Dossier Credit Impot Recherche

Nexteer Automotive France
Crédit d'impôt
Recherche [CIR]
ANNEE 2014
Rapport justificatiftechnico-financier du Crédit d'impôt Recherche
Confidentiel

Confidentiel
SOMMAIRE
1. PRESENTATION DE LA SOCIETE............................................................................................................................3
1.1. HISTORIQUE DE L'ENTREPRISE...............................................................................................................................................3
1.2. METIER DE L'ENTREPRISE.......................................................................................................................................................4
1.3. Nos PRODUITS ET CLIENTS .....................................................................................................................................................5
1.4. ACTIVITES DE R&D ..................................................................................................................................................................8
2. POSTE DES DEPENSES DECLAREES ......................................................................................................................9
2.1. DEPENSES DE PERSONNEL.......................................................................................................................................................9
2.2. DOTATIONS AUX AMORTISSEMENTS R&D............................................................................................................................9
2.3. DEPENSES DE VEILLE TECHNOLOGIQUE ............................................................................................................................. 11
2.4. ÜPERATIONS DE R&D EXTERNALISEES ............................................................................................................................. 12
2.5. SOMMES DEDUITES DE L'ASSIETTE DU CIR....................................................................................................................... 13
2.5.1. Subventions ou avances remboursables reçues..........................................................................................13
3. JUSTIFICATIFS DES PROJETS...............................................................................................................................14
3.1. LISTE DES TRAVAUX DE R&D ELIGIBLES AU CIR ............................................................................................................. 14
3.2. DESCRIPTIONS DES PROJETS DE R&D ................................................................................................................................ 14
3.2.1. NOM DU PROJET: Wireless Force Sensor.....................................................................................................14
3.2.1.1. 0 bjectif du projet.....................................................................................................................................................................14
3.2.1.2. État de l'art..................................................................................................................................................................................14
3.2.1.3. Aléas, incertitudes scientifiques, verrous technologiques ..................................................................................41
3.2.1.4. Travaux R&D réalisés, démarche expérimentale.....................................................................................................41
3.2.1.5. Raisonnement scientifique et démarche expérimentale......................................................................................43
3.2.1.6. Originalité des développements réalisés.....................................................................................................................43
3.2.1.7. Résultats scientifiques ou techniques obtenus .........................................................................................................44
3.2.1.8. Indicateurs de R&D................................................................................................................................................................. 78
3.2.1.9. Acquisition des connaissances.......................................................................................................................................... 78
3.2.1.10. Ressources humaines ............................................................................................................................................................ 79
3.2.1.11. Recherche sous-traitée déclarée au CIR.......................................................................................................................80
4. ANNEXES .....................................................................................................................................................................81
Nexteer Automotive France : CIR 2014 page 1/81

Confidentiel
Résumé du rapport CIR 2014
Nexteer Automotive est un équipementier automobile implanté dans le monde entier. La société est
spécialisée et leader dans la production de systèmes de direction. Nexteer maîtrise l'intégralité du
processus de développement des systèmes EPS et des technologies utilisées en intégrant à la fois la
conception, la fabrication et la validation des produits.
Le site de Paris est le siège Européen mais aussi le Centre Technique pour le développement des produits
en Europe de Nexteer Automotive.
Lorsque le site de Paris rencontre des difficultés sur des produits avec des clients européens, elle le signale
au centre technique des Etats-Unis qui recherche si ces cas se sont déjà présentés. Dans le cas contraire, le
centre technique de Paris se lance dans un projet de R&D afin de résoudre les verrous techniques en
parallèle des projets de R&D suivis en interne.
Sur toute l'année 2014, la société Nexteer Automotive France a concentré son équipe de R&D sur son
principal projet suite aux travaux réalisés en 2013 qui est:
q Projet n°l - Wireless Force Sensor
Nos frais de personnels affectés aux travaux de R&D éligibles sur l'année 2014 ont été de 57 244 € et nos
dotations aux amortissements sont de 216 € sur la période 2014, enfin les dépenses de recherche
respectives associées sont de 28 622 € (50%) et 162 € (75%).
Nos frais de veille technologique s'élèvent à 22 237 €.
Pour notre projet, nous avons sollicité la participation du laboratoire public de génie électrique de Paris de
SUPELEC par l'intermédiaire d'une thèse CIFRE pour un montant de 11 250 '€ sur 2014.
Cette même thèse CIFRE a été subventionnée à hauteur de 14 000 € par l'ANRT.
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ANNEE CIVILE
DEPENSES ENGAGEES
2014
...... -·
(+) Frais de personnel de Recherche 57 244 €
(+)Dépenses de fonctionnement de Recherche 28 784 €
(+)Dotations aux amortissements R&D 216 €
(+)Dépenses de protection industrielle -€
(+)Dépenses liées à la Normalisation -€
(+)Frais de veille technologique (frais de personnel et dépenses) 22 237 €
(+)Frais de Sous Traitance Organisme Public 22 500 €
(-) Subvention et avances reçues par des organismes de recherche 14 000 €
(+)Remboursement des aides publics -€
TOTAL DE L'ASSIETTE DU CIR 116 982 €
CIR= 1 35 094 € 1
Tableau 1 - Dépenses éligibles au CIR 2014
En synthèse, nos dépenses de personnel ainsi que nos dotations aux amortissements associées aux frais de
fonctionnement, à nos frais de veilles technologiques, nos frais de sous-traitances et la subvention de l'ANRT
pour l'année 2014 font ressortir une assiette de dépenses R&D éligibles au CIR de 116 982 €, soit un CIR
de 35 094 € (avec un taux de valorisation des dépenses de 30%).
Nexteer Automotive France: CIR 2014 page 2/81

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Les résultats financiers de l'entreprise Nexteer Automotive France sont les suivants:
enk€ 2012 2013 2014
CA 9 716 9 097 8 924
Résultat d'Exploitation 464 633 670
Bénéfices 143 317 370
Employés 59 56 56
Salariés R&D (au 31/12) 29 27 28
1.2. Métier de l'entreprise
La société Nexteer Automotive équipe les gammes de véhicules des plus grands constructeurs depuis 1999,
elle équipe aussi bien les citadines que les pick-up de grande taille, les voitures de sport et les véhicules
utilitaires légers.
Nexteer Automotive est aujourd'hui une entreprise mondiale dédiée aux systèmes de direction et de
transmission. Elle se consacre exclusivement aux systèmes de direction électriques et hydrauliques, aux
colonnes de direction et aux systèmes de transmission.
Elle emploie 11 000 personnes et équipe plus de 50 clients à travers le monde. La société possède 20 usines
de fabrication, 5 centres d'ingénierie et 10 centres de service-client stratégiquement situés en Amérique du
Nord et du Sud, en Europe et en Asie. Les clients de Nexteer Automotive incluent BMW, Fiat Chrysler, Ford,
GM, Toyota et PSA Peugeot Citroën, ainsi que des constructeurs automobiles en Inde, en Chine, et en
Amérique du Sud.
Systems Engineering Center
Application Engineering Canter
Figure 2 : Les centres techniques Nexteer Automotive dans le monde
Nexteer Automotive France représente la direction Europe de l'entreprise. Elle est basée à Tremblay en
France, à 20 km de la capitale française, Paris. Elle compte une cinquantaine de salariés répartis dans divers
métiers : Finance, Achats/Ventes, Ressources humaines et Ingénierie.

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1.3. Nos produits et clients
Nexteer Automotive conçoit et fabrique l'ensemble des composants du système de direction allant de la
colonne de direction jusqu'aux biellettes externes, en passant par le système d'assistance avec deux
solutions technologiques : Hydraulique et Electrique. L'entreprise a le rôle de fabricant d'équipement
d'origine et propose également dans son portefeuille de produits des arbres de transmissions de puissance.
Steering
Hases
H)dr..iulic Poer
Stcering (HPS)
Figure 3 : Secteurs de Nexteer Automotive
Pinion Assist
Propeller
Shafl Joints
■'§ii:iE
Halfshafts
Le système de direction est constitué des composants qui contrôlent la direction de déplacement du
véhicule. Nos gammes de produits de système de direction comprennent la direction assistée électrique, la
direction assistée hydraulique et les colonnes de direction.
La direction assistée électrique (EPS)
La direction assistée électrique (EPS en anglais pour Electric Power Steering) utilise un moteur électrique
pour aider le conducteur lors de changement de trajectoire. Des capteurs détectent la position et le couple
de la colonne de direction par l'intermédiaire du volant de direction. Nos matériels et logiciels travaillent
en synergie pour connecter le conducteur avec la route, en tenant en compte la dynamique de conduite et
l'environnement de conduite. Le système EPS contrôle la vitesse du véhicule et de l'angle de direction pour
s'assurer que la sensation de changement de trajectoire soit optimisée pour chaque situation de conduite.
Selon le type d'EPS, un module électrique applique la puissance d'assistance par l'intermédiaire d'un
moteur électrique couplé directement soit au boîtier de direction, soit à la colonne de direction.

Colonne de direction
assistée électrique
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• Le système de colonne de direction assistée électrique (CEPS) intègre
le système électronique (moteur, contrôleur et capteur) et le
mécanisme d'assistance avec la colonne de direction. Le matériel
nécessaire EPS est intégré à la colonne de direction et se monte à
l'intérieur de l'habitacle.
• Ces produits sont développés pour une large gamme de véhicules, des
petites voitures aux SUV.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent notre colonne de direction
assistée EPS sont GM dans ses petites voitures comme l'Aveo, Chrysler
dans ses Fiat 500 et Fiat dans ses etites voitures.
Crémaillère de direction
• Le système de crémaillère de direction assistée électrique (REPS)
intègre les éléments de direction nécessaires dans la crémaillère de
direction où ils sont situés sous le capot dans le compartiment moteur.
Pignon de direction
• Ces produits sont conçus pour les véhicules lourds en raison de leur
capacité à gérer des charges élevées sur l'essieu avant.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent notre crémaillère de
direction assistée EPS sont Ford dans ses camions F-150 et Mustang et
Chr sler dans leurs camions Ram.
• Le système de pignon de direction assistée électrique (SPEPS) intègre
le moteur électrique, l'unité de contrôle électronique du système et la
crémaillère d'assistance de direction à un seul arbre confondu avec
l'arbre d'entré sur pignon du boîtier de direction.
• Ces produits sont développés pour une large gamme de véhicules, des
petites voitures aux SUV.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent notre pignon de direction
assistée EPS sont PSA Peu eot Citroën dans la Citroën C3 et DS3.
Figure 4: Principaux produits EPS de Nexteer Automotive
La direction hydraulique (HPSl
La direction hydraulique (HPS en anglais pour Hydraulic Power Steering) utilise des fluides àhaute pression
pour aider la direction du conducteur. Une pompe de direction assistée entraînée par courroie crée la
pression du système. Le fluide sous pression est ensuite acheminé dans un cylindre qui fait tourner les roues
du véhicule.
Pompes de direction
Tuyaux de direction
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"{ ·
~_/
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• Les pompes de direction fournissent la force hydraulique pour la direction.
• Ces produits sont développés pour la plupart des applications de voitures et
de camions légers.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos pompes de direction sont
GM et PSA Peugeot Citroën.
• Les tuyaux de direction comprennent une large gamme de produits pour les
tuyaux groupés, les tuyaux de pression, les tuyaux de retour, les
refroidisseurs et les tuyaux de réservoirs distants.
• Ces produits sont conçus pour les véhicules avec une direction assistée
hydraulique (HPS).
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos tuyaux de direction sont
GM dans ses Buick Re al.
Boitiers de direction • Les boîtiers de direction fournissent un contrôle directionnel d'un véhicule
en convertissant la pression hydraulique à une force de rotation qui déplace
la tringlerie de direction gauche ou droite.
• Ces produits sont développés pour les véhicules qui n'utilisent pas de
crémaillère et de pignon ou pour certains véhicules lourds.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos boitiers de direction sont
GM dans ses rands camions et ses rands vans.
Figure 5 : Principaux produits HPS de Nexteer Automotive

