Embedded Smart Power Electronics (5ESPE)Programme détaillé - Unités de formation scientifiques

Liste des Unités de Formation (UF)

 La formation est découpée en 5 unités de formation (UF) scientifiques et d'un tronc commun :

1. Architecture électronique pour l'énergie
2. Logiciel et automatique embarquée pour l'énergie
3. Technologie, fabrication et industrialisation des systèmes électroniques
4. Gestion électrique et électronique pour le véhicule électrique
5. Projet interdisciplinaire : Réalisation d'un gestionnaire intelligent de production photovoltaïque

Unité de formation Architecture électronique pour l'énergie
(I5AEEEE11)

Le but de cette UF est de savoir déterminer, dimensionner et réaliser l'architecture électronique d'un système embarqué, sélectionner les composants, sous contraintes d'énergie : contrainte de batterie, d'autonomie, de disponibilités de sources d'énergie … L'UF aborde donc les questions d'architecture de convertisseurs d'énergie électrique, de mise en place de systèmes de charge et de gestion de batteries, et d'architecture à sources d'énergie multiples (énergie renouvelable intermittente). La mesure de grandeurs physiques (courant, tension, température, angle …) est indispensable dans une chaine de conversion d'énergie ou de commande d'un actionneur électromécanique. L'UF aborde aussi les différentes technologies de capteurs et l'électronique d'instrumentation associée.

Compétences visées :

• Choisir une architecture électronique pour accroître l'autonomie énergétique
• Dimensionner l'électronique d'une chaine de conversion d'énergie
• Choisir des solutions de stockage de l'énergie électrique et connaître les contraintes associées
• Gérer la charge/décharge d'une batterie, l'équilibrage
• Mettre en œuvre une solution de récupération de l'énergie ambiante pour rendre des systèmes embarqués autonomes en énergie, et les faire démarrer avec une faible quantité d'énergie
• Choisir un composant en fonction des contraintes d'énergie (microcontrôleur, capteur, transceiver radio …)
• Réaliser un co-design HW/SW

Contenu de l'UF :

• Architecture électronique reconfigurable de convertisseurs d'énergie pour systèmes embarqués : cours décrivant les différentes solution de conversion d'énergie (régulateur linéaire, alimentation à découpage), les contraintes associées et le dimensionnement. L'enseignement est adossé à un TP de dimensionnement d'alimentation à découpage, mixant conception par simulation et prototypage.

• Capteurs et instrumentation versatile : le cours aborde le principe de fonctionnement des différents types de capteurs (optroniques, thermiques, mécaniques, acoustiques...), ainsi que la mise en œuvre de ces capteurs, et la manière de traiter les signaux issus de ces capteurs. Cet enseignement est adossé à un TP, dont le but est de manipuler différents capteurs (un accéléromètre, un capteur photosensible, et un capteur pyroélectrique de détection de présence), puis de concevoir et tester une architecture électronique pour mettre en forme les signaux issus des capteurs.

• Gestion et récupération de l'énergie électrique : cet enseignement traite de la mise en œuvre de solutions de récupération d'énergie ambiante (photovoltaïque, piézoélectrique, thermoélectricité, électromécanique) pour rendre des systèmes autonomes en énergie. L'énergie récupérée devant être stockée, cet enseignement est couplé à celui de Gestion du stockage de l'énergie électrique. L'enseignement est effectué sous la forme d'un apprentissage par projet, dont l'objectif est la spécification, la réalisation et la validation d'une solution de récupération d'énergie (choisie par les étudiants), de la conversion associée, du stockage (supercondensateur ou batterie) et sa gestion, du régulateur de sortie et des éléments de protection de la chaine. Cette chaine de récupération d'énergie et de stockage servira à alimenter un nœud communicant autonome en énergie, capable de démarrer sous un faible niveau d'énergie

Unité de formation Logiciel et automatique embarquée pour l'énergie (I5AELA1)

L'amélioration du rendement énergétique des systèmes électroniques passe aussi par des commandes adéquates et des algorithmes visant à limiter l'activation des ressources disponibles des composants programmables. La modélisation des systèmes de conversion d'énergie est une nécessité pour l'étude de leur stabilité, leurs performances dynamiques et l'élaboration de leur loi de commande. Cette tâche n'est pas triviale en raison de leur comportement non linéaire (régime en commutation) et nécessite donc des techniques adaptées. Cette UF traite des commandes pour convertisseurs d'énergie statiques et pour les moteurs, en vue d'optimiser le rendement énergétique de ces systèmes. L'UF traite aussi des aspects algorithmiques pour la programmation faible énergie, où les concepts sont mis en œuvre à travers une application de communication sans fil.

