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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

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17121
27/06/2017

Optimal sizing of a lithium battery energy storage system for grid-connected photovoltaic systems

J.DULOUT, A.ANVARI-MOGHADDAM, A.LUNA, B.JAMMES, C.ALONSO, J.GUERRERO

ISGE, Aalborg

Manifestation avec acte : International Conference on DC Microgrids ( ICDCM ) 2017 du 27 avril au 29 avril 2017, Nuremberg (Allemagne), Juin 2017, 6p. , N° 17121

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01516972

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Abstract

This paper proposes a system analysis focused on finding the optimal operating conditions (nominal capacity, cycle depth, current rate, state of charge level) of a lithium battery energy storage system. The purpose of this work is to minimize the cost of the storage system in a renewable DC microgrid. Thus, main stress factors influencing both battery lifetime (calendar and cycling) and performances are described and modelled. Power and energy requirements are also discussed through a probabilistic analysis on some years of real data from the ADREAM photovoltaic building of the LAAS-CNRS in Toulouse, FRANCE.

139775
17117
05/05/2017

Nouveaux types d’électrodes pour les microsupercondensateurs

D.PECH, C.LETHIEN, T.BROUSSE

ISGE, IEMN Villeneuve, INM, Nantes

Revue Scientifique : Techniques de l'Ingénieur, Vol.RE 180, 30p., Mai 2017 , N° 17117

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Résumé

Les microsupercondensateurs sont des microdispositifs de stockage réversible de l’énergie électrique constituant une alternative intéressante aux microbatteries en raison de leur puissance élevée et de leur durée de vie importante. La faible quantité d’énergie qu’ils peuvent emmagasiner reste cependant un point critique au déploiement de ces composants dans les microsystèmes embarqués. Cet article traite des nouveaux types d’électrodes de microsupercondensateurs, des filières technologiques pour les intégrer au sein du microdispositif et des performances de ces électrodes. Il est notamment question de l’utilisation d’électrodes tridimensionnelles pour accroître leur densité d’énergie surfacique.

139757
17065
08/03/2017

Structuration de collecteurs de courant d'or pour la réalisation de micro-supercondensateurs à base d'oxyde de ruthénium

A.FERRIS

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 8 Mars 2017, 192p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: A.BALDUCCI, F.FAVIER, Examinateurs: P.SIMON, S.SADKI, C.LETHIEN, Directeurs de thèse: D.PECH, D.GUAY , N° 17065

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01502210

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Abstract

The increasing importance of portable and wearable electronics as well as embedded wireless sensor networks has made energy autonomy a critical issue. Micro-energy autonomy solutions based on the combination of energy harvesting and storage may play a decisive role. However, the short lifetime of micro-batteries is problematic. Micro-supercapacitors are a promising solution in terms of energy storage for embedded systems on the account of their important lifetime. In this work we have focused on the optimization of the performances of micro-supercapacitors in terms of energy and power density. As the capacitance is directly related to the accessible surface area of the electrodes, we have investigated the structuration of the current collectors in order to improve the performances of ruthenium oxide-based micro-supercapacitors. Two mains technics have been studied to obtain three dimensional structures. In a first phase, the oblique angle physical vapor deposition (OAD) has been investigated to fabricate a columnar gold structure, subsequently covered by an electrochemical ruthenium oxide. In a second phase, a highly porous gold architecture has been studied using electrodeposition via a hydrogen bubbles dynamic template. The ruthenium oxide electrodeposited on the resulting mesoporous gold structure shows good compatibility, in terms of homogeneous deposition, with a significant capacitance at slow rate (> 3F.cm-2) and an important cyclability. As proof of concept, a device has been designed in a stack configuration with good performances. Moreover, the technology finalized for electrodes fabrication has been transferred to the micro-scale on planar interdigitated devices using a suitable photolithography process.