Confidentiel
La colonne de direction (CISl
La colonne de direction (Column et Intermediate Shaft en anglais) relie le volant de direction au mécanisme
de direction, en y intégrant les commandes ou non, pour transférer le couple dl'entrée du conducteur à partir
du volant de direction.
Arbres intermédiaires • Les arbres intermédiaires relient le haut de la colonne de direction à la
crémaillère de direction. Avec des chapes de connections sur cardans aux
deux extrémités, l'arbre intermédiaire est capable de s'articuler et de
coulisser et permet de transmettre le couple sans à-coups en virage.
• Ces produits sont développés pour l'ensemble des véhicules,
GI indépendamment du secteur.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos arbres intermédiaires
sont GM dans ses rands camions et rands SUV.
Colonnes de direction • Les colonnes de direction relient le volant au mécanisme de direction en
transférant le couple d'entrée du condutcteur du volant à l'arbre
intermédiaire.
• Ces produits sont conçus pour les petites voitures, les SUV et les camions.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos colonnes de direction sont
GM dans ses grands camions et grands vans, dans son Chevy Impala et
Ford dans son camion F-150.
Figure 6 : Principaux produits CIS de Nexteer Automotive
Le système de transmission
Un système de transmission est constitué d'arbres qui transfèrent la puissance de la transmission et la livre
aux roues motrices. Nos produits de système de transmission comprennent des demi-arbres avant des
roues motrices, des arbres d'entraînement intermédiaires et des demi-arbres arrière des roues motrices
ainsi que des joints d'arbre de transmission.
Demi-arbres
Cadran
intermédiaire
Joints d'arbre de
transmission
• Les demi-arbres des roues avant motrices transmettent le couple à vitesse
constante de la transmission à la roue avant du véhicule.
• Les demi-arbres des roues arrière motrices transmettent le couple du
différentiel arrière aux roues.
• Ces produits sont développés pour une variété de véhicules et sont
personnalisés pour répondre aux besoins spécifiques de certains véhicules.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos systèmes de direction sont
GM et Chr sler.
• Les arbres d'entraînement intermédiaires travaillent en collaboration avec
les demi-arbres pour améliorer la maniabilité du véhicule et éliminer les
problèmes des perturbations de transmission sur les véhicules à traction
avant avec des essieux de longueurs inégales, des couples plus élevés et des
angles de course.
• Ces produits sont conçus pour égaliser la longueur de l'essieu pour les
véhicules dont les longueurs des arbres de l'essieu sont inégales en raison de
la disposition de la transmission pour améliorer les performances.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos cadrans sont GM dans ses
rands cross-overs.
• Les joints d'arbre de transmission, dans le cadre de l'assemblage complet de
l'arbre de transmission, transmettent un couple à partir de la transmission ou
boîte de transfert pour les essieux avant et arrière.
• Ces produits sont développés pour les véhicules utilisant un moteur avant et
une configuration du groupe motopropulseur arrière.
• Les clients de pièces d'origines qui utilisent nos joints d'arbres de
transmission sont Ford dans ses D3.
Figure 7: Principaux produits de système de transmission de Nexteer Automotive

Confidentiel
1.4. Activités de R&D
La société Nexteer Automotive a un haut degré d'expertise dans la conception, le développement, la
fabrication et le fonctionnement des systèmes de direction et de la chaîne de transmission. Nous étions un
leader du marché dans l'introduction de direction assistée électrique sans balais (brushless EPS) en Europe
en 1999 et de continuer à être un leader du marché dans la technologie des EPS. Nous avons également été
un pionnier dans l'interface automobile-pilote par le biais de réglage de la colonne de direction et de la
gestion de l'énergie lors de collision. Dans le même temps, nous sommes engagés sur des initiatives de
recherche et de développement axées sur le résultat en employant des procédés tels que la conception Lean
Méthodologie afin de répondre rapidement et exactement aux besoins des clients dans un environnement
de pressions concurrentielles. Notre expertise, conjointement avec notre intérêt pour l'innovation, nous
permettent d'utiliser des technologies de pointe, matériaux et procédés pour résoudre efficacement les
problèmes rencontrés par nos clients et leur apporter des produits innovants et pertinents sur le marché.
Le centre des systèmes d'ingénierie est situé à Saginaw dans le Michigan aux États-Unis. Il s'agit du centre
du département de R&D de la société Nexteer Automotive où nous établissons notre portefeuille de produits
et développons les produits de base et les procédés de fabrication.
Le site de Paris est le siège Européen mais aussi le Centre Technique pour le développement des produits
en Europe de Nexteer Automotive.
L'équipe de R&D de Nexteer Automotive France est en constante relation avec le centre des États-Unis et
nous travaillons sur des sujets propres aux difficultés rencontrées avec nos clients sur la zone Européenne.
Nous communiquons nos recherches et résultats aux États-Unis qui dans de nombreux cas, donnent lieu à
des améliorations dans nos produits et nos procédés.
Dès que des verrous et/ou difficultés techniques apparaissent, ces dernières sont remontées au centre de
R&D des États-Unis qui recherchent si les solutions existent et si les problèmes ont déjà été rencontrés dans
d'autres centres de Nexteer Automotive. Si aucune solution n'est remontée, le pôle de R&D de Nexteer
Automotive France engage ses projets R&D pour résoudre ces difficultés avec le support de la R&D centrale.
Le pôle de R&D de Nexteer Automotive France puise ses chercheurs dans le groupe d'ingénierie produit et
systeme qui comporte des ingénieurs et des techniciens de différentes spécialités : électronique, logiciel,
système, intégration mécanique et qualité. Quand les projets l'autorisent, la société fait appel à des
étudiants, thésards et/ou doctorants pour effectuer les recherches spécifiques.
Pour un de ses projets, la société a sollicité une thèse CIFRE avec un doctorant qui a déjà été précédemment
sollicité dans les projets de R&D de la société.

Désignation N' immobaisation
PES démontage/remontage de.> ponts
Date
acquisition
N/C
KARCHER HD61,CX- 10, 01/11p.010
Coût acquisition
Durée
acquisition
7d
7d
Dotation
annuele
Part R&D-
projet 0 °1
6%
Part Total
Amortissements
affecté.sà la R&D
6%
Part amortisement
retenue pour le CIR
20,95 t
1,11 t i 6% 6% 0,07 t
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ARMOIRE CHIMIQUE AVEC TASLETT 2,09 ~
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PONT ELEVATEUR CORGHI
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PAIRE DE PLATEAUX ___ __._._ 106 01/11 010 " 7d -~~1.!..J..............6.:~..... 6%
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ROULANTE D'ATELIER i 108 : 01/11 010 j0,O0t j 7d <r,20 t ! 6% 6% 0,25 t
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ETASLISTAHWI LLE MOSILE ___ ! 109 ! 01/11....010···························'0,oot..l............7d.................................'<,20.t..! ...........~.~...................................6.~............................. o,25E
APPAREIL DE GEOMETRIE CORGHI __._._..........?............_.,...._01...;...
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;;·~··~·r·········~·:~~··.........····················~;·;·;··················· ...................... 0,01 t
Precision M6800 (Safour) N/C 8
TOTAL 39 246,73 E 216€
/
Tableau 3 - Dotations aux amortissements
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Confidentiel
FRAIS DE PARTICIPATION A DES
CONGRES
Montant Just:ificatif
Autonomous Driving 2014 The Future of
Facture we.CONECT //°2014/186, Relevé compte carte Voyage
ADAS
d'Affaires AIR France -Amerirnn Express N°944742214059, reçu
February 27-28, 2014 IRamada Hotel
2 440 € taxi Mr Mero/1 du 26/02/2014, Heçu Botzow Privat du
Berlin-Alexanderplatz, Germany (1)
27/02/2014, Reçu ROCCO //°402, Facture RAMADA Hotel
N°10158827, Reçus TaxiFunk n°3285 et n°4264
4th International Conference Applying
Facture IQPC N°IDE-34087, Relevé compte carte Voyage
ISO 26262
d'Affaires AIR France -Amerirnn Express N°944742214090, reçu
24-27 March 2014 IFleming's 4 700 €
Les Taxis de /'Ourcq du 23/03/2014, reçu EXKI 2F du 23/03/2014,
Conference Hotel Frankfurt, Germany
Facture Flemings N°149904, Reçu Taxi68 n°148846663, Reçu
(2)
casua/food gmbh du 28/03/2014, Reçu Taxis Parisiens du
28/03/2014
Automotive Steering Technology 2014 Note de taxi Mr Mero/1 du 09/04/2014, Reçu TaxiTeam N°1589,
April 10-11, 2014 IKempinsky Hotel 181€ Quittance BTV N°0691, Reçu Tiergartenquel/e N°133379, Reçu
Bristol Berlin, Germanv (:i) Mizzios Café du 10/04/2014, Reçu Würfe/Funk N°7069
Mov'eo Days 2014
Indemnités kilométrique trajet Nexteer / Versailles de 100 km
5 juin 2014 IPalais des Congrès de 59 €
(notes de frais de M. Boudia)
Versailles (4) ···...
Journée sécurité Véhicule Autonome :
projet ISE de SystemX
N/C N/C
9 juillet 2014 llRT SystemX, Paris-Saclay
,.f: '-
(5) ··..
TOTAL 7 379€
Tableau 5 - Veille technologique - Frais de participa1tions
2.4. Opérations de R&D externalisées
Pour notre principal projet de R&D, nous avons sollicité la collaboration dlu laboratoire public de génie
électrique de Paris de SUPELEC par l'intermédiaire d'une thèse CIFRE.
Le contrat de la collaboration CIFRE entre notre société et SUPELEC stipule que pour l'encadrement
scientifique du Doctorant et des charges liées à son accueil dans l'établissement public, Nexteer Automotive
France versera une somme arrêtée forfaitairement de 15 000 € HT par période de 12 mois.
Le tableau ci-après reprend le montant versé à SUPELEC en 2014 et sa valorisation pour le CIR:
SOUS-TRAITANCE ORGANISME PUBLIC Montant
%Retenu Montant retenu
Jusitificatif
pourCIR pour CIR i(x200%)
Convention Cl FRE avec LGEP SUPELEC 11 250,00 € j 100% 22 500 € !Facture SUPELEC n°GR13/215
TOTAL 11 250,00 € 22 500 €
Tableau 6 - Dépenses d'opérations externalisées
NB: une copie du contrat CIFRE N°2013/0171 ainsi que de la facture SUPELEC n°GR13/215 sont fournies
dans le document Annexes CIR 2014.

