énergie embarquée 2.3 – Exemples de Capteurs embarqués

Température� Mesure de la température –40 à 250°C

� Alimentation par pile Lithium 3,6V – 3A.h. Autonomie de 3 ans

� Système sécuritaire (redondance de la mesure)

� Scrutation en mode nominal : jusqu’à 2Hz

� Scrutation en mode veille : scrutation 2 fois / minute

� Transmission des données : Bande ISM, activation HF qd. Besoin

� Microcontroleur très basse consommation

� Dimensions capteur : 10x10x5 cm

� Tenue aux chocs : 300 g

Pression

� Mesure de pression jusqu’à 15 bars

� Alimentation en air comprimé 9 Bars

� Gonflage jusqu’à 10 roues, extension possible

� Dégonflage rapide

� Communication sur bus CAN

� Option, mesure de température et pression dans chaque roue

�Utilisation de COTS du secteur automobile

�Bande radio 900 Mhz pour les données

�Transpondeur d’activation

distribution

Compresseur

IHM

Véhicule

Sonde

Traitement

Pile

Traitement

Voyants

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2 - Produits NE autour de l’énergie embarquée 2.3 – Exemples de Capteurs embarqués

Tactile

� Intégration d’un clavier sur l’arme FAMAS FELIN

� Alimentation 24V sur pack batterie du système FELIN

� Consommation en mode actif 10 mA

� Mode veille automatique sur absence de caméra thermique

�Consommation 10 µA

� Système de rechargement collectif à base de pile a combustible

� Système de rechargement sur véhicule

Accéléromètre � Boîtier mesure intégré dans la torpille

� Mesure accélération 10g (7 voies de mesures)

� Mesure capteur de force 20T

� Acquisition à 1 Khz

� Alimentation par accus li-ion 3.6V 6.8Ah

� Arrêt automatique en fin de mission

� Stockage de la torpille pendant 1 An sans recharge

� Tenue aux chocs : 15g

� Dimension du boîtier 200*135*60 mm

Camera

Calculateur

Famas

Clavier

Unité centrale

Acc.

3 axes

Acc.

1 axe

Acc.

3 axes

Force

Connecteur

externe

Boîtier

mesure

Bouton/

voyant

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3 - Management de l’énergie des capteurs autonomes3.1 - Le concept JEF : Jauge Energétique fonctionnelle

� Optimisation énergétique, pour fiabiliser la mission à réaliser.� Prédire le besoin énergétique de la plateforme pour réaliser la mission en tenant compte des

paramètres internes (proprioceptifs) et externes (extéroceptifs).

� Relever l’état énergétique de la plateforme : état de charge et santé des sources (batteries,

convertisseurs, générateurs, niveau de carburant (gazole, éthanol, kérosène).

� Les apports énergétiques y compris la récupération d’énergie (freinage) sont évalués en temps réel.

� Gérer les modes de fonctionnement : nominal, faible consommation, dégradé, secours.

� La conception initiale de la plateforme, doit permettre la gestion des modes.

� Exemples de sous ensembles contributeurs (militaire):� Proprioceptif : Calculateur de gestion du GAPPAC, BMS

BDP

BMSCAN ou LNS

CAN

Superviseur de

la génération

électrique

+ -

+ -

Charge

A

GAPPAC

= PAC +

Reformeur

Convertisseur

+-

Commande-

Contrôle du

GAPPAC

+-

CAN ou LNS

DIESEL

BEM CAN

+ -

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Exemples de sous ensembles contributeurs (civil) :� Extéroceptif : Calculateur de navigation. Prise en compte du trafic et des limitations de vitesse (civil)

l'Eco-Conduite, moteur de la mobilité durable � Projet GERICO (Gestion de l’EneRgie par Interface

COnducteur) entre 2003 et 2006

� Utilise les informations émanant à la fois du véhicule et de l'environnement du véhicule (conditions de trafic, type

de route empruntée)

� Assure un suivi régulier de la conduite et apporte les messages d’assistance à l'Eco-Conduite ou d'alerte

appropriés au respect de la vitesse.

� La solution logicielle au cœur du système, a été baptisée GERICO

� Lorsque GERICO est connecté au véhicule et couplé à la Navigation, il optimise à la fois la consommation de

carburant et le temps de parcours. Il fournit ainsi :

� la vitesse optimale à adopter selon le type de route empruntée,

� le rapport de boîte idéal pendant les accélérations et en fonction de la vitesse,

� la consommation de carburant effective prédite pour le trajet en cours,

� des messages d’assistance et d’alerte appropriés en fonction du comportement du conducteur, des

conditions de conduite et de la topographie du parcours.

� Les consignes et les messages d’alerte sont visualisés sur le tableau de bord, et répétés vocalement par

l'autoradio.


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� Définir des missions (secteur militaire)� Exemple de missions :

� Mission 1 : effectuer un déplacement long de jour

� Mission 2 : rester en poste

� Pour chaque mission évaluer :

� Fonctions nécessaires à activer

� Sources énergie disponibles/récupérables


� Comparaison des deux missions

� Caractéristiques - 1� Récupération importante

� Surveillance renforcée

� Sources énergie� Batteries, PAC

� Piezzo, Solaire, Température

� Fonctions activées� Localisation

� ECG, Détection chute

� Communication GSM

� Observation

� Caractéristiques - 2� Récupération faible

� Surveillance légère

� Sources énergie:� Batterie, PAC

� Température

� Fonctions activées :� ECG

� Communication courte distance

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FELIN (FR)

� Etudes : 1996-1999, Tests : 1999-2001 (SAGEM, Thales, GIAT)

� Choix : 2003 (SAGEM), Contrat : 2004 – Prix/kit : 26 k€

� Potentiel FR : 31500 kits (infanterie 22500 et cavalerie 9000) en 5 ver

� Livraisons : 50 protos en 2007, 358 pré-série en 2008, 1000 en 2009

� Caractéristiques : 25 kg, 24h d’autonomie, énergie, eau et nourriture

� Calculateur portable SITEL, PR4G-VS4, GPS

� liaison radio voie (OH-295 osteo-microphone & vibrating speaker pour environnement bruité) et données,

� Vêtement blindé (balles de 9mm), résistant à la flamme et au lavage (aramid/viscose), mesure de la T°C du corps et du souffle, ECG.