Résumé

Depuis une dizaine d’années, on observe un développement de l’électronique embarquée intégrée à la plupart des objets que nous utilisons au quotidien. Il s’agit maintenant de les interconnecter en créant des réseaux embarqués connectés tels que les réseaux de capteurs autonomes sans fils. La miniaturisation des composants permet d’envisager une autonomie énergétique de ces réseaux composés de capteurs, récupérateurs d’énergie et de micro-batteries. Cependant la faible durée de vie des batteries et leur puissance limitée sont problématiques pour de telles applications. Les micro-supercondensateurs représentent une alternative pertinente pour la gestion de l’énergie dans les systèmes embarqués, notamment grâce à leur durée de vie très élevée. L’objectif de cette thèse concerne l’optimisation des performances de ces dispositifs en termes de densité de puissance et d’énergie. La capacité du supercondensateur étant proportionnelle à la surface spécifique des électrodes, nous nous sommes donc intéressés à la structuration de collecteurs de courant en or pour optimiser les performances des micro-supercondensateurs à base d’oxyde de ruthénium. Nous avons sélectionné deux principales techniques pour fabriquer une structure tridimensionnelle de l’or. Dans un premier temps, le dépôt physique d’or par évaporation à angle oblique (OAD) nous a permis de réaliser un substrat colonnaire suivi d’un dépôt d’oxyde de ruthénium. Dans un deuxième temps, nous avons mis en place un dépôt électrochimique d’or avec un modèle dynamique à bulles d’hydrogène. Cette technique permet la fabrication d’une structure d’or en trois dimensions par le biais d’un dépôt d’or réalisé simultanément avec une évolution d’hydrogène. L’électrodéposition de l’oxyde de ruthénium sur cette structure mésoporeuse a montré une très bonne compatibilité notamment en terme d’homogénéité du dépôt, une forte capacité à faible vitesse de balayage (> 3 F/cm2) et une bonne cyclabilité. Pour tester les performances de ces électrodes, nous avons réalisé un dispositif complet en configuration empilée présentant de bonnes caractéristiques. Cette technologie de fabrication a pu par ailleurs être transférée à la micro-échelle pour des dispositifs planaires à l’aide de procédés de photolithographie sur électrodes interdigitées.

Mots-Clés / Keywords
Dioxyde de ruthénium; Micro-supercondensateurs; Pseudo-capacité; Stockage de l'énergie; Structures 3D; Energy storage; Micro-supercapacitors; Supercapacitors; Pseudo-capacitance; Ruthenium oxyde; Structuration; Oblique angle deposition; Hydrogen bubbles dynamic template;

139393
17100
26/01/2017

Contribution à l'analyse des mécanismes de défaillance lors de décharges électrostatiques et de radiations aux ions lourds de composants MESFET en carbure de silicium

T.PHULPIN

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 26 Janvier 2017, 150p., Président: M.BAFLEUR, Rapporteurs: N.MALBERT, D.PLANSON, Examinateurs: X.PERPINYA, D.TOURNIER, A.TOUBOUL, Directeurs de thèse: P.AUSTIN, K.ISOIRD, D.TREMOUILLES , N° 17100

Lien : https://hal-univ-tlse3.archives-ouvertes.fr/tel-01493393

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Abstract

Power management is nowadays crucial with the global warming and the electronic needs of the society. Wideband gap semi-conductors like Silicon Carbide (SiC) are emerging in power electronic landscape because of their better properties in comparison with Silicon. Nevertheless reliability and knowledge about internal physic during electrostatic discharge (ESD) or radiation event is still missing and need specific studies. In this work, several SiC MESFET have been tested and results show two mains failure mechanism. First the passivation oxide clamping, and secondly the SiC sublimation induced by a parasitic structure in the device. An ESD protection was tested and validated. Unfortunately, this solution isn’t efficient for heavy ion protection. Indeed, no impact on the radiation robustness is noticed on the MESFET during a radiation event. SiC ESD reliability doesn’t look better than for Silicon devices. ESD robustness improvements are proposed in this work even if integration of this MESFET is still required to validate the improvement.

Résumé

La gestion de l’énergie électrique est aujourd’hui au cœur des enjeux environnementaux. L’éclosion de semi-conducteurs à grand gap comme le carbure de silicium (SiC) permet la réalisation de composants aux performances supérieures à celles des composants en silicium pour l'électronique de puissance. Toutefois, le comportement de ces dispositifs lors de décharges électrostatiques (ESD) ou lors de radiations est mal connu et nécessite des études spécifiques. Dans ces travaux, plusieurs composants MESFET SiC ont ainsi été testés face aux ESD et l’étude des mécanismes de défaillance a montré soit la défaillance de l’oxyde de passivation, soit la sublimation du SiC suite au déclenchement d’une structure parasite. L’intégration d’une diode Zener sur le drain du MESFET a ainsi été testée et validée comme protection ESD. La simulation démontre que la protection est inefficace par rapport à la tenue aux radiations d’ions lourds. Assurer la robustesse de ces technologies n’apparaît pas plus simple que pour les composants en silicium. Des solutions sont toutefois envisageables pour aider les concepteurs à améliorer la robustesse aux ESD, bien que des études supplémentaires restent à mener.