2.5.
2.5.1.
Confidentiel
Sommes déduites de l'assiette du CIR
Subventions ou avances remboursables reçues
Pour notre projet « Wireless Force Sensor », nous avons sollicité une collaboration CIFRE avec LGEP
SUPELEC qui a été subventionnée par l'ANRT selon le contrat CIFRE N°2013/0171.
Le tableau suivant présente le total de la subvention de l'ANRT perçue en 2014 :
SUBVENTIONS ET AVANCES A L'INNOVATION Montant perçu
%Retenu
pour CIR
Montant déduit 1
pour CIR
Justificatif
contrat C/FRE N" 2013/0171, Factures
Subvention ANRT contrat CIFRE N° 2013/0171 14 000,00 € 100% 14 ooo t-:jNexteer vers ANRT /l/"2014-0024, N°2014-
0042, N"2014-ooc;8, N°2014-0126
TOTAL 14 000,00 € 14 000 €1
Tableau 7 - Subventions et aides remboursables reç:ues '~<;
NB: une copie du contrat CIFRE N°2013/0171 ainsi que les factures de Nexteer Automotive France envers
l'ANRT sont fournies dans le document Annexes CIR 2014.

Confidentiel
3. Justificatifs des projets
3.1. Liste des travaux de R&D éligibles au CIR
La liste des projets de R&D éligibles au titre du CIR 2014 est la suivante :
Année de déclaration Nombre de projets de IR&D
2014 1 projet de R&D : Wireless Force Sensor
3.2. Descriptions des projets de R&D
3.2.1. NOM DU PROJET: Wireless Force Sensor
Al - Automatique Coût déclaré au CIR: 94 745 €
3.2.1.1. Objectifdu projet
Ce projet s'inscrit dans le cadre des travaux de recherche et développement du secteur de l'automobile et
plus spécifiquement du « steer by wire ». Ce dernier supprime tout lien mécanique entre le volant et les
roues directrices. Concrètement, les consignes de braquage du conducteur sont mesurées par un capteur
angulaire et transmises électriquement aux roues directrices. Symétriquement, les efforts et vibrations
mesurées au niveau des roues sont filtrés et retransmis au volant via un moteur électrique.
Cette absence de liaison ne permet plus au conducteur de« sentir» la route. Cependant, il est nécessaire de
mesurer l'effort à fournir et le remonter au conducteur.
Nexteer Automotive France s'est fixé comme défi de garantir un maximum de sureté de fonctionnement.
Actuellement, l'une des informations pertinentes pour le système d'assistance est le couple au volant délivré
par le capteur de couple. Afin de rendre le système plus sûr, l'idée consiste à installer un deuxième capteur.
Celui-ci sera un capteur de force au niveau de la crémaillère ou encore des biellettes.
Ce projet poursuivi en 2013 a été reconduit en 2014 afin d'approfondir les résultats obtenus en 2013 et
avancer dans les différentes phases du projet. Pour cela et afin de poursuivre avec les personnes ayant
participé au projet, nous avons sollicité un projet CIFRE en collaboration avec le LGEP SUPELEC dont la
thèse serait notre projet.
3.2.1.2. État de l'art
Le projet se découpant en 3 parties à savoir: le capteur de force, l'alimentation sans fil et la communication
sans fil, nous avons dans un premier temps étudié l'état de l'art afin de rechercher un capteur de force
capable de répondre aux exigences suivantes :
• Signal de sortie fidèle à la force dans l'intervalle [0-lOkN] ;
• Robuste à l'environnement véhicule;
• Facile à intégrer au système (dimensions, montage).
Nous avons étudié le principe de chaque mesure et procédé à leurs évaluations afin de définir s'il existe un
capteur que nous pourrons intégrer dans le système EPS.
La synthèse de l'état de l'art réalisée suit une brève présentation d'un capteur de force nécessaire pour
comprendre les points étudiés :

Confidentiel
Architecturegénérale d'un capteur de force
Un capteur de force transforme la grandeur physique « Force », en une grandeur électrique, qui peut être
interprétée par un calculateur (Figure 8).
Force
Corps
d'épreuve
Déformation
- Transducteur
Signal élect.-ique
(Bas niveau)
,.
Prétraitement
Signal
Tr111osmetteur
électrique
(Haut mveau)
Figure 8 : Architecture d'un capteur de force
Signal
Hectriqu
T
e
(No11ne)
• Corps d'épreuve : Il permet la conversion de la mesurande primaire (Force) à une mesurande
secondaire mesurable (Déformation). Actuellement NEXTEER pour des essais sur véhicule, utilise
la biellette interne comme corps d'épreuve (Figure 9), il s'agit d'une pièce cylindrique en acier très
bien caractérisé : Section et longueur initiales, module de Young.
Figure 9 : Biellette interne et externe
Lorsqu'elle subit une Force 'F [N]' à ses extrémités (entre le porte-fusée et la crémaillère), il y a naissance
de contrainte (cr [Pa]) à l'intérieur de la structure, traduite sur l'échelle macroscopique par une déformation
(E [µstrain]) de la pièce, que son intensité dépend des caractéristiques de l'acier (Figure 10).
F
.,

) !J.L F
s E = - (J = -
~
!
L , s
!
F
1---
Figure 10: Illustration de comportement du corps d'épreuve
• Transducteur: Exploite la variation de la grandeur physique (déformation) pour la convertir en
signal électrique bas niveau (mV ou µA).
Dans le système EPS de Nexteer, le transducteur intégrer au capteur de couple (Figure 11) permet
de traduire la déformation angulaire de la barre de torsion représenté par une variation de champ
magnétique, à un signal électrique. Une information qui servira après à calculer le couple au volant.

Confidentiel
Figure 11 : Capteur de couple
• Prétraitement: Amplification, linéarisation.
• Transmetteur : Permet la mise en norme du signal électrique de sortie (+/- 5) interprétable par le
calculateur.
Caractéristiques du capteur de force
Le choix d'un capteur de force doit prendre en compte et éventuellement trouver un compromis entre les
critères suivants :
• Plage de déformation mesurable;
• Sensibilité ;
• Résolution ;
• Linéarité ;
• Hystérésis ;
• Stabilité du signal à la variation de température;
• Intégration au système ;
• Processus de fabrication ;
• Conservabilité à long terme;
• Durée de vie.
Etat de l'art: Les Technologies de mesure de laforce
Le transducteur traduit les déformations en un signal électrique. Il est placé à la surface de la pièce « corps
d'épreuve», et les caractéristiques connues de ce dernier permettent donc de calculer les contraintes
(force) qui sont à l'origine de la déformation.
1. Jauge de contraintes à effet piézorésistif
C'est la méthode la plus largement utilisée dans le domaine des capteurs de force. En effet, la déformation
entraîne une variation proportionnelle de la résistance de la jauge, qui est ensuite traduite en signal
électrique. Les jauges de déformation sont constituées de différents matériaux comme: les métaux, les semi-
conducteurs, mais aussi les oxydes, et les polymères conducteurs.
Ces dernières années, de nouveaux matériaux ont été utilisés pour mesurer la déformation avec une
sensibilité largement plus élevée, comme les nanotubes de carbone et les fibres de carbone qui restent
encore des matériaux instables [11.
• Définitions de bases caractérisant la jauge piézorésistive:
Le facteur de jauge (Gauge Factor, GF) est le rapport entre la variat!ion relative de résistance et la
déformation.

dR/
GF = -
R
E
[-]
Confidentiel
(1)
Le coefficient en température de la résistance (Temperature Coefficient of Resistance, TCR)
quantifie la variation relative (part par million) de résistance par rapport à la température.
TCR = dR/R
dT
[ ppm/°C]
Le coefficient en température du facteur de jauge (TCGF) défini la variation relative du GF par
rapport à la température.
TCGF =dGF / GF
dT
1.1. Jauge piézorésistive métallique
1.1.1. Principe
La résistance d'un conducteur est définie comme étant:
Où p= résistivité (fl.m)
R =pL
A
L= longueur du conducteur (m)
A= section du conducteur (m2
)
[ ppm/°C]
(2)
Cette expression est dérivée pour trouver les sources de petites variations de résistance :
dR =;dL - ~; dA + *dp (3)
Ou encore
dR dL dA dp
-=---+-
R L A p
(4)
Selon la théorie de la physique atomique [21, les courants électriques sont conduits par les électrons libres
et on peut exprimer la résistivité par l'équation suivante :
2mvo 2mvoAL
p = ne2 À = N0 e2 À
Où m : masse d'un électron
vo : vitesse moyenne des électrons
n: nombre d'électrons libres par unité de volume
e: charge de l'électron
(5)
À: distance moyenne parcourue par un électron entre les collisions
No: nombre total d'électrons libres pour un conducteur de longueur Let d'une section A
Si on dérive l'équation précédente, on obtient:
dp = dv0 _ dÀ _ dN0 + dL + dA (
6)
p Vo À No L A
En substituant l'équation (6) dans (4), on trouve l'équation complète du changement de résistance du
conducteur :
dR =zdL + dv0 _ dÀ _ dN0
R L Vo À No
(7)
Finalement, si on exprime cette dernière équation en terme de sensibilité (Facteur de jauge) on trouve:

Confidentiel
L'équation (8) indique que la valeur de S est formée de deux termes :
1) Une constante
2) Un terme qui dépend de la déformation Eet de ce qui se passe au niveau atomique soit vo et No.
Cependant, il existe quelques alliages métalliques qui présentent un comportement presque idéal, c'est-à-
dire que leur sensibilité est quasi constante pour une grande plage de déformation, C'est le cas de:
Nichrome (80% Ni, 20% Cr), SA= 2.1;
Constantan (45% Ni, 55% Cu), SA= 2.1.
1.1.2. Effet de la température
On sait que la température affecte ce qui se passe au niveau atomique, le nombre d'électrons libres, leur
vitesse, leur libre parcours moyen (No, vo, À). Si on considère les équations (7) et (8), il devient évident que
le changement de résistance t1R/R et la sensibilité S d'une jauge seront affectés par la température.
Quantifier théoriquement ces changements est pratiquement impossible. Les manufacturiers vont plutôt
mesurer expérimentalement l'effet de la température sur la réponse de la jauge. Pour la compensation en
température deux approches sont proposées:
Utilisation de matériaux résistifs réalisant l'auto-compensation.
Intégration d'une résistance dans un montage différentiel (pont de Wheatstone).
Selon [1] la jauge à trame pelliculaire reste un très bon compromis entre stabilité, taille et compensation en
température.
1.1.3. Sensibilité transversale
Lorsqu'une jauge collée selon une direction x est placée dans un champ de déformation ses boucles de
raccordement réagissent aussi à la déformation transversale Ey(Figure 12). On obtient donc une variation
de résistance de la jauge qui a la forme suivante :
Où Sx : Sensibilité à Ex
Sy: Sensibilité à Ey
K: Sensibilité transversale
y Ey
,..,
:: rn
Boucle de m c011
dc:mcu1 -
ex
-
X
Figure 12 : Illustration des déformations dans deux directions
Alors pour diminuer l'erreur de mesure liée à ce couplage, le fabricant cherche à avoir un facteur Kle plus
petit possible :
Valeurs Ktypiques : 1 à 5% pour les jauges à fils (K=0.01 à 0.05]
0.3% à 3% pour les jauges à trame pelliculaire (K=0.003 à 0.03)
1.1.4. Conclusion
Les jauges métalliques sont aujourd'hui largement adoptées pour la mesure de force, grâce au faible coût
de fabrication et à la facilité de fixation au corps d'épreuve.