� Casque blindé équipé avec une vision jour/ nuit (intensifier d’image “Clara” ), mesure de distance par laser et girouette numérique. Travail coopératif au sein de la section. Mesure de la T°

� Armement :

� Giat FAMAS F1 5.56mm assaut rifle,

� Giat FR-F2 7.62mm sniper rifle,

� FN Herstal Minimi 5.56mm light machine gun.

� Energie :

� 4 Batteries Li-Ion SAFT (prismatique)

� Système de recharge groupé par GAP-PAC (Al-air) embarqué ou débarqué.

� Etude : Recharge inductive au sein des porteurs

FELIN : Fantassin à Équipement et Liaisons Intégrés

VBCI 8x8

SCORPION

4 - Application aux vêtements intelligents 4.1 – Les systèmes pour le fantassin

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Land Warrior (US)

� Etudes : 1994-1999, Raytheon Systems & Hughes Aircraft Company

� Groupe industriel : 2003, General Dynamics C4 Systems, General Dynamics Land Systems, Computer Sciences Corporation, Kaiser Electro-Optics Inc, Omega Training Group, PEMSTAR, PEMSTAR Pacific Consultants and Thales Communications

� Livraisons : protos en 2005, Tests en 2006, relance en 2007 (Irak)

� Caractéristiques : 4,5 kg (2 versions : soldat SR et chef LRW)

� Communications : Radio avec voix et données,

� Thales 30MHz to 88MHz et Raytheon MicroLight

� Veste blindée interconnectant les capteurs et le calculateur (sous W2000) via un hub 10 ports.

� GPS-5s (10m) + [accéléromètre / podomètre] (in-door)

� Casque blindé 2kg équipé avec une camera jour/nuit et un viseur tête haute (cartographie). Rockwell Collins

� Armement :

� M4 5.6 mm light machine gun avec 30 cartouches

� Rail Picatinny : distance laser et lanceur de grenades

� Energie : 1,1 kg de batteries Li-Ion

� Autonomie 8 à 24h en fonction du profil d’emploi

� Kit d’interconnexion véhicule : voix,données et puissance

� Optimisation de énergie : Vitronics

� Warrior-X : Détection et localisation de snipers

Warrior-X

Stryker 8x8


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Soldato futuro (IT)

� Etudes : Allemagne/Italie en 2000…2003. Stop car <> Spec

� Groupe industriel en IT : Selex Communications, Aero Sekur, Beretta, Galileo Avionica, Larimart et Sistema Compositi.

� Livraisons : 3 protos en 2007, pré-série en 2009

� Caractéristiques :

� Vêtement blindé (balles de 9mm), équipé avec régulation thermique (régulation échanges) et protection NBC

� Versions pour environnement tempérés et désert

� Casque blindé équipé avec une vision jour/ nuit (intensifier d’image), compatible avec protections NBC.

� Calculateur portable : Larimart Computer

� Communications : Selex Communications « individual pocket radio »200g, portée 1,3 km bande 900 MHz

� Binoculaire vision jour/nuit pour acquisition de cibles : Galileo Avionica

� Armement :

� Beretta ARX-160 rifle, avec mesure de distance laser C1

� GLX-160 grenade launcher

� Energie : Larimart

� Energy density : 125 W/kg , 2 batt remplaçables à chaud.

� Amélioration poids pour 2010 : 30% (à base de PAC)

� Etudes en cours : Kinetic energy harvesting FRECCIA 8x8


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4 - Application aux vêtements intelligents 4.2 – Les capteurs embarqués sur fantassin

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� Des sources multiples

� Du µW à qq 10mW/cm3

� Conditions environnementales

� Tampon de stockage

� Gestion d’énergie (JEF)

� Profils d’emploi

� Prédiction

� Modélisation

� Vieillissement : SOH

4 - Application aux vêtements intelligents 4.3 – Les énergies alternatives, « harvesting »

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4 - Application aux vêtements intelligents 4.4 – Les retombées attendues

� Dualité civil/militaire du concept JEF

� Approche système / fonctions embarqués

� Du mW au dizaines de kW

µ generators

Chip on flex

IEEE 802.15.4/ZigBee

� Miniaturisation des capteurs : MEMS

� Optimisation des modes de fonctionnement de l’électronique

� Architecture hard/soft adapté aux profils d’emploi

� Les projets en cours (dualité):

� Extension de l’autonomie d’une plateforme électrique dans le domaine civil

� Les projets en construction (dualité) :

� Monitoring cardiaque pour VIP

� JEF sur les capteurs embarques (Produit)

� Fiabilisation de la transmission des données et localisation (AAL3)

Diabline : FIOR

Josep DOMINGO SALVANY - Responsable R&T

[email protected] - +33 (0) 5.34.46.69.03

management de l'énergie des capteurs autonomes. application aux vêtements intelligents ·...

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