Transfert de connaissances vers l'industrie
Département Systèmes (LETI)
Laboratoire Electronique Energie et Puissance
Ingénieur, BAC+5, Electronique, Electrotechnique, Automatique
01-10-2020
SL-DRT-21-0277
La réduction des dimensions des convertisseurs de puissance actuels est essentiellement liée à la montée en fréquence de fonctionnement. Cependant, aujourd'hui, nous atteignons plusieurs limites dont celles relevant des composants magnétiques. Pour cause, l'énergie, qui peut être stockée par cycle dans une inductance, diminue drastiquement avec l'augmentation de la fréquence. Pour remédier à cette limitation, nous avons étudié une alternative au stockage magnétique : le stockage transitoire d'énergie sous forme mécanique par la mise en mouvement d'un résonateur piézoélectrique. Nos premiers travaux, qui sont des premières mondiales, nous ont permis de valider le principe pour des puissances allant de 1 à 100W. L'objectif de la thèse sera d'étendre le principe de conversion à d'autres variantes topologiques et notamment à une version isolée galvaniquement. Une grande partie du travail vise la mise au point du cycle électrique de commande qui doit permettre à la fois d'entretenir la résonance de la structure mécanique et d'effectuer des transferts de puissance électrique sans pertes. La mise en ?uvre de ce cycle nécessitera, en outre, la mise au point d'une électronique très basse consommation qui intègrera plusieurs mécanismes de synchronisation et de régulation pour assurer des commutations à zéro de tension, assurer l'entretien des oscillations et réguler la tension de sortie. Le candidat pourra s'appuyer sur l'expertise du laboratoire d'accueil dans le domaine de la conversion et de la piézoélectricité. La thèse se déroulera au CEA/LETI situé à Grenoble (laboratoire orienté microélectronique et microsystème), elle sera dirigée par Mr Ghislain DESPESSE du CEA et par Mr François COSTA du SATIE (laboratoire de physique appliqué et génie électrique rattaché à l'ENS Paris-Saclay).
Département des Technologies Solaires (LITEN)
Laboratoire Systèmes PV
Ingénieur en électronique de puissance spécialité electromagnetisme
01-09-2021
SL-DRT-21-0386
Les sources primaires d'énergie électriques utilisées dans les systèmes à base d'énergies renouvelables sont pour la plupart à courant continu : Nous pouvons indiquer ci dessous, les principales caractéristiques en tension des sources en question : -Photovoltaïques (1.5 kVDC) -Systèmes de stockage d'énergie (800 V-1.5 kVDC) -Stacks EHT (950 VDC) -Batteries de véhicule électrique (800 VDC) D'autre part , les nouveaux réseaux de transport d'énergie sont à courant continu : -HVDC : 100 kVDC à 1.6 MVDC Certains systèmes d'alimentation ferroviaires sont également à courant continu : -Ferroviaire : 1.5 kVDC, 3 kVDC, projet de réseau expérimental SNCF 6 kVDC Des architectures avec collecteur DC sont prévues dans les applications suivantes : -Distribution d'énergie dans les stations de recharge pour les véhicules électriques -Réseaux de bord des engins de propulsion navale -Chaînes de conversion électrique des engins de traction ferroviaire électrique -Production d'énergie photovoltaïque -Stockage stationnaire d'énergie électrique L'objectif de ce travail de thèse sera d'obtenir une brique de convertisseur DC/DC modulaire compatible avec les niveaux de tension délivrés par les sources d'ENR et permettant d'injecter sur de la moyenne tension DC. L'isolement électrique des sources primaires sera inchangé : il faudra donc apporter, pour assurer l'isolement des sources, une technologie de transformateur à très haut rendement (>99.5%) intégré dans les étages de conversion statique. Le transformateur sera l'un des éléments clés de la problématique et à ce titre certainement le support de nombreuses innovation en termes d'utilisation de matériaux magnétiques (selon la bande de fréquence et le cahier des charges, des matériaux amorphes, nanocristallins coupés, ou ferrites spécifiques peuvent être employés), de disposition mécanique de ces matériaux (orientation, taux de charge, morphologie), de disposition électrique des enroulements ainsi que de gestion thermique de l'ensemble, tout en assurant une rigidité diélectrique appropriée. -L'injection pourra se faire sur un réseau 6 kVDC (réseau expérimental SNCF) -L'électronique de puissance sera réalisée avec des semiconducteurs HT SiC dont les performances actuelles sont très supérieures à des équivalents Si. Le DTNM et le laboratoire Ampère apporteront leurs expertises sur les matériaux magnétiques pour le dimensionnement du transformateur intégré dans les étages de conversion tandis que le DTS apportera des connaissances dans le domaine du prototypage de convertisseurs moyenne / forte puissance, de transformateurs , ainsi que dans la caractérisation de composants d'électronique de puissance.
Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)
Laboratoire Electronique avancée, Energie et Puissance
Bac +5 electronique, simulation
01-10-2021
SL-DRT-21-0403
Ce sujet de thèse adresse les développements scientifiques nécessaires pour concevoir un hub énergétique domestique permettant en un seul équipement d'électronique de puissance, de gérer l'ensemble des flux énergétique d'une habitation voir d'un petit collectif : production photovoltaïque (?), stockage y compris via son véhicule électrique (V2G), échange avec le réseau (smart grid), etc. Des travaux sur des topologies avancées de convertisseur haute fréquence à très fort rendement ont déjà fait l'objet de travaux au CEA mettant en ?uvre des composants GaN notamment. Le CEA propose donc d'aller plus loin en étudiant la possibilité de couplage de sources d'énergie ou récepteurs divers par un seul et même convertisseur. La conception du convertisseur devra prendre en compte l'ensemble des composants parasites, et dans la mesure du possible les minimiser. Cette approche repose sur des outils de simulation (LTspice et/ou Ansys Q3D) et de test permettant le développement d'un système avec une haute efficacité. La finalité de l'étude sera la réalisation du système complet intégrant dans la mesure du possible avec un filtre actif pour la CEM.
Département Systèmes (LETI)
Laboratoire Electronique Energie et Puissance
Ecole d'ingénieur électronique de puissance, automatique, mathématiques appliquées
01-10-2021
SL-DRT-21-0609
Ce sujet de thèse adresse les développements scientifiques nécessaires pour concevoir un hub énergétique domestique permettant en un seul équipement d'électronique de puissance, de gérer l'ensemble des flux énergétique d'une habitation voir d'un petit collectif : production photovoltaïque (?), stockage y compris via son véhicule électrique (V2G), échange avec le réseau (smart grid), etc. Des travaux sur des topologies avancées de convertisseur haute fréquence à très fort rendement ont déjà fait l'objet de travaux au CEA mettant en ?uvre des composants GaN notamment. Le CEA propose donc d'aller plus loin étudiant la possibilité de couplage de sources d'énergie ou récepteurs divers par un seul et même convertisseur. La conception du convertisseur sera réalisée avec une approche de type « model based design ». Cette approche repose sur des outils de simulation et de test permettant un développement système efficace. La finalité de l'étude sera l'implémentation des lois de commande sur un prototype développé au laboratoire.
Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)
Laboratoire des Matériaux et Composants Magnétiques
Ingénieur Matériaux
01-10-2021
SL-DRT-21-0637
Grâce à leurs performances magnétiques remarquables, les aimants en NdFeB dominent le marché des aimants permanents. Avec le développement des énergies propres (voitures électriques, éoliennes, ?), leur impact environnemental et économique est fort car la demande pour ces matériaux de haute technologie est en forte croissance. Les terres rares (TR) lourdes font partie des matériaux critiques, il est donc de plus en plus nécessaire de recourir aux technologies de recyclage, moins coûteuses et plus respectueuses de l'environnement. Le CEA/LITEN a été intégré dans des projets de recyclage des aimants, notamment REE4EU (H2020), RECVAL (ANR), Permafrost (EIT Climate) et plus récemment VALOMAG (EIT Raw Materials). Des industriels français sont intéressés par le sujet pour la mise en place d'une filière Française de recyclage des aimants. Le développement des nouveaux aimants sobres en TR lourdes doit viser à localiser ces éléments critiques en périphérie des grains de la phase magnétique, là où il est nécessaire de renforcer la tenue à la désaimantation. Cela permet également de réduire la quantité totale contenue dans les aimants. Le travail de thèse s'inscrira dans la voie de recyclage « courte » des aimants en NdFeB à forte teneur en TR lourdes (5 à 10% en masse de Dy ou Tb). Elle consistera à les réduire en poudre puis à modifier leur composition, leur microstructure et leur granulométrie afin de leur permettre de libérer plus facilement les TR lourdes qu'elles contiennent. La microstructure des poudres sera caractérisée par SEM ou TEM, à l'issue des différentes étapes du procédé de pulvérisation. Les poudres optimisées serviront de source de TR lourdes qui seront relocalisées en périphérie des grains de la poudre vierge au cours du frittage. Ces techniques de mélanges de poudres et de localisation de TR lourdes permettront non seulement de retrouver la coercitivité de l'aimant de départ, mais pour aller plus loin de l'améliorer. Le travail se poursuivra par la mise en ?uvre des procédés de mise en forme classique de métallurgie des poudres ou des procédés netshape (FLLP, SPS, PIM) pour tirer le meilleur parti de la disponibilité de ces poudres riches en Dy dans des cycles courts de recyclage. Les résultats obtenus permettront d'alimenter des études ACV ou technico-économiques. La microstructure et les propriétés magnétiques des aimants frittés permettront de valider les meilleures voies de recyclage. Ce travail reposera sur les équipements de la plateforme Poudr'Innov 2.0 et les compétences du LMCM en métallurgie des poudres, magnétisme et procédés net-shape, associées aux compétences de l'IRIG pour caractériser et quantifier la localisation des TRL au travers leur expertise.
Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)
Laboratoire des Matériaux et Composants Magnétiques
Ingénieur ou Master 2 Sciences des Matériaux, Physique
01-10-2021
SL-DRT-21-0673
Les aimants permanents néodyme-fer-bore (Nd-Fe-B) sont aujourd'hui les plus performants. Ils représentent un enjeu stratégique pour le développement de moteurs et de générateurs plus efficaces (véhicules hybrides, éoliennes). Le problème majeur réside dans la disponibilité d'aimants permanents stables en température dans un contexte de limitation des ressources en Terres Rares Lourdes (Dy, Tb). Ce sont en effet ces TRL auxquelles ont recours aujourd'hui les fabricants pour garantir la coercitivité des aimants, c'est-à-dire leur capacité à maintenir leur aimantation initiale dans le champ démagnétisant imposé par l'application. L'accroissement de la demande en aimants NdFeB nécessite de réduire fortement la teneur en TR lourdes tout en conservant la coercitivité élevée de ces aimants. Le développement des nouveaux aimants doit donc viser à localiser ces éléments en périphérie des grains de la phase magnétique, là où il est nécessaire de renforcer la tenue à la désaimantation. Le but de la thèse est donc de maitriser la diffusion des terres rares lourdes en périphérie de la phase magnétique. Le travail de doctorat associera une approche expérimentale poussée (élaboration de monocristaux, caractérisations des profils de diffusion, fabrication d'aimants) à une modélisation des cinétiques de diffusion, pour comprendre et définir les conditions optimales de localisation en périphérie des grains de la phase magnétique.
Département Thermique Conversion et Hydrogène (LITEN)
Laboratoire des composants et systèmes thermiques
énergétique
01-10-2021
SL-DRT-21-0684
Le stockage thermique est un composant technologique clé pour décorréler la production de chaleur de son utilisation. Pour la vapeur, la technologie de stockage avec matériau à changement de phase (MCP) est particulièrement pertinente pour de nombreuses applications et bénéficient d'importants travaux de recherche. Toutefois, pour rendre effective la transition énergétique bas carbone, deux nouveaux besoins émergent, notamment pour la production d'hydrogène par électrolyse à haute température (EHT) et pour les « batteries de Carnot » : utiliser deux fluides différents pour l'apport d'énergie et sa restitution ; charger et de décharger simultanément le stockage. Les enjeux scientifiques de la thèse sont d'étudier expérimentalement un stockage MCP à deux fluides caloporteurs de taille laboratoire. Les essais visent à comprendre et déterminer le comportement dynamique et thermique de ce type de stockage, rendu nettement plus complexe par la présence des deux circuits caloporteurs. De plus, le pilotage d'un tel stockage devra être repensé par rapport aux stratégies de pilotage de stockage MCP à un seul caloporteur. Un volet modélisation viendra compléter le volet expérimental. Il s'agira de définir un premier niveau de modélisation macroscopique du stockage, en s'appuyant sur les résultats expérimentaux.
Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)
Laboratoire Prototypage et Procédés Système
Sciences des materiaux, energétique, electrochimie
01-10-2021
SL-DRT-21-0772
Lorsqu'un véhicule électrique est utilisé en France, son impact environnemental est dominé - en terme d'émissions de CO2 - par la production des batteries qui le composent. En attendant l'essor de chimies plus vertueuses, on s'interroge sur la possibilité de réduire de manière substantielle l'impact environnemental d'un pack batterie, en travaillant exclusivement sur les pièces et sous-systèmes situés autour des cellules: structure mécanique, système de gestion thermique, électronique embarquée etc... L'environnement des cellules peut-il significativement contribuer à réduire l'impact environnemental d'un véhicule électrique? Dans ce travail de thèse, nous nous proposons d'identifier et d'évaluer différentes pistes de conception permettant de réduire l'impact environnemental de packs batterie automobiles, en se focalisant ? au moins dans un premier temps ? sur les critères « changement climatique » et « consommation de matières minérales ». Nous nous appuierons sur l'approche et les méthodes d'écoconception et d'ACV pour évaluer l'impact de packs batterie actuels, et identifier des voies et solutions techniques prometteuses: stratégies de gestion thermique et électrique, conception mécanique alternative, sélection ou formulation de matériaux... L'évaluation des impacts et la recherche de compromis pourra se faire par simulation dans un premier temps. Nous chercherons ensuite à démontrer la viabilité de certaines de ces pistes par la réalisation de maquette(s) de module(s), s'appuyant notamment sur les technologies de fabrication additive. La thèse sera menée sur le site de Grenoble, en étroite collaboration entre le département de l'énergie pour les transports (DEHT), le département des nouveaux matériaux (DTNM), et le laboratoire G-SCOP spécialisé dans les méthodes d'analyse de cycle de vie. Elle couvrira des domaines scientifiques aussi variés que: ACV, simulation numérique, sciences des matériaux, conception, ou encore procédés de fabrication.
Département Systèmes (LETI)
Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs
Ecoles d'ingénieurs ou M2 avec des composantes en électrotechnique, électronique de puissance et électromagnétisme.
01-10-2021
SL-DRT-21-0862
Les technologies de transmission de puissance sans fil (TPSF) sont en plein essor avec des applications dans les domaines du spatial, de l'électronique grand public, du médical, de l'automobile ou encore de la défense. L'objectif de ces technologies est de transmettre de l'énergie électrique entre deux éléments sans utiliser de support matériel avec le maximum de rendement possible. La technologie de transmission de puissance par couplage inductif résonant semble la plus prometteuse en terme d'efficacité en champ proche. Cette thèse s'inscrit dans le développement des thématiques transmission de puissance sans fil et puissance du CEA-LETI à Grenoble. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est d'étudier, développer et tester les performances de cette technologie sur une plage de fréquence VHF (30-300 MHz) inexploitée dans la littérature, en intégrant une électronique de pilotage à base de transistors GaN. Le candidat sera amené à développer des modèles analytiques et numériques pour optimiser le coupleur électromagnétique, à comparer les performances des systèmes existants de la littérature, ainsi que proposer, développer et tester les performances de topologies innovantes à base de GaN. Le but final de la thèse est l'analyse et la compréhension des avantages et des limites de cette technologie par rapport aux plus basses fréquences traditionnellement utilisées. Un profil pluridisciplinaire orienté physique et électronique de puissance est recherché pour cette thèse. En plus de solides bases théoriques, le doctorant devra posséder des capacités à travailler en équipe et une aptitude à l'expérimentation. Le doctorant sera intégré au Département Systèmes du CEA-Leti, au sein d'équipes de chercheurs possédant de fortes compétences sur le développement et l'optimisation de systèmes de puissance et de transmission de puissance sans fil.