Confidentiel
La jauge métallique est flexible, compatible à la grande déformation (jusqu'à SO 000 µstrain), et peu sensible
à la variation de la température.
1.2. Jauge piézorésistive semi-conducteur
1.2.1. Principe
Le principe reste le même que les jauges à trame métallique, sauf que la déformation du semi-conducteur
induit une variation de la résistivité qui est beaucoup plus importante, ce qui offre une sensibilité bien plus
élevée, aux dépens d'une forte variation du facteur de jauge GF selon la température, et un rétrécissement
de la plage de déformation mesurable dû à la fragilité du cristal.
1.2.2. Conclusion
Tant que la plage de déformation mesurable par la jauge métallique atteint 5% (50 000 µstrain), la
déformation qu'une jauge semi-conductrice pourrait supporter est souvent limitée au-dessous de
6000 µstrain [31, une plage adaptée à notre application puisque la déformation résultante d'un chargement
de biellette de 16kN n'excède les 508 µstrain. A noter que la grande sensibilité de la jauge, permet de
mesurer des faibles excitations à des fréquences importantes.
1.3. Dynamique des jauges
La réponse en fréquence n'est pas déterminée uniquement par le matériau de la jauge, le silicium transmet
sans affaiblissement des vibrations au-delà de 1MHz [21. Mais la fréquence de fonctionnement du capteur
dépend du procédé de fixation et des dimensions de la jauge, il faut en effet que la longueur f des brins soit
très inférieure à la longueur d'onde À des vibrations mécaniques de façon que la déformation mesurée soit
quasi uniforme sur l'étendue de la jauge. On adopte pour règle : f5, 0,lÀ; la mesure demeure cependant
possible, quoique perturbée, jusqu'à f=0,2À.
La longueur d'onde À de la vibration longitudinale correspondant à une contrainte dynamique, et a pour
expression À =yoù f est sa fréquence et V la célérité du son dans le matériau du corps d'épreuve donnée
par:
Y l-u
V = d . (1 + u)(l - 2u)
Où Y: module d'Young,
u : coefficient de Poisson
d : masse volumique du matériau du corps d'épreuve
Compte tenu de la règle adoptée, la fréquence maximale d'utilisation d'une jauge dont le brin a une longueur
f est:
Si on prend l'exemple de la biellette interne fabriquée en acier V= 5810 m/s, et pour une longueur de brin
f=5mm, nous avons alors fmax = 116kHz une limite largement suffisante puisque actuellement les
fréquences maximales dans le système sans détecter lors d'un test sur les remontées de la route aux
biellettes, et il s'avère qu'elles sont largement inférieure à 100 Hz. Anoter que les jauges semi-conductrices
sont encore plus rapides et permettent donc de mesurer avec précision des fréquences beaucoup plus
importantes.

Confidentiel
1.4. Evaluation
Le tableau suivant résume les différents avantages et inconvénients entre les deux types de jauge :
Avanta es inconvénients
Métallique • Bonne flexibilité • Facteur de jauge limité
• Compatibilité à la grande déformation • Taille relativement grande
Semi-
conducteur
• Peu sensible à la tem érature
• Facteur de jauge élevé et ajustable
• Dimension de la jauge minimisée
• Réalisable par la micro fabrication
• Sensibilité transverse très faible
• Sensibilité transverse non né li eable
• Plus fragile
• Plage de déformation étroite
• Plus sensible à la température
• Variation facile des propriétés lors de
la fabrication GF, R,...
Tableau 8 : Evaluation des jauges piezorésistives
2. Jauge de contraintes à effet piézoélectrique
La piézoélectricité est la propriété des matériaux qui se polarisent électriquement lors d'une contrainte
mécanique. Les matériaux typiques piézoélectriques comprennent le quartz, les céramiques
piézoélectriques comme le Titano-Zirconate de Plomb (PZT) et AIN, et les polymères piézoélectriques,
comme le PVDF (polyfluorure de vinylidène).
2.1. Principe
La jauge piézoélectrique de déformation est souvent sous forme de condensateur à plaques parallèles
(parallel plate capacitor). Le changement de polarisation sous l'effet de la contrainte mécanique associée à
la déformation mène à la production de charges sur les électrodes. La Figure 13 montre une structure
typique de la jauge piézoélectrique. Une couche de diélectrique piézoélectrique (ici on utilise le PVDF) est
insérée entre deux électrodes.
P'YDP PUM
l&AD
"tl'IIRU
Figure 13 :Technique de réalisation de capteur piézoélectrique
Un défaut important de ce genre des jauge est la dispersion immédiate de charges dès qu'elles sont
stimulées sous l'effet d'une force extérieure, la jauge piézoélectrique ne convient donc pas à des mesures
statiques ou à très basse fréquence.
2.2. Evaluation
Le tableau suivant résume les principaux avantages et inconvénients de ce type de jauge:
Avantages Inconvénients
• Consommation nulle • Sensibilité transverse non négligeable
• Sensibilité très élevée • Plage de déformation très étroite (0-200 µstrain)
• Fréquence max qui peut atteindre les Mhz • Forte non-linéarité dans la plage supérieure à
• Meilleur rapport signal bruit 200 µstrain
• Dimensions réduites
Tableau 9 : Evaluation jauge piézo-électrique

3. Jauge de contraintes à effet capacitif
3.1. Principe
Confidentiel
La capacité typique d'un condensateur plan, est déterminée par la permittivité du diélectrique E, la surface
en regard A, etla distance entre les armatures 1. Comme la permittivité E n'a pas une relation proportionnelle
avec la déformation, il reste deux voies pour représenter la déformation du corps d'épreuve : soit par la
variation de la surface en regard, soit par la variation de la distance entre armatures. Cette dernière
méthode entraîne souvent une non-linéarité importante. Néanmoins, la variation de surface en regard est
linéairement traduite en variation de la capacité. Basé sur cette relation, Suster et J.Guo [4J ont développé
une jauge capacitive de déformation, sous forme de peignes inter-digités, avec une bonne sensibilité
(GF~600).
Oeflection Dlrecuon
A
Figure 14 : Capteur capacitifde contraintes
La déformation du corps d'épreuve est transformée en déplacement horizontal des masses A et 8, ce
déplacement est ensuite transféré par les poutres pour générer un déplacement vertical des doigts, et la
variation relative de la capacité entre poutres. La plage de déformation mesurable se situe entre O et
1000 µstrain.
3.2. Evaluation
Le tableau suivant résume les différents avantages et inconvénients de ce type de jauge :
• Bonne sensibilité à la déformation • Non-linéarité importante
• Peu sensible à la température • Dimensions importante
• Rapidité
• Meilleure intégration avec l'électronique
de traitement rtvoe CMOS)
Tableau 10: Evaluation du capteur capacitive
4. Jauge de contraintes à effet magnétostrictif
4.1. Principe
La magnétostriction désigne la propriété que possèdent les matériaux ferromagnétiques de se déformer
sous l'effet d'un champ magnétique. Les matériaux ferromagnétiques montrent aussi un effet
magnétostrictif inverse, qui se caractérise par la modification de la perméabi.lité magnétique µ en présence
de contraintes mécaniques dans le matériau. La jauge magnétostrictive proposée par Ben Amor [5l est basé
sur un microtransducteur planaire constitué de deux bobines planaires, et un noyau magnétique pour
réaliser le couplage entre bobines (Figure 15).

Confidentiel
ecoodar) coil
Figure 15 : Capteur magnétique de déformation
La partie inférieure du noyau, fabriquée par NiFe (45/55), est déposée directement sur le substrat par
pulvérisation. Il relie les deux bobines en couplage. La déformation du noyau engendre la variation
proportionnelle de sa perméabilité, et ainsi la tension induite dans la bobine secondaire. La sensibilité de la
jauge magnétostrictive est relativement haute, une valeur représentative die son GF atteint 1400~1600.
Mais la sensibilité dépend considérablement de la fréquence d'excitation, et l'influence de la déformation
n'est pas linéairement représentée à différentes fréquences. La dimension des bobines reste très faible. Par
exemple, la dimension de ce micro-capteur est 500 µm x 550 µm.
Une autre technique consiste à la mesure de la variation de l'inductance d'une bobine qui intègre le corps
d'épreuve comme noyau. La variation des propriétés ferromagnétiques du métal suite à une déformation,
impact l'inductance de la bobine qui sera mesuré par un circuit électronique spécifique (Figure 16).
Traction M achine
-, ,--
1 I
v-------.:
1 1
L 1
Bridge
Amplifier
Coil
□
Supply
Traction M achine
Figure 16: Capteur magnétique de contrainte
4.2. Evaluation
Le tableau suivant résume les principaux avantages et inconvénients de ce type de jauge :
• Sensibilité très élevée • Hystérésis très fort
• Dimensions réduites • Sensibilité aux perturbations électromagnétiques
très élevée.
• Circuit d'alimentation et de conditionnement
spécifiques.
Tableau 11 : Evaluation du capteur magnétostricUf

Confidentiel
5. Pont de Wheatstone et traitement du signal
La mesure de la variation de la résistance, de la capacité ou encore de l'inductance de la jauge de contrainte,
est traduite par le pont de Wheatstone (Fig.20) en un signal électrique. En effet, il permet aussi dans le cas
des jauges piézo-résistive à compenser certain dérives (température, effet transverse) [61.
Jb
V
Je
section : A = bt p
Figure 17 : Pont de Wheatstone
Le signal délivré par le pont de Wheatstone étant un signal de bas niveau (mV), un étage d'amplification
(une combinaison de transistor et d'amplificateur opérationnel, exemple« OPA 2277 ») permet d'ajuster le
niveau du signal à celui de l'étage en aval. Le signal après amplification en fonction du transducteur utilisé,
peut présenter des non linéarités par rapport à l'information que l'on souhaite mesurer. Actuellement, des
solutions technologiques sous forme de circuit intégré programmable ou encore à commande extérieur,
permettent de remédier à ce problème tel que le MAX1457 qui permet aussi la correction de la dérive en
température et d'autre erreurs d'offset.
6. Synthèse de l'étude
A ce niveau d'étude sur les technologies de mesure, on constate que le capteur de force à jauge semi-
conductrice reste le plus favorable pour l'application en question. En effet, grâce aux dimensions
microscopiques de la jauge, il devient facilement intégrable au système et même à la puce électronique,
d'autre part sa grande sensibilité lui permet de traduire avec précision les remontées de la route.
Il reste à noter que la technologie du capteur magnétostrictif restent aussi intéressante, vue sa robustesse
et sa sensibilité très élevée. Des études complémentaires doivent être réalisées sur la consommation
énergétique.
Cependant lors de la conception du capteur, il faut certainement privilégier les composants électroniques
les plus économiques, vue la faible énergie disponible au niveau du capteur.
Etat de l'art: Alimentation du capteur avec une transmission de puissance sansfil
1. Introduction
La technologie du capteur de force étant choisie, son alimentation en énergie est une étape indispensable
pour la réalisation de la mesure, cependant, vue les contraintes techniques sur l'environnement du système
EPS, l'utilisation des fils entre le module contrôleur qui contiendra le transmetteur de puissance et le
capteur qui représente la partie réceptrice de l'énergie (Figure 18) reste une solution non-souhaitable, d'où
la proposition « Sans fil » au quelle on s'intéresse à avoir plus d'informations, notamment les différentes
techniques existantes ainsi qu'aux idées d'intégration dans l'environnement véhicule.

