management de l'énergie des capteurs autonomes. application aux vêtements intelligents ·...
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Journée Thématique « Vêtement et santé »
Management de l'énergie des capteurs autonomes.
Application aux vêtements intelligents
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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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JournJournéée The Théématique matique «« VVêêtement et santtement et santéé »»
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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JournJournéée The Théématique matique «« VVêêtement et santtement et santéé »»
� 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,…
2 - Produits NE autour de l’énergie embarquée 2.2 - O3E : « Dualité (Secteur, Domaine) »
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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
2 - Produits NE autour de l’énergie embarquée 2.2 - O3E : « Dualité (Secteur, Domaine) »
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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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JournJournéée The Théématique matique «« VVêêtement et santtement et santéé »»
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.
3 - Management de l’énergie des capteurs autonomes3.1 - Le concept JEF : Jauge Energétique fonctionnelle
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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
3 - Management de l’énergie des capteurs autonomes3.1 - Le concept JEF : Jauge Energétique fonctionnelle
� 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
4 - Application aux vêtements intelligents 4.1 – Les systèmes pour le fantassin
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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
4 - Application aux vêtements intelligents 4.1 – Les systèmes pour le fantassin
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4 - Application aux vêtements intelligents 4.2 – Les capteurs embarqués sur fantassin
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JournJournéée The Théématique matique «« VVêêtement et santtement et santéé »»
� 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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JournJournéée The Théématique matique «« VVêêtement et santtement et santéé »»
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