Compétences visées :

• Modéliser un convertisseur statique (linéarisation autour du point d'équilibre, modèles non linéaires, modèles commutés…)
• Synthétiser et réaliser les commandes pour des convertisseurs statiques d'énergie électrique (commande linéaire, commande non linéaire)
• Synthétiser et réaliser la commande d'un actionneur électromécanique (commande vectorielle)
• Sélectionner une communication sans fil pour accroitre l'autonomie énergétique
• Concevoir un logiciel embarqué permettant de réduire la consommation énergétique de la plateforme programmable

Contenu de l'UF :

• Commande des convertisseurs statiques  : le but de cet enseignement est de déterminer par modélisation les commandes de convertisseurs statiques permettant de garantir la stabilité de la tension de sortie en fonction de la charge à alimenter. Cet enseignement se décompose en un cours de 12.5 h, et d'un TP de 2 séances visant à modéliser un convertisseur d'énergie.  
• Programmation faible énergie pour l'IoT : le but de cet enseignement est de donner les techniques permettant d'optimiser et de mesurer la consommation énergétique d'une plateforme programmable, en jouant sur le logiciel embarqué. L'enseignement se présente sous la forme de deux séances de cours sur la présentation des techniques algorithmiques et la métrologie de la consommation, suivi de 5 séances de TP pour les mettre en œuvre.
• Caractérisation énergétique d'un module IoT : Mise en œuvre dans un microcontrôleur des protocoles basse énergie de transfert d’informations et instrumentation embarqué de la consommation d'énergie. Plusieurs technologies de réseaux sans fil sont proposées (3G, 4G, 5G, Lora, SigFox, Bluetooth Low Energy). L'enseignement se présente sous la forme de 6 séances de cours présentant les architectures électroniques typiques des nœuds radio et les principes de fonctionnement de protocoles radio faible énergie, suivi d'un TP.

Unité de formation Technologie, fabrication et industrialisation des systèmes électroniques (I5AETE11)

Cette UF aborde les aspects intégration, caractérisation et certification des systèmes électroniques. Les étudiants abordent les différentes technologies de fabrication et d'assemblage des systèmes électroniques, en adressant les outils de spécification et de conception industriel (outil de routage PCB). En outre, les aspects les méthodes de conception et les normes/conformités de mise sur le marché économique d’un produit électronique sont adressés. Les composants de puissance étant soumis à de fortes contraintes en tension et thermique, les problématiques des fiabilité et de robustesse sont aussi abordées. Enfin, les aspects caractérisation de différentes performances liées à l'énergie dans les systèmes électroniques sont traités : adaptation d'impédance en vue d'un transfert optimal de la puissance vers une antenne, caractérisation CEM et ESD, mesure de la consommation énergétique.

Cette UF est volontairement basée sur une approche industrielle et est réalisée autour de la conception d'un prototype de carte électronique dans un atelier industriel puis de sa caractérisation.

Compétences visées :

• Intégrer un système électronique
• Concevoir une carte électronique, sous contraintes d'intégration, d'énergie, de CEM, thermique …Intégrer un système électronique
  •    Concevoir une carte électronique, sous contraintes d'intégration, d'énergie, de CEM, thermique …
  •    Fiabilité et robustesse des nouveaux composants de puissance
  •    Mesurer les performances d'un système électronique (consommation d'énergie, rendement, CEM, adaptation d'impédance)
  •    Spécifier et réaliser le processus de certification d'un système électronique
• Fiabilité et robustesse des nouveaux composants de puissance
• Mesurer les performances d'un système électronique (consommation d'énergie, rendement, CEM, adaptation d'impédance)
• Spécifier et réaliser le processus de certification d'un système électronique

Contenu de l'UF :