Confidentiel
Transmission par
Transmetteur Couplage Récepteur
-
(Module contrôleur)
Support : Air
(Capteur de Force)
Figure 18 :Transmission sans fil
Les systèmes de transmission de puissance sans fils se sont très fortement développés depuis ces vingt
dernières années, en effet, l'idée remonte au 19ème siècle, l'époque de Tesla, où ce dernier à lancer le défi
« Transmettre de la puissance sans support matériel », et propose le premier système conçu à cette effet en
1899, où il atteint 12 millions de volts sur une distance de 30 mètres. La technique semblait très dangereuse
pour la population, et à était abandonnée. Dès le début des années 1960, le défi s'impose une autre fois, pour
le compte du secteur des implants médicaux tels que le stimulateur cardiaque ou le coeur artificiel (71, en se
reposant sur une technique de couplage inductif par résonance (détaillé plus loin), mais avec des distances
et des puissances très limitées. C'est en 2007 qu'une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of
Technology (MIT) surmonte le dilemme« distance-Puissance reçu », avec un prototype« WiTricity » [81basé
sur la même technique, et qui permet d'alimenter une ampoule de 60 Watts à une distance de 2 mètres, avec
un rendement de 40%, mais avec des antennes de dimensions importantes(:::: 60cm de 0). Une technique
prometteuse notamment dans le secteur des véhicules électrique, où l'on clherche à recharger la batterie
sans fil. Malheureusement cette technique est à but commercial et les informations relatives à cette
technologie ne sont pas accessibles.
2. Types de couplage
Le choix du type de couplage entre le transmetteur et le récepteur, dépend essentiellement de deux
paramètres : la distance entre les deux parties du système et la puissance que l'on souhaite avoir à la
réception. On différencie le couplage inductif, électromagnétique et électrique.
2.1. Couplage inductif simple
2.1.1. Principe
Le couplage inductif est caractérisé par des antennes, réalisées avec des bobi.nes plates (Figure 19), dont le
rayonnement en champ lointain est généralement faible, Cependant, leur ut!ilisation est justifiée du fait de
leur fort champ magnétique en zone de champ proche, et donc on parle de couplage inductif [91.
B(d)
Figure 19 : Couplage magnétique
Une tension variable vl(t) est appliquée aux bornes de la bobine émettrice. Un courant électrique variable
il(t) circule alors dans la bobine du transmetteur comportant nl spires, supposées circulaires de rayon a.
Dans l'espace de la bobine, un champ magnétique Best observé (Figure 20).

Confidentiel
-·t·--
1
01
M
<---------------- d --------------- >
Figure 20 : Champ magnétique au long de l'axe bobine
On montre alors à l'aide de la loi de Biot et Savart que le champ dans l'axe de la bobine et à une distance d
est régi par l'équation (9). Il dépend des dimensions de la bobine, de l'intensité du courant, et de la nature
du milieu.
- . 2
B(d) =/lo t1n1a Z (9)
2 (a2+d2)
3
/i
Où µo: Perméabilité magnétique du vide (4. rr. 10-7 Hm-1 )
Lorsque la bobine du récepteur, entre dans le champ magnétique Bdu transmetteur, les deux bobines sont
alors en couplage magnétique. Celle du récepteur, aussi supposée circulaire, de rayon b et n2 tours de spires,
reçoit une partie des émissions magnétique provenant du transmetteur, représentées par un coefficient de
couplage k, qui induisent une tension v2(t) au borne de la bobine qui, fermée sur un circuit crée un courant
électrique i2(t) qui à son tour parcours la bobine et crée un champ magnétique qui s'oppose à B. La Figure
21 résume le principe de transmission de puissance sans fil.
8 (/,), '1'(/1)
~
· ~
Total flux '1'2
Figure 21: Principe du couplage inductif
2.1.2. Conclusion
Le principal avantage de cette technologie reste sa facilité de mise en œuvre, mais le grand inconvénient
réside dans les pertes magnétiques énormes et donc le mauvais rendement du circuit.
Le capteur de force interagit dans le cadre d'un système critique en terme de sécurité du conducteur, et
opère dans un environnement difficile, donc doit présenter plus de robustesse face au maintien de
l'alimentation en puissance qui ne sera forcément pas assuré par cette technologie, qui montre déjà des
faiblesses dans des conditions normales.
2.2. Couplage inductif par résonance
2.2.1. Principe
Le couplage inductif par résonance représente actuellement le moyen le plus utilisé pour la transmission
d'énergie sans fils, il vient renforcer le faible rendement du couplage inductif simple dû aux pertes
magnétiques entre l'antenne des deux systèmes transmetteur et récepteur.
Il est basé sur un lien à couplage inductif comprenant deux circuits en résonance : un primaire et un
secondaire (Figure 22). Chacun de ces circuits est composé d'un condensateur de capacité Cp (Cs), d'une
bobine d'inductance Lp (Ls), et d'une résistance Rp (Rs).

Confidentiel
Lp
k
Ls
Rp Cp
Vi11
î7Lp
- G11d
Cs
I Rs
Vom
î
Environnement véhicule
Figure 22 : Schéma de base d'un couplage inductif par résonance
Les résistances Rp et Rs représentent respectivement la résistance de fuite de la bobine du transmetteur et
la charge du circuit récepteur. Les deux bobines Lp et Ls sont couplées mutuellement et elles représentent
les antennes du système de transfert d'énergie.
La première condition pour le fonctionnement de ce circuit à un rendement élevé, c'est à dire un
transmetteur qui délivre un maximum d'énergie sous forme magnétique, et un récepteur qui absorbe le
maximum de cette énergie, est que les deux systèmes transmetteur/récepteur opèrent à la même fréquence
de résonance ff01 = /02) ainsi que le générateur qui fournit la tension d'entrée V n. D'autre part, la
conception des antennes doit respecter un coefficient de qualité élevé.
2.2.2. Conclusion
Cette technologie semble prometteuse pour notre application, vue l'important rendement et distance de
transmission permises, ainsi que la robustesse qu'elle peut présenter dans le cas de fonctionnement en
asservissement de la puissance reçu (fonctionnement en boucle fermé), rendant le capteur optimal et plus
sûr.
2.3. Couplage électromagnétique
2.3.1. Principe
La transmission de puissance par couplage électromagnétique (champ lointain) est recommandée pour des
distances au-delà du mètre et sont dits systèmes à longue portée. lis utilisent des fréquences élevées de
868 MHz à 24 GHz. Les longueurs d'ondes associées étant très faibles par rapport aux distances de
transmission, le fonctionnement de ces systèmes a lieu dans le domaine électromagnétique du récepteur [81
.
De plus, les dimensions des antennes sont beaucoup plus faibles que dans le cadre des systèmes inductifs
et l'efficacité en puissance est plus élevée, mais reste à savoir que l'énergie disponible sur l'étiquette n'est
que de quelques microwatts.
2.3.2. Conclusion
Le système de mesure de force à développer, fonctionne plutôt dans des distances de l'ordre de dizaine de
centimètres, et nécessite des centaines de mW en puissance, alors cette technologie reste loin d'être
envisageable.
2.4. Couplage électrique
2.4.1. Principe
Le couplage électrique utilise un puissant champ électrique à hautes fréquences.

Charge
N
¼]
Figure 23 : Principe du couplage inductif
Confidentiel
Pour cela, le transmetteur génère le champ à partir d'une surface plane conductrice à laquelle il est appliqué
des tensions très importantes (de plusieurs centaines à plusieurs milliers de Volts), (Figure 23). Le champ
électrique fa, entre cette surface et la masse, est assimilable au champ électrique aux bornes d'une capacité
CL. Lorsque l'antenne planaire du récepteur entre dans le champ, une capacité supplémentaire CLE se crée
entre la surface de l'antenne du transmetteur et celle du récepteur. Elle est le lieu du champ électrique ELE.
De plus, le récepteur est lui-même connectée à la masse par une capacité CE subissant un champ électrique
fü. Le circuit équivalent de ce couplage est donc celui d'un diviseur de tension, où VR est la tension aux
bornes du récepteur (Figure 24).
Figure 24 : Circuitélectrique équivalent du couplage électrique
Cependant, les dimensions de l'antenne lecteur et les tensions nécessaires sont très importantes, rendant
cette technique peu utilisée. Ainsi, avec une fréquence de porteuse de 125 kHz et une surface d'antenne de
4.5*7 cm2
pour le récepteur, si la surface de l'antenne du transmetteur est de 20*20 cm2, la tension devant
être appliquée à cette surface est de 1600 Vpour une transmission à 1 m.
2.4.2. Conclusion
Vue les dimensions importantes de cette technique, ainsi que sa tension d'alimentation qui peuvent mettre
l'environnement en danger, il s'avère plutôt difficile de l'intégrer dans un contexte embarqué dans le
véhicule. Alors, ce concept sera abandonné dans la suite de notre étude.
2.5. Conclusion générale
Parmi les quatre technologies de transmission de puissance étudiées, nous retenons celle qui repose sur un
couplage inductifpar résonance. En effet, vis-à-vis de notre application elle représente moins de contraintes
d'intégration au système.
Etat de l'art: Modélisation du transfert d'énergie parcouplage inductifpar résonance
1. Introduction
Dans le cadre de développement d'un capteur de force intégré au système de direction, nous avons analysé
et étudié une des technologies la plus favorable pour l'alimentation de l'application qui nécessite une
transmission d'énergie sans fil. La Figure 25 montre les principaux sous modules qui composent le système
prévu pour la transmission d'énergie sans fil.

Confidentiel
DC
t>- 1 0
I c,
AC
t .. • .. • .. • -
Batterie
Amplificateur Redresseur Régulateur Capteur
de puissance Couplage Inductif de tension
Figure 25 : Système complet de transmission d'énergie sans fil
Le système doit présenter une robustesse face à la variation de certains paramètres soit la distance de
transmission, la variation des caractéristiques (température, humidité, poussière...) du support de ce
transfert d'énergie.
2. Besoin en puissance
Le dimensionnement du système est contraint par trois éléments essentiels :
1. La puissance requise au bon fonctionnement du circuit récepteur;
2. Les dimensions du système qui doivent être compatible avec l'environnement véhicule;
3. La distance maximale à laquelle d'alimentation du capteur.
Dans ce cadre, une estimation de la puissance requise au circuit récepteur est inévitable. Afin de mieux
aborder le problème, on commence alors par détailler les fonctions que doit réaliser le circuit de réception
présenter dans la Figure 26. L'estimation est basée sur les catalogues fournisseurs de quelques composants,
et sur des systèmes existants.
Bobine récepteur
l
Transmission de données
Mochtlation de
charge passiw
Redressan·
de tension
Contrôlede
nxxltùation
Régtùatiou
de tension
Réception de données
Denxxltùation ,______,_____
Generation
d'horloge
Di,isionde
fréquence
Sonia
-
H
-------Vcc
Amplification
Vcc
Figure 26: Les onctions du circuit récepteur
On peut décomposer la consommation totale du circuit comme suite :
Consommation du capteur: estimer à 60 mW
Capteur de
Force