Mots-Clés / Keywords
Conception; Driver; ESD; Lock'in thermography; MESFET; Radiation; Robustesse; SiC;

139553
16319
01/01/2017

Micro-supercapacitors as miniaturized energy storage componets for electronics

A.KYEREMATENG, T.BROUSSE, D.PECH

ISGE, INM, Nantes

Revue Scientifique : Nature Nanotechnology, Vol.12, N°1, pp.7-15, Janvier 2017, doi:10.1038/nnano.2016.196 , N° 16319

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Abstract

The push towards miniaturized electronics calls for the development of miniaturized energy-storage components that can enable sustained, autonomous operation of electronic devices for applications such as wearable gadgets and wireless sensor networks. Microsupercapacitors have been targeted as a viable route for this purpose, because, though storing less energy than microbatteries, they can be charged and discharged much more rapidly and have an almost unlimited lifetime. In this Review, we discuss the progress and the prospects of integrated miniaturized supercapacitors. In particular, we discuss their power performances and emphasize the need of a three-dimensional design to boost their energy-storage capacity. This is obtainable, for example, through self-supported nanostructured electrodes. We also critically evaluate the performance metrics currently used in the literature to characterize microsupercapacitors and offer general guidelines to benchmark performances towards prospective applications.

138956
16483
01/12/2016

A shadow fault detection method based on the standard error analysis of I-V curves

M.BRESSAN, Y.EL BASRI, A.G.GALEANO, C.ALONSO

ISGE, Univ. de Los Andes

Revue Scientifique : Renewable Energy, Vol.99, pp.1181-1190, Décembre 2016 , N° 16483

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Abstract

Shading on photovoltaic (PV) modules induces disproportionate impacts on power production. This paper presents a fault detection method able to identify anomalies on PV systems such as shading problems. The presence of localized shading on PV modules leads to an overheating of the shaded PV cells despite the activation of by-pass diodes. The temperature increase reduces considerably PV module performances and its lifetime. The presented method uses a simple equation, which corresponds to the normalized error (DE) of the comparison between the I-V curve in normal operation and the I-V curve in shading condition. The first derivative calculation gives the area of the detection in function of the PV voltage of the module (DE/DV). This defines whether one or several PV cells dissipate power. This phenomenon essentially occurs in the case of non-uniform irradiance received on PV modules and could impact PV modules performances. The detection method is explained in detail through the study of specific shadows simulations on PV modules. The results are validated through experimental tests on PV modules.

138614
16450
01/12/2016

Conception et réalisation de composants de puissance à superjonction et à tranchées profondes pour des applications 600 V et 1200 V

S.NOBLECOURT

ISGE

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 1 Décembre 2016, 150p., Président: P.AUSTIN, Rapporteurs: D.PLANSON, G.GAUTIER, Examinateurs: L.THEOLIER, Y.SPIGEL, Directeurs de thèse: F.MORANCHO, J.TASSELLI , N° 16450

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01451021

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Résumé

L’énergie et le transport sont au centre des recherches de développement durable. L’amélioration du rendement de la chaine énergétique passe inévitablement par une amélioration du rendement de chacune des parties la composant. Les activités de recherche en électronique de puissance s’inscrivent pleinement dans ces perspectives. L’objet de cette thèse est de proposer des solutions alternatives à l’utilisation de l’IGBT dans les convertisseurs employés pour le transport dans les gammes de 600V et 1200V. De nombreuses recherches se sont concentrées sur l’amélioration des composants MOSFET, notamment pour améliorer la résistance à l’état passant. Le concept de superjonction est le premier à avoir dépasser la limite théorique du silicium. Il consiste en une alternance de bandes N et P à la place de la zone de drift. A surfaces de silicium identiques, la surface de la jonction PN ainsi obtenue est alors beaucoup plus importante dans la superjonction que dans une diode traditionnelle. La tenue en tension va dépendre de la balance des charges entre ces différentes bandes et ne dépendra plus du dopage. Cela permet d’augmenter le dopage de la zone intrinsèque et d’ainsi diminuer la résistance à l’état passant sans entacher les performances dynamiques du composant. Ainsi, il est donc possible d’améliorer le rendement du composant et donc d’améliorer le rendement de la chaine énergétique. Dans une première partie, les travaux de thèse se sont focalisés sur la conception et l’optimisation de composants à superjonction et à tranchées profondes dans les gammes de 600V et 1200V. L’objectif est d’obtenir le meilleur compromis tenue en tension/ résistance à l’état passant pour ces gammes de tension. L’étude théorique a permis de comprendre le comportement de la tenue en tension de différents paramètres technologiques et géométriques. La tenue en tension est très sensible à l’équilibre des charges et à la verticalité des tranchées. La résistance passante, elle, est sensible à la profondeur de diffusion autour des tranchées et, plus généralement, au ratio de conduction entre la surface de la zone N et la surface totale. La structure a donc été optimisée afin de garantir le meilleur ratio « tenue en tension/résistance à l’état passant » en vue d’une réalisation technologique. De plus, les composants à Superjonction nécessitent une protection en périphérie adaptée. En effet, les terminaisons surfaciques telles que les anneaux de garde ne permettent pas d’étaler la zone de charge d’espace à des profondeurs suffisantes. La terminaison qui est la plus adaptée à cette technologie est la Deep Trench Termination car elle permet de conserver l’équilibre des charges en périphérie et ne rajoute pas d’étapes technologiques supplémentaires. Cette terminaison a donc fait l’objet d’une optimisation aux cours de ces travaux de thèse. La seconde partie de mes travaux concerne la réalisation de la structure optimisée précédemment. L’optimisation de la diode à Superjonction est liée à certains paramètres technologiques pouvant s’avérer critiques pour obtenir les performances électriques désirées: la verticalité des tranchées, l’implantation des zones de type P sur les flancs des tranchées et la maîtrise de leur remplissage par un diélectrique. Afin d’assurer un parfait équilibre des charges entre les régions N et P, la fabrication des tranchées profondes a été optimisée afin d’obtenir des flancs de gravure les plus verticaux possible avec une rugosité de surface la plus faible possible. De plus, un procédé visant à obtenir une même profondeur de gravure quelle que soit l’ouverture a été mis en place afin de permettre un remplissage total des tranchées profondes avec du BenzoCycloButene (BCB). L’étude du remplissage des tranchées a permis de mettre au point un procédé permettant le remplissage des tranchées en un seul dépôt.