• Industrialisation et qualification : dans cet enseignement, les étudiants apprennent à rédiger une spécification d’industrialisation d’un système embarqué (BOM, AMDEC, BTF, traçabilité, approvisionnement composants), les processus de mise en conformité vis-à-vis des différentes directives et normes associées aux systèmes électroniques (NF 93-713, RTTE, DBT, RoHS, DEEE), à mettre en place un processus de suivi qualité (ISO17025) ainsi que l'estimation de la fiabilité des assemblages (norme FIDES).
• Fabrication et assemblage d'un circuit imprimé : l'enseignement traite du processus de conception et de fabrication de circuit imprimé. Les étudiants apprennent comment sont définies les différentes classes technologiques d’un circuit imprimé (PCB rigide, souple, hybride), comment router un circuit imprimé du point de vue contraintes en adéquation avec les aspects dissipation thermique, intégrité du signal et CEM. Ils apprennent et mettent en œuvre les différents types de montage d’une carte (fusion, simple/double, type de finition). Cet enseignement est adossé à un stage de fabrication d'un circuit imprimé dans un atelier industriel.
• Fiabilité/robustesse nouveaux composants de puissance :
• Packaging et cooling à haute performance :
• Adaptation d'antennes : dans cet enseignement, les étudiants apprennent les fondamentaux permettant d'optimiser le transfert de puissance à une antenne. Les outils permettant de dimensionner et valider les réseaux d'adaptation d'impédance sont aussi introduits et mis en œuvre.
• Caractérisation CEM & ESD d’un système embarqué : dans cet enseignement pratique, les étudiants mettent en œuvre des essais standards de CEM et de tenue aux décharges électrostatiques sur des cartes électroniques radio (transceiver) et puissance (alimentation à découpage). Le but de cet enseignement est non seulement de se familiariser avec ce type d'essais, le matériel associé et leurs configurations typiques, mais aussi d'évaluer et analyser l’influence de choix de conception (composants, placement & routage) sur la CEM.
• Caractérisation énergétique d’un système embarqué autonome :

Unité de formation Gestion électrique et électronique pour le véhicule électrique (I5AEGE11)

Cet enseignement adresse l'électrification des transports (automobile, avion, scooter, gyropode …) et notamment l'architecture électronique des chaines de commande des actionneurs électriques. Garantir un rendement énergétique optimal, mais aussi la robustesse du système et la sûreté de fonctionnement nécessite un savoir-faire large en électronique et en informatique matérielle. Cet enseignement est centré autour d'un bureau d'étude visant à mettre en œuvre l'architecture électronique typique d'une chaine de traction d'un véhicule électrique (moteur synchrone à aimants permanents, onduleur, microcontrôleur double cœur, mise en réseau sur bus multiplexés, composants de surveillance), à l'aide de composants industriels et en prenant les contraintes du secteur automobile (intégration, safety, rendement, diagnostic embarqué, CEM). L'enseignement se fait en partenariat avec la société NXP.

Compétences visées :

• Connaissance des actionneurs pour le véhicule électrique et commandes avancées
• Choisir l'architecture électronique de chaines de commande d'actionneurs électromécaniques
• Composants et technologies intégrées pour les véhicules électriques
• Dimensionner et réaliser la commande d'un actionneur électromécanique pour optimiser le rendement énergétique
• Dimensionner une architecture électronique et un logiciel embarqué pour garantir la sûreté de fonctionnement de la chaine de commande d'actionneurs électromécaniques

Contenus de l'UF :