Consommation communication : 50 mW
Communication amplification et traitement de données: 150 mW
La consommation totale alors est estimée à 260 mW.
3. Etude du couplage inductif
Confidentiel
Le modèle de couplage par résonance repose sur un circuit résonant série pour le transmetteur, parallèle
pour le récepteur, tous les deux caractérisés respectivement par le coefficient de qualité Qp, Qs et les
pulsations wp, ws. L'ensemble forme un système« voltage input-voltage output». Ce type de couplage est
dit critique, on ne transmet pas de la puissance sur une bande passante, mais plutôt sur une et unique
fréquence qui permet d'atteindre des puissances importantes.
La première partie de l'étude est consacrée à l'analyse de la variation du coefficient du couplage en fonction
des paramètres de configuration du système. La deuxième, sur la modélisation du lien inductif pour
permettre une quantification de la puissance transmissible du transmetteur au récepteur.
3.1. Coefficient de couplage k
Le coefficient de couplage k (compris entre Oet 1), exprime les pertes dues à l'interface par voie aérienne
entre la bobine de transmission et celle à la réception, il quantifie alors le nombre et l'intensité des lignes
de champ magnétique, qui traverseront la surface de la bobine réceptrice par rapport à ceux créé à l'origine
par la bobine de transmission. En supposant que l'orientation des deux bobines soit identique, c'est-à-dire
que les plans définis par les deux bobines sont parallèles et que leurs centres coïncident, le coefficient de
couplage k(d) entre les deux bobines, d'inductances Ll et L2 et séparées d'une distance d, est donné par
l'équation (10) [101.
2 b2
k(d) - a .
- ..fa.5.(.Jd2+b2)a
(10)
On constat alors que k(d) reste indépendant de la fréquence de fonctionnement du circuit.
Dans le cas où les deux bobines ont les mêmes dimensions (a=b=30mm),. on trace l'évolution de k en
fonction de la distance d (Figure 27), on constat alors, que la décroissance de k reste acceptable tant que
k::;a.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
Coefficient de couplage k
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75, 80 85
Distance d [mm)
Figure 27 : Coefficient de couplage
Dans le cas où le plan de l'une des deux bobines, présente un angle par rapport à l'autre, tout en gardant un
alignement des centres (Figure 28), le coefficient de couplage est donné par (11).
:a :
d Î~
· · Coil2
----·•-··•·-····••··••·--- -·-.-..r --- -------·
cou1
Figure 28 : Disposition des deux bobines

Confidentiel
Le cas de désalignement entre les deux bobines avec une variation potentïel de l'angle a reste délicat à
modéliser, et jusqu'à présent nous ne trouvons aucune formule qui permet la présentation de la variation
de ce coefficient dans ce cas précis.
3.2. Calcul des caractéristiques de la bobine plate
Le type de bobines le plus favorable pour une transmission de puissance sans fil reste la bobine plate, dite
aussi bobine plan (Figure 29). Elle est caractérisée par son inductance, sa résistance, nombre de tours, et
ses dimensions [111.
a
a : rayon moyen de la bobine [c:ru]
b : Largeur diaméu·al de l'enroulement [cm]
h: Largem en hauteur de l'enroulement [cm]
Figure 29 : Dimensions d'une bobine plate
L'environnement du système de direction assistée impose les dimensions de la bobine. En effet, dans le cas
où la bobine de transmission est placée sur le carter de la crémaillère, on peut se permettre un rayon interne
de 6cm. La largeur en diamètre et en hauteur sont plutôt définies par la manière d'enrouler la bobine. Une
première approximation consiste à fixer la largeur en diamètre h (pour rester dans le contexte de bobine
plate) et remonter à b avec la relation:
b = N •St il
h
(12)
Où S
r,1: Section du fil [cm2
]
N: Nombre de tours
On général les fils utilisés sont de section S
r,1= 0.154 mm2
(10 bris par fil], si on se fixe une largeur en
diamètre h=1.5mm (::::3% du diamètre) et un nombre de tours N=20, la largeur en diamètre sera
b=2.0533 mm.
3.3. Calcul de la résistance
La résistance totale de la bobine est donnée par l'équation:
RT = Rvc + RAc (13)
La résistance en mode continu :
l
Rvc = 2
(Ohm] (14)
n.u.rr.r
Où l: Longueur total du fil [m]
a: Conductivité du fil [ohm/m], pour le cuivre 5.8 x 107
r : rayon du fil [m]
n : nombre de brins du fil

A partir des dimensions de la bobine fixée précédemment, la longueur calculée est :
l = 2 * pi * (a - i)* N = 3.798 m
Alors Roc= 0.4254 Ohm
Confidentiel
L'effet de peau agit en diminuant la section de circulation du courant avec l'augmentation de la fréquence,
on parle alors d'une résistance supplémentaire en mode AC:
R = ~ {r; [Ohm] (15)
AC 2a ✓;;
Où f: Fréquence [Hz]
µ: Perméabilité du matériau du fil [H/m]
À la résonance cette résistance est égale à RAc = 0.0265 Ohm
3.4. Inductance
L'inductance de la bobine est calculée en fonction de ses dimensions, et de son nombre de tours N comme
suit:
L = 0.31(aN)2 [~
1H] (16)
6a+9h+ 10b
Toutes les paramètres ont été déjà calculé, l'inductance est égale à: L= 54,662 µH.
Les paramètres estimés de la bobine (antenne) permet d'atteindre un facteur de qualité élevée de l'ordre
de Q=152 (f=200 kHz).
4. Modélisation d'un lien inductif
Le système travail dans le contexte du champ proche (champ magnétique dominant), la modélisation du
lien entre la bobine du transmetteur et du récepteur peut être approximé dans ce contexte par un modèle
de transformateur réel, qui prend en considération les pertes magnétiques lors du transfert d'énergie. Alors
on partage l'inductance en deux éléments (17), celle qui crée le champ magnétique (Lm
) intercepté par la
bobine réceptrice, et l'autre qui représente les lignes de champ perdu dans l'espace, inductance de fuite (Lr).
(Figure 30).
L =Lm+ Lt (17)
Figure 30 : Modèle du couplage inductif par résonaince
Où Lr : l'inductance de fuite qui caractérise les pertes magnétiques
Lm: l'inductance magnétisante
R : résistance propre de la bobine
R9 : résistance du générateur
CRES : condensateur du circuit résonant
m: rapport de transformation (m = Nz)
N1
L'inductance mutuelle Mest liée au coefficient de couplage k par la relation (18),
M=k..JL1 L2 (18)

Confidentiel
D'autre part, la relation entre inductances magnétisantes et inductance mutuelle est géré par l'équation
(19).
(19)
A partir de (18) et (19) on peut écrire :
k (20)
Dans le cas de deux bobines identiques (transmetteur et récepteur) :
On écrit à partir de (17) :
Ll = L2 = L
Nl = N2 -> m = 1
Lml = Lm2 = k. L
Lt 1 = Lt2 = (1 - k)L
(21)
(22)
En se plaçant dans le cas le plus défavorable, c'est-à-dire la transmission de puissance à une distance
maximale de d = 10 cm, le coefficient de couplage correspondant est k = 0.0265. Le calcul des paramètres
donne:
Lm1 = Lm2 = 1.45 ~
tH
L
r1 = Lr2 = 53,21 µH
Le calcul du condensateur est basé sur le choix de la fréquence de résonance, si on fixe une fréquence de
/rés = 200 Khz, la valeur du condensateur est de CRES= 11,585 nF.
En ramenant les impédances du secondaire au primaire, toute en prenant en compte la dernière hypothèse
(bobine identique), le modèle complet peut se réduire au schéma représenté dans la Figure 31.
Figure 31: Modèle complet avec impédances ramenées au primaire
Pour une étude du gain en tension entre le générateur et la bobine du récepteur, on procède premièrement
à une simplification du schéma complet par un schéma équivalent de Thévenin (Figure 32).
Zth
Figure 32 : Schéma équivalent de Thévenin
Avec Eth : générateur de Thévenin
Zth : Impédance de Thévenin
4.1. Simulation : relation gain en tension
Si on considère une charge représentatifde la résistance équivalente du pont de Wheatstone Ri= 100 à une
distance d = 10 cm du transmetteur et une fréquence de résonance/ rés = 200 Khz, le gain en tension entre le
générateur et la charge est représenté par le diagramme de Bode (Figure 33)

o.--~~~~.---~~
- ~~ ■ .
System: systemT , ~ -; ; ; ;:;;; :
Frequency (rad/sec): 1.27e+006 : . : : : : : :: :
Megn~ude (dB): -2.94 · ·. '. · . ·:· ··· : :: :
. ... ...... ......--- . ....--..........--- . . . . .. . .
. . . . .. . . . . . . . . . . .
. . - - .
. .. . . ... .
. . . . .. . . . . . . .. . . .
. . . . .. .
-1 50 L---L--'--'--'-'-'--'-'-'----L--L-'-.L.WU.U---L--L-'-L..U..L.U.---'---'--'-L-'-'-'-'-'
1eo , ----:--:-.,..,..~P""'==:::::::-,,..,.,,-~-...-.-~-ro,---:--~-r'::~
-1 80 · · · · · · · ·
10'
,...;·-:·!·!(f·····:····:·-'.·•;>;:
.:....'.·'.·:f·····:·
106
Frequency (rad/sec)
10"
Figure 33 : Diagramme de Bode - Gain de tension en charge RL = 100 Ohm
Confidentiel
On constate clairement depuis le diagramme, le phénomène de résonance qui se manifeste par un pic en
gain et un changement de phase, à la fréquence de résonance définie lors de dimensionnement du circuit.
En lisant cette courbe autrement, si on alimente le circuit de transmission aivec une tension sinusoïdal de
fréquence égale à la fréquence de résonnance du circuit de transmission :
vl (t) = 12. sin(2 * pi * [ rés * t) [V]
On récupère aux bornes de la charge RL une tension
v2 (t) = 6,05. .../2.sin(2 *pi * frés * t) [V]
et un courant
i2(t) = 60,5. fi.sin(2 * pi * frés * t) [mA]
Soit une puissance de réception Pout = 366 [mWJ
Pour avoir une idée sur la cohérence de notre modèle avec l'approche « transformateur » utilisée pour la
modélisation, nous avons réalisé le circuit sous les mêmes conditions sur un logiciel de simulation de circuit
électronique ISIS Proteus (Fig.37), le résultat obtenu est une puissance disponible au niveau de la charge de
Et un courant primaire de
Pout = 270,4 [mWJ (5.2V, 52mA)
12 = 1.99 [A]
LP=5d 662u
LS=5d 662.u
M=00265
RP=04253a
RS:042538
CRES:2 11,-
Figure 34 : Simulation sous ISIS PROTEUS
4.2. Impact de la variation de la distance de transmission
RL
-
100R
La quantité de la puissance reçue est fonction de la distance entre le transmetteur et le récepteur, la figure
ci-dessous représente l'évolution du courant primaire, secondaire et la tension aux bornes de la charge en
fonction de la distance.

