Récupération d'énergie vibratoire large bande à partir de transducteurs piézoélectriques

par Yipeng Wu

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de Adrien Badel, Amen Agbossou et de Fabien Formosa.

Le président du jury était Claude Richard.

Le jury était composé de Mickaël Lallart.

Les rapporteurs étaient Elie Lefeuvre, Dejan Vasic.


  • Résumé

    La technologie de récupération d’énergie correspond au processus de conversion de l’énergie ambiante en énergie électrique utile à travers l’utilisation d’un matériau ou d’un transducteur spécifique. Cette énergie ambiante est présente généralement dans l’environnement du dispositif électronique autonome. L’exploitation de cette énergie peut permettre d’alimenter des dispositifs électroniques autonomes, sans l’utilisation de batteries conventionnelles. Parmi les différentes sources d’énergie ambiantes (solaire, flux d’air, flux thermiques, vibrations, etc.), les vibrations ambiantes sont une des sources d’énergie les plus répandue et suscitent ainsi un nombre croissant de travaux de recherche. Cette thèse porte sur la conception d’un dispositif complet de récupération de l’énergie des vibrations qui est adapté à des vibrations ambiantes large bande à partir de transducteurs piézoélectriques. Le système comprend un générateur piézoélectrique qui transforme l’énergie vibratoire mécanique en énergie électrique et un circuit d’extraction qui extrait et stocke l’énergie générée dans un élément de stockage. La première partie de la thèse présente une structure linéaire intégrant deux butées mécaniques symétriques. Les performances entre cette structure et une structure linéaire classique sont comparées dans plusieurs cas d’excitation. La raideur linéaire par-morceaux de la structure proposée permet d’agrandir considérablement la largeur de la bande fréquentielle de fonctionnement du générateur piézoélectrique. La deuxième partie de la thèse propose un circuit d’extraction d’énergie avancé nommé OSECE (Optimized Synchronous Electrical Charge Extraction). Il s’agit d’une amélioration de la technique SECE (Synchronous Electrical Charge Extraction). Le circuit électronique et la stratégie de commande de commutation sont simplifiés, mais l’efficacité de conversion d’énergie est également accrue. En outre, le circuit de OSECE est une interface d’extraction faiblement dépendante de la charge, ce qui est une caractéristique favorable à la récupération d’énergie vibratoire large bande. Afin de rendre le circuit de OSECE capable de fonctionner de façon autonome, la troisième partie de la thèse propose deux méthodes d’autoalimentation dédiées à la technique OSECE. L’une est une approche électronique qui utilise des circuits de détection de maximum pour piloter les interrupteurs électroniques; l’autre est une approche mécanique qui intègre des butées mécaniques exploitées comme interrupteurs mécaniques synchrones, ceux-ci étant entraînés passivement par la vibration elle-même. Enfin, une plate-forme de démonstration pour le dispositif de récupération de l’énergie de vibration est développée et mise en œuvre au laboratoire.

  • Titre traduit

    Wideband vibration energy harvesting based on piezoelectric transducer


  • Résumé

    Energy harvesting technology describes the process of converting ambient energy surrounding a system into useful electrical energy through the use of a specific materialor transducer. It has the ability to offer the prospect of powering autonomous electronic devices such as wireless sensor nodes without the use of conventional batteries. This thesis focuses on harvesting ambient vibration energy using piezoelectric materials, aims to address the challenge for the high performances of vibration energy harvesting devices (VEHDs) in the case of wideband vibrations. A typical piezoelectric based VEHD mainly comprises a piezoelectric generator (PEG) that transforms mechanical vibration energy into electrical energy and an energy extractioncircuit (EEC) that extracts and stores the generated energy into a storage element. Both of them need to be investigated and specially designed to enhance the power density in wideband vibrations. Consequently, the thesis starts on studying and modeling a classical linear PEG, then an advanced piecewise-linear PEG using two symmetrical mechanical stoppers is proposed and compared with the linear one. Several key parameters of the proposed PEG are discussed under the forward sweeping mechanical excitation. The different performances between the two PEGs are also presented under three kind of excitation signals. Hence, the thesis moves to study and model three EECs, which is also the major work of the thesis. Among them, standard EEC is the classical and simplest extraction circuit, but the energy conversion using this circuit is limited and strongly depends on the load. Synchronous electric charge extraction (SECE) EEC enhances the energy conversion of piezoelectric materials, it is also a load-independent circuit whose characteristic is very suitable for wideband vibrations. However, it introduces a complex switch control strategy that cannot be easily self-powered in stand-alone VEHDs. For this reason, we proposed anovel EEC named optimized synchronous electric charge extraction (OSECE) circuit. Not only the electronic circuitry and the switch control strategy are simplified, but also the energy conversion effectiveness is enhanced. The OSECE EEC is a load-weakly-dependent circuit, which is also a favorable characteristic for wideband vibration energy harvesting. The analytical expressions of the harvested powers using the above three EECs are derived and confirmed by the experimental results. Some additional energy losses in the nonlinear EECs are also listed and analyzed by using a simulation software. Since the OSECE EEC optimizes its switch control strategy, two kinds of self-powered approaches based on the OSECE technique are proposed in chapter 4. One is an electronic approach that uses peak detector (PKD) circuits to drive the switches synchronously; the other is a mechanical approach that integrates mechanical stoppers used as synchronous switches, so the switches are passively driven by the vibration itself. As a result, the second approach introduces an advanced VEHD which consists of the piecewise-linear PEG due to the mechanical stoppers and the nonlinear OSECE EEC. Finally, a power management unit which can directly provide the standard direct current (DC) voltage for the electronic modules is presented. A demonstration platform for the vibration energy harvesting technology are developed and evaluated in the laboratory environment.


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