• Moteurs et commandes pour le véhicule électrique  : cet enseignement présente les différents types de moteurs électriques, leurs architectures et contraintes et la manière dont on les commande. L'enseignement se focalise principalement sur le moteur synchrone à aimant permanent et sur le moteur asynchrone. Un des objectif de cet enseignement est de déterminer la commande du moteur utilisé durant le bureau d'étude.
• Dimensionnement d'un convertisseur d'énergie pour les transports : La situation géographique de notre école avec la présence de l’industrie aéronautique avec notamment le pôle Aerospace Valley nous contraint à parler de l’actionnement électrique dans les avions par exemple. Ces actionneurs sont caractérisés par des profils de mission particuliers, soient par exemple avec un rapport cyclique très faible, soit avec une application d’un couple résistant quasi-continu. Avec des problèmes de confinement et de refroidissement. De plus, dans ce domaine, nous avons des compétences à l’INSA. intervention extérieure sur l'évolution des architectures électroniques, des actionneurs, des batteries en vue d'une électrification croissante des avions.
• Introduction safety automobile : les équipements électroniques automobiles associés aux chaines de traction doivent répondre à des exigences sévères en sûreté de fonctionnement (safety). Dans le secteur automobile, ils doivent se conformer au niveau le plus exigeant du standard ISO26262 noté ASIL-D. Le choix des composants, l'architecture électronique et logicielle doivent être spécifiés et conçus pour répondre à cette exigence fondamentale. Durant cet enseignement, une rapide introduction aux exigences de sûreté de fonctionnement dans l'automobile est faite, en expliquant en quoi cela impacte l'architecture électronique des équipements. Une analyse des modes de défaillance des différents composants de la chaine de traction est réalisé afin d'identifier les solutions matérielles et logicielles permettant de garantir une sécurité du conducteur et des passagers. Ces solutions seront mises en œuvre dans le bureau d'étude. Les concepts abordés durant ce cours sont transposables à d'autres secteurs industriels, comme l'aéronautique.
• Introduction aux composants automobiles : les équipements automobiles utilisent des composants à haut niveau d'intégration et configurable afin de réduire les coûts de fabrication, réduire la consommation énergétique, garantir la robustesse et la sûreté de fonctionnement. Cet enseignement est composé de plusieurs interventions faites par des intervenants industriels, présentant les différentes technologies embarquées dans un véhicule électrique. Les interventions se focalisent particulièrement sur les composants mis en œuvre durant le bureau d'étude (microcontrôleur à double cœur lockstep, gate driver, power SBC, drivers de bus multiplexés pour l'automobile).
• BE électronique automobile - Main inverter : le but du bureau d'étude est de mettre en œuvre l'équipement électronique principal de la chaine de traction, appelé main inverter, c'est-à-dire l'onduleur qui commande le moteur d'un véhicule électrique. Celui-ci sera réalisé à partir de composants automobiles fournis par NXP, partenaire de ce bureau d'étude. Le bureau d'étude se déroule sous la forme d'un projet réalisé par équipe de 12 étudiants. La première partie du bureau d'étude est consacrée à la rédaction d'une spécification détaillée de l'architecture matérielle et logicielle du système à partir d'un cahier des charges. Cette spécification intègre l'étude théorique du moteur effectuée dans l'enseignement d'Actionneurs pour le véhicule électrique, ainsi que l'analyse safety faite dans l'enseignement Introduction safety automobile. La deuxième partie est dédiée à la réalisation du logiciel embarqué et des tests modulaires, afin de démontrer le fonctionnement du système en adéquation avec le cahier des charges. Le bureau d'étude sera évalué grâce aux rapports de spécification et de réalisation, ainsi que par une soutenance finale.

Unité de formation Projet interdisciplinaire : Réalisation d'un gestionnaire intelligent de production photovoltaïque (I5AEPR11)

Dans cette UF, les étudiants travaillent par équipe en grande autonomie sur des projets transversaux, adressant la plupart des concepts traités dans les autres UF. Ces projets sont liés à la conception matérielle, logicielle et l'élaboration des lois de commande pour un gestionnaire intelligent d'énergie renouvelable pour un micro-réseau. Chaque équipe aura en charge la spécification, le développement et la validation d'une brique du gestionnaire. Ces s'inscrivent donc dans le thème des réseaux de distribution électrique intelligents (smart grid) et des énergies renouvelables. La réalisation de chaque équipe sera validée sur la plateforme photovoltaïque du DGEI et sera valorisée par une soutenance finale avec présentation poster en fin de semestre. Cette UF est couplée avec l'enseignement d'anglais.

 Compétences visées :

• introduction aux smart grids / microgrids
• choisir une structure de convertisseur
• choisir les structures de stockage d'énergie électrique
• dimensionner les commandes du convertisseur
• réaliser le logiciel embarqué
• réaliser la couche communication sans fil entre les capteurs et les gestionnaires d'énergie

Contenus de l'UF :

• Introduction aux réseaux smart grid : mise en perspective du projet par des interventions industrielles/académiques sur le thème architecture électronique pour les smart-grid, micro-grid, l'énergie renouvelable, l'éco-conception
• Projet : chaque équipe devra spécifier une brique du gestionnaire, réaliser un prototype, le tester et enfin le valider sur le réseau micro-grid du DGEI. Chaque équipe sera suivi par un tuteur - client. Des réunions mensuelles plénières seront organisées, durant lesquelles chaque équipe présentera l'avancement de son travail devant un jury. Le projet sera évalué par les rapports, l'évaluation, la présentation devant un jury d'experts et la présentation poster.
• Anglais : préparation des rapports, de la présentation poster et de la soutenance en anglais

Mise à jour le 22/02/2019 A. Boyer