2
~
1.5
ë
~
:::,
0
u
0.5
Confidentiel
22
;iJ ..
1
8 ..
1
6 ..
~1•
.§12
C
~ 1
0
e ..
6 ..
4 ..
2
0 2 6 e 10 12 ld
Distance [cm)
Figure 35: Evolution de la tension aux bornes de la charge RL
Courantprimaire enchargeRL=100O
hm
4 6 8 10 12 14
D
istance (cm]
Courant secondaire ,charge RL=100 Ohm
~o.--~~---.- ~-~ - ~ - -,
200
~
.ê, 150
c
~ 100
0
ü
50
'.l 4 6 B 10 12 U
Distance [cm]
Figure 36 :Variation du courant primaire et secondaire en fonction de la distance
Le rendement du circuit est défini comme le rapport entre la puissance fournie par le générateur, et celle
absorbé par la charge (23).
1'J = Pg énérats ur
Pchargs
(23)
Il dépend forcément de la distance, la figure ci-dessous illustre cette dépendance.
100.---~-~-~-~-~-~-~
80 ... .....' .......·: .......·~
·.......:·.......~·
l ao
....... ·••:••
20 •i· •.
2 4 6 8 10 1
2 14
Distance (cm)
Figure 37 : Rendement en charge du circuit RL = 100 Ohm
D'après les figures, nous constatons que lorsque la distance entre le transmetteur et le récepteur croit la
puissance reçue et le rendement du système décroissent. Il reste à noter que l'optimum de la transmission
est atteint à une distance proche du diamètre de l'antenne du transmetteur/récepteur.

Confidentiel
4.3. Conclusion
Le modèle permet de simuler une transmission de puissance de 366 mW (6,05 V, 60,5 mA) sur une distance
de 10 cm à une tension de générateur 8.4853 V et une fréquence de 200 KHz.
Aune différence près de la modélisation du lien inductifentre le modèle établi et celui intégré au simulateur,
il reste un peu délicat de vouloir mettre en place une comparaison, faute de l'ignorance du modèle de ce
dernier. Mais d'un point de vue macroscopique les deux résultats restent favorables pour l'application.
Il reste à noter que la résistance de sortie du générateur et celle d'entrée del'étage de régulation de tension
restent des paramètres déterminent dans l'optimisation du système de transmission de puissance.
Etat de l'art: Intégration du capteur au système
Le système de mesure de force composé de deux parties transmetteur/récepteur doit être intégré au
système de direction. Dans ce cadre, quatre solutions d'intégration sont discutées avec les avantages et les
inconvénients et le choix de chacune dépend de la finalité de la mesure.
1. Solution 1
Rotule
Blellette
Récepteur
(Capteur de Fore.)
Course
crémelllère
' ~-- -----~·
Transmetteur
Figure 38: Première solution d'intégration
Cette solution permet une mesure de la force au niveau des biellettes. L'estimation de la force crémaillère
peut être réalisée sous deux conditions :
1. Les deux biellettes de chaque côté doivent être instrumenté par un capteur de force.
2. Maîtrise de la variation de l'angle entre la biellette et la crémaillère.
Côté transmission de puissance, elle présente l'inconvénient d'un désalignement entre l'axe du
transmetteur et celui du récepteur, ce qui signifie une perte importante au niveau de l'énergie transmise.
2. Solution 2
Biellette
Interne
Rotule
Récepteur Ttansmetteur
Figure 39 : Deuxième solution d'intégration
Cette solution permet aussi la mesure de la force biellette, avec l'avantage de l'élimination du désalignement
entre le transmetteur et le récepteur, et donc une minimisation des pertes d'énergie. L'inconvénient réside
du fait de l'existence d'un câble électrique entre le capteur et le récepteur qui n'est pas souhaitable.

3. Solution 3
Blellette
Réçeptwr
(Capteur de Force) Transmetteur
crématuère
Figure 40 :Troisième solution d'intégration
Confidentiel
Cette solution permet une mesure directe de la force crémaillère, et présente l'avantage de l'absence d'un
désalignement entre le transmetteur et le récepteur.
4. Solution 4
Course
crémaillère
Transmetteur

1
Rêcepteur
(Capteur de Force)
Figure 41 : Quatrième solution d'intégration
La dernière solution présente une intégration parfaite du capteur au système, cependant elle présente aussi
quelques contraintes :
Le diamètre de l'antenne du récepteur doit être inférieur à celui du carter crémaillère.
Le système récepteur se retrouvera confronté à des températures élevées puisqu'il est enfermé
dans le carter crémaillère, et le défi revient à présenter une solution efficace de refroidissement.
Etat de l'art: Conclusion générale concernant le début du projet
Dans cette première étude sur le capteur de force, nous avons retenue pour la mesure de force la technologie
basée sur les jauges de contraintes semi-conductrices, comme solution optimale vis-à-vis de notre
application. En ce qui concerne l'alimentation en énergie du bloc de mesure, la technique de transmission
de puissance par couplage inductif par résonance à montrer plus de compatibilité avec le système et son
environnement, sa faisabilité a été montré à travers une modélisation du couplage inductif. Pour
l'intégration du capteur au système, quatre solutions ont été proposées, et I.e choix reste dépendant de la
finalité de l'information recherché, efforts biellettes ou crémaillères.
Etat de l'art: Synthèse surles travaux de 2013
Une première étude réalisée en 2013 favorise la technique de couplage inductif par résonance pour la
transmission de puissance et la communication sans fil (Figure 42). La littérature affirme une certaine
maturité du sujet à travers plusieurs études menées dans différents domaines d'application [12H
13l.
Dès le début des années soixante, le secteur des implants médicaux [stimulateur cardiaque, cœur
artificiel...) a relevé le défi. Les études ont abouti à la mise au point de systèmes sans fil pour la transmission

Confidentiel
de puissance et la communication basés sur un couplage inductif par résonance entre deux bobines
distantes. La technologie reste limitée aux systèmes exclusivement axiaux pour des environnements non
magnétiques [14H
15l.
Batteœ
Module
Contrôleur
Mesure
DC
I
AC
Démodulation
Amplificateur
de puissance
Capteur
de force
Modulation
de charge
Module
Contrôle de
puissance
Conditio:nremmt
du sig;nal
Figure 42: Schéma de principe d'une alimentation/communiication sans fil
La technologie a été reprise par le secteur de l'identification par onde radiofréquence (RFID : Radio
frequency identification) pour les récepteurs passifs et a abouti à une augmentation de la distance axiale
qui devienne de l'ordre de dizaines de centimètres [161
.
D'autre part, les fabricants de produits électroniques portables (téléphone/ordinateur portable,...) se sont
intéressés à cette technologie pour l'élaboration de dispositifs de recharge sans fil à des distances axiales
de l'ordre de 3 à 4 mm et des puissances qui avoisinent les 5 Watt [171.
Ces dix dernières années, le secteur de l'automobile s'est intéressé aux systèmes de transmission de
puissance sans fil notamment pour l'application à la recharge des batteries des véhicules électriques. Cette
fois-ci c'est pour des distances et des puissances beaucoup plus élevées. La démonstration d'une équipe du
MIT (Massachusetts lnstitute ofTechnology), où ils alimentent une ampoule de 60 Watt en pleine puissance
sur une distance de 2 mètres reste mystérieuse mais loin d'être adapté à l'environnementvéhicule en raison
des dimensions importantes des éléments de transmission.
L'ensemble des études citées ci-dessus présente des limitations importantes :
Elles n'abordent pas la transmission de puissance/communication sans fil en cas de désaxage des
bobines [18H
191.
Elles présentent des dimensions non adaptées au contexte automobile et sont réalisées dans un
environnement différent de celui de notre contexte [20H
211
.
Ces limitations freinent l'utilisation de cette technologie dans le secteur de l'automobile et laissent le champ
libre à des travaux de recherche dans ces thématiques.
Références bibliographiques
Au cours de notre recherche sur l'état de l'art disponible sur les capteurs de forces sans fil, l'alimentation
sans fil et la communication sans fil, nous avons effectué une recherche bibliographique sur les brevets
d'invention, les thèses de recherche, les articles techniques ou encore les normes en vigueur. Les références
citées dans l'état de l'art sont référencées ci-après. Tout au long du projet, nous avons poursuivi nos recherches au fur
et à mesures des différentes solutions explorées. Nous avons donc actualisé notre état de l'art par rapport à celui
présenté dans le CIR 2013 :
q Brevets:
US patent n°8628518 "Wireless force sensor on a distal portion of a surgical instrument and
method" - Stephen J. Blumenkranz, Brett J. Lockyer - "A surgical instrument includes a distal portion. A
force sensor is operatively mounted on the distal portion. The force sensor includes a wireless package,

Confidentiel
which wirelessly provides (1) identification information of the surgical instrument and (2) strain data
related to the distal portion. A surgical end effector includes a jaw and the distal portion is on a non-
contact portion of the jaw. The wireless package includes a surface acoustic wave strain sensor with
identification information. The wireless package also includes a smallfolded antenna electrically coupled
to the surface acoustic wave strain sensor with identification information. The identification information
includes an identification ofa type ofsurgical instrument and unique identification ofthe specific surgical
instrument in the type ofsurgical instrument."
US patent n°8395496 "Miniature modular wireless sensor" - Shiv P Joshi, Cesar Del Solar - "A
miniature modulor wireless sensor unit. The unit includes three separate easily assembled and
disassembled modules: a processor-communications module, a battery p,ack module, and a swappable
sensor module. Preferred embodiments utilize Bluetooth radio communication technology to
communicate sensor data. The total size ofpreferred embodiments is 1.380 inchx0.940 inchx0.540 inch.
Preferred embodiments are easily programmed and calibrated by lay people to automatically
communicate sensor information via Bluetooth techniques to a persona/ computer, laptop or similor
equipment. A wide variety ofsensors can be utilized with the standard sensor unit. Various battery pack
modules are provided to match battery power with needs."
US patent 0°6736015 "Robust, wireless microelectro mechanical system (MEMS) shear force
sensor" - Daniel W. Repperger, David B. Reynolds, James Berlin - "Micro electromechanical components
in a navel configuration to allow wireless normal direction pressure transducers to be usedfor oblique or
shearforces. The invention includes a nove/ cantilever beam configuration and algorithm, the readings of
the MEMS sensors are averaged to reduce the experimental variability, to estimate the shear stress that
may occur between a human and external equipment or possibly between materials."
~ Thèses:
Thesis "Energy Harvesting Wireless Piezoelectric Resonant Forœ Sensor" - Mehdi Ahmadi -
University of North Texas - "The piezoelectric energy harvester has become a new powering option for
some low-power electronic devices such as MEMS (Micro Electrical Mechanical System) sensors.
Piezoelectric materials can collect the ambient vibrations energy and convertit to electrical energy. This
thesis is intended to demonstrate the behavior of a piezoelectric energy harvester system at elevated
temperature/rom room temperature up to 82°C, and compares the system's performance using different
piezoelectric materials. The systems are structured with a Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMN-
PT) single crystal patch bonded to an aluminum cantilever beam, Lead Indium Niobate-Lead Magnesium
Niobate-Lead Titanate (PIN-PMN-PT) single crystal patch bonded to an aluminum cantilever beam and a
bimorph cantilever beam which is made ofLead Zirconate Titanate (PZT). The results ofthis experimental
studyshowthe effectsofthe temperature on the operationfrequency and outputpower ofthe piezoelectric
energy harvesting system. The harvested electrical energy has been stored in storage circuits including a
battery. Then, the stored energy has been used to power up the other part of the system, a wireless
resonator force sensor, which uses frequency conversion techniques to convert the sensor's ultrasonic
signal to a microwave signal in order to transmit the signal wirelessly."
Thesis "Development OfA Wireless Force Sensor" - SARAVANAN S/O VELAYUTHAM - Engineering
Department of Mechanical Engineering National University of Singapore - "Although there have been
many studies on bruxism forces and bruxism activities, no real medical device has been developed to
measure the forces that arise due to bruxism activities. In this thesis, different types of sensors were
investigated to develop a suitable bruxism force detector. This sensor was also interfaced to a wireless
transceiver toform a wireless pressure sensor.
The sensors that were investigated included piezoelectric sensors, piezoresistive sensors (Honeywell
FSLOSN2CJ, the Thin Film Flexi-force Sensor, constantan strain gage sensor and piezoresistive strain gage
sensor. The sensors were subjected to different load cycle patterns at different rates to a maximum force
ofup to 200 N. The sensors were testedfor their repeatability, linearity, hysteresis and drift. Experimental
results show that piezoresistive strain gage sensors are best suited sensors for bruxism force detection.
These types ofsensors are small in size; they do give consistent results and have high voltage output that
is very importantfor the wireless transmission.
The piezoresistive based bruxism force detector was interfaced to a wireless module (Zigbee) to form a
complete wireless pressure sensor thatcould be used to measure bruxismforces."
Keywords: Pressure Sensors, Wireless Transmission