Mots-Clés / Keywords
Benzocyclobutène; Composants de puissance; Energie; Superjonction;

138433
16461
02/11/2016

Mixed monolithic-hybrid integration of multiphase power converter: preliminary evaluation of the 3-chip integration concept

A.LALE, N.VIDEAU, A.BOURENNANE, F.RICHARDEAU, S.CHARLOT

ISGE, LAPLACE, TEAM

Manifestation avec acte : International Conference on Electrical Systems for Aircraft Railway and Ship Propulsion ( ESARS ) 2016 du 02 novembre au 04 novembre 2016, Toulouse (France), Novembre 2016, 7p. , N° 16461

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01407911

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Abstract

The authors present a 3-chip mixed integration approach that combines monolithic silicon multi-terminal power chips and flip-chip assembly on a printed circuit board (PCB) for the realization of a multiphase power converter. The overall approach allows for taking advantage of the degrees of freedom offered by silicon and PCB technologies with a limited and well-mastered complexity. The multiphase converter is integrated within three multi-terminal chips that are judiciously packaged, using the partial flip-chip, on a PCB board so as to reduce the switching cell stray inductance as well as the impact of voltage variations on the common mode current that flows through the converter's PCB. Using Si and SiC dipole MOSFET and diode chips, converters based on the 3-chip approach were realized and compared to the conventional one. The obtained commutation loop inductance value is reduced by at least a factor of two as compared to that of the conventional one.

138456
16239
02/10/2016

Multi-objective methodology to find the optimal forward current to supply Light Emitting Diode (LED) lightings

J.DULOUT, A.BARROSO, L.SEGUIER, B.JAMMES, P.DUPUIS, G.ZISSIS, C.ALONSO

ISGE, I2C, LAPLACE

Manifestation avec acte : IAS Annual Meeting ( IAS ) 2016 du 02 octobre au 06 octobre 2016, Portland (USA), Octobre 2016, 7p. , N° 16239

Lien : https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01356352

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Abstract

Light emitting diodes (LEDs) are commonly expected to be the future of lighting because of a high luminous efficacy, a long lifetime and a high color rendering index (CRI). Nevertheless, the performance and the reliability of an LED are strongly dependent on the LED junction temperature. This paper presents a multi-objective methodology to find the optimal forward current subject to the annualized cost of the luminaire (initial capital cost, replacement cost, operation and maintenance cost…) and the annualized energy consumption. A simple LED model based on empirical data has been developed and takes into account optical, electrical, thermal and ageing behaviour. Three different white LEDs have been evaluated through several combinations of forward currents and heatsinks to satisfy a given mission profile. A set of optimal solutions has been determined by Pareto optimization.

137873
16524
02/10/2016

Electrodeposition and characterization of Pt(100) nanostructures

E.BERTIN, S.GARBARINO, M.BRUNET, D.PECH, D.GUAY

ISGE, INRS, Québec, CEMES/CNRS

Manifestation avec acte : Pacific Rim Meeting on Electrochemical and Solid-State Science ( PRIME ) 2016 du 02 octobre au 07 octobre 2016, Honolulu (USA), Octobre 2016, 3p. , N° 16524

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139026
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