Confidentiel
Thesis "Modeling, Analysis, and Design of Wireless Sensor Network Protocols" - Pangu Park -
KTH School of Electrical Engineering - Automatic Contrai Lab - "Wireless sensor networks (WSNs) have
a tremendous potential ta improve the efficiency ofmany systems,for instance, in building automation
and process contrai. Unfortunately, the current technology does notofferguaranteed energy efficiency and
reliabilityfor closed-loop stability. The main contribution ofthis thesis is ta provide a modeling, analysis,
and design framework for WSN protocols used in contrai applications. The protocols are designed ta
minimize the energy consumption ofthe network, while meeting reliabili(y and delay requirements/rom
the application layer. The design relies on the analytical modeling ofthe protocol behavior.
First, modeling ofthe slotted random access scheme ofthe IEEE 802.15.4 medium access contrai (MAC) is
investigated. For this protocol, which is commonly employed in WSN applications, a Markov chain mode/
is used ta derive the analytica/ expressions of reliability, delay, and energy consumption. By using this
mode/, an adaptive IEEE 802.15.4 MAC protocol is praposed. The pratocol design is based on a constrained
optimization prablem where the objective function is the energy consumption ofthe network, subject ta
constraints on reliability and packet delay. The protocol is implemented and experimentally evaluated on
a test-bed. Experimental results show that the proposed algorithm satisfies reliability and delay
requirements while ensuring a longerlifetime ofthe network underbath stationary and transient network
conditions.
Second, modeling and analysis ofa hybrid IEEE 802.15.4 MAC combining the advantages ofa random
access with contention with a time division multiple access (TDMA) without contention are presented. A
Markov chain is used ta mode/ the stochastic behavior ofrandom access and the deterministic behavior of
TDMA. The mode/ is validated by bath theoretica/ analysis and Monte Carlo simulations.Using this new
mode/, the network performance in terms ofreliability, average packet delay, average queueing delay, and
throughput is eva/uated. lt is shown that the probability densityfunction ofthe number ofreceived packets
per super/rame follows a Poisson distribution. Furthermore, it is determined under which conditions the
time slot allocation mechanism ofthe IEEE 802.15.4 MAC is stable.
Third, a new protocol for contrai applications, denoted Breath, is proposed where sensor nodes transmit
information via mufti-hop rauting ta a sink node. The protocol is based on the modeling ofrandomized
rauting, MAC, and duty-cycling. Analytical and experimentalresults show that Breath meets reliability and
delay requirements while exhibiting a nearly uniform distribution ofthe work load. The Breath protocol
has been implemented and experimentally evaluated on a test-bed.
Final/y, it is shown how the proposed WSN protocols can be used in contrai applications. A co-design
between communication and contrai application layers is studied by considering a constrained
optimization problem, for which the objectivefunction is the energy consumption ofthe network and the
constraints are the reliability and delay derived/rom the contrai cost. lt is shown that the optimal traffic
load when either the communication throughput or contrai cost are optimized is similar."
q Références citées dans Etat de l'art:
[1] Wenbin YANG - « Conception et intégration de microsystèmes sur un cylindre pour la mesure de
ses déformations: application à un outil du domaine de la santé», p 17-47, UNIVERSITÉ DE GRENOBLE,
Novembre 2011
[2] G.Asch - « Les capteurs en instrumentation industrielle», DUNOD 1991
[3] BCM Sensor Technologies - "Semiconductor strain gauges"
[4] M.Suster, J.Guo - "A high-performance MEMS capacitive strain sensing system", Journal of
microelectromechanical systems, vol. 15, october 2006
[5] A.Ben Amor, T.Budde, H.H.Gatzen, "A magnetoelastic microtransformer-based microstrain gauge,
Sensors and Actuators", p 41-44, 2006
[6] Cours «Capteur», chapitre 2 « Notions d'extensométrie par jauges à résistance électrique», INSA
Lyon
[7] J. Miller "Development of an Autotuned Transcutaneous Energy Transfer System", ASAIO journal
1993
[8] M.Kato, T.Imura, T.Beh, Y.Hori "Wireless Power Transfer System via Magnetic Resonant Coupling at
Restricted Frequancy Range", p 1-3, University ofTokyo, 2010
[9] Cours« Capteurs», 4ème année informatique et réseau, INSA de Toulouse, octobre 2011
[10] N.Niskala - "Inductively Coupled Wireless Power Supply" - VTT's 2009

Confidentiel
[11] Youbok Lee, "Antenna Circuit Design for RFID Applications", p 10, Microchip Technology, 2003
[12] B. Cannon, F. Hoburg, D. Stancil, S. Goldstein, "Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means
for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers", IEEE Transactions on Power Electronics, VOL.
24, NO. 7, JULY 2009
[13] François COSTA,« TRANSMISSION D'ÉNERGIE A DISTANCE», Journées Electrotechniques du Club
EEA - Energie portable: autonomie et intégration dans l'environnement humain, Cachan, 21-22 mars
2002
[14] Teck Chuan Beh, M.Kato, T. !mura, Y. Hori, 'Wireless Power Transfer System via Magnetic Resonant
Coupling at Fixed Resonance Frequency-Power Transfer System Based on Impedance Matching', The
25th World Battery, Hybrid and Fuel Cell Electric Vehicle Symposium & Exhibition, Nov. 5-9, 2010
[15] J. Miller, G. Bélanger, T. Mussivand, "Development of an Autotuned Transcutaneous Energy
Transfer System", ASAIO journal, 1993
[16] D. Caucheteux, « Etude d'architecture et conception de circuits mixtes utilisant la logique
asynchrone : application aux systèmes très basse consommation et sans contact», mémoire de thèse,
Institut national polytechnique de grenoble, 6 décembre 2005
[17] Texas Instrument, "Integrated Wireless Power Supply Receiver", BQ51013a
[18] Takehiro !mura, "Study on Maximum Air-gap and Efficiency of Magnetic Resonant Coupling for
Wireless Power Transfer Using Equivalent Circuit", IEEE International Symposium on Industrial
Electronics, pp 3664-3669,2 010.
[19] A. Djemouai, M. Sawan, "Prosthetic Power Supplies", Wiley Encyclopedia of Electrical and
Electronics Engineering, Jhon Wiely & Sons, Inc., Vol. 17, pp. 413-421, 1999.
[20] T. !mura , H. Okabe, Y. Hori, 'Basic Experimental Study on Helican Antennas of Wireless Power
Transfer for Electric Vehicles by using Magnetic Resonant Couplings', Vehicle Power and Propulsion
Conference, 2009. VPPC '09. IEEE, pp 936-940 ,2009
[21] Luc Lasne,« Etude des bobines couplées et transmission d'énergie à distance sous conditions de
résonance », Centre de Ressources en EEA, Université de Bordeaux 1.
q Autres références :
Prof Pim van der Jagt - Prediction of steering efforts during stationary or slow rolling parking
maneuvers
Prof.Dr.Georg Rill - "Steering Systems", Conference Workshop 2010
E.M ARNOUX « LOIS DE COMMANDE ET SYSTEMES DE SUSPENSION ADAPTATIFS - Théorie et
application à la mécanique automobile», p 7-15, ECOLE CENTRALE DE LYON, avril 2003
G.Baffet, A.Charara, D.Lechner "Estimation ofvehicle sideslip, tire force and wheel cornering stiffness",
p 4, HEUDIASYC Laboratory, Février 2009
Y.H Judy Hsu "Estimation and contrai of lateral tire forces using steering torque", p 5-10;22-25 ,
STANDFORD UNIVERSITY, Mars 2009
M.CASTELLVI, "benchmark oftyre models for mechatronic application", C:RANFIELD UNIVERSITY, p 16-
35, August 2010
J.GORYCA "Magic Formula Tire Mode! Coefficients", TARDEC, N° 21187, 2002
R.Brach "Tire models used in accident reconstruction vehicle motion simulation", p 1-9, N° 0102, 2009
Dr.W Hirschberg "user-appropriate tyre modelling for vehicle dynamics in standard and limit
situations", 2002

Confidentiel
3.2.1.3. Aléas, incertitudes scientifiques, verrous technologiques
Le développement de ce nouveau capteur de force à alimentation et communication sans fil repose sur le
développement et l'intégration de trois parties :
1. La chaine de mesure et de conditionnement du signal ;
2. L'alimentation en puissance sans fil;
3. La communication de données avec le contrôleur.
Suite à une étude poussée de l'état de l'art couplée aux objectifs de notre projet, nous en avons déduit nos
axes de recherches et les points spécifiques à résoudre à savoir :
• Le domaine de déplacement du capteur par rapport au contrôleur est défini dans un espace
tridimensionnel, cependant la couverture en puissance et en communication doit être
permanente.
• Les dimensions des éléments de communication et de transmission de puissance doivent
respecter les limites d'intégration (~40 mm de diamètre).
• La puissance consommée doit être contrôlée pour un bilan énergétique optimal adapté aux
limitations sur véhicule.
• Le système doit répondre aux normes de compatibilité él.ectromagnétique du secteur
automobile.
Notre recherche sur l'état de l'art a révélé des limitations importantes sur le fait qu'aucun support et étude
n'abordent la transmission de puissance/communication sans fil en cas de désaxage des bobines. De même,
la présentation des dimensions est non adaptées au contexte automobile et les études sont réalisées dans
un environnement différent de celui de notre contexte.
Ces limitations freinent l'utilisation de cette technologie dans le secteur de l'automobile et laissent le champ
libre à des travaux de recherche dans ces thématiques, ce que nous avons entrepris depuis 2013.
3.2.1.4. Travaux R&D réalisés, démarche expérimentale
Nous avons poursuivi nos travaux débuté en 2013 et concernant le système d'alimentation sans fil. En effet,
nous avions défini 4 configurations et avions étudié et testé la configuration N°1. Une des parties de nos
travaux de R&D sur ce projet a consisté à l'étude et aux tests des autres configurations. La Figure 43
schématise le capteur de force et les configurations testées sont les suivantes (cf Figure 44) :
• Configuration N°l : Deux bobines en espace libre ;
• Configuration N°2 : Deux bobines avec plaque métallique simulant la station d'accueil;
• Configuration N°3 : Deux bobines avec noyau ferromagnétique axiale
• Configuration N°4: Bobine émettrice sur le boîtier de crémaillère.
Figure 43 : Le capteur de force sans fil sur la crémalllière

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