Conception d'un dispositif de récupération d'énergie vibratoire large bande

par Weiqun Liu

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

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

Le président du jury était Elie Lefeuvre.

Le jury était composé de Philippe Basset, Mickaël Lallart.

Les rapporteurs étaient Zhihua Feng, Einar Halvorsen.


  • Résumé

    La récupération d'énergie à partir des sources de vibration est une des stratégies développées pour l'alimentation de capteurs autonomes communicants. La variabilité des gisements vibratoires dans l'environnement constitue un défi notable pour l'obtention de performances satisfaisantes et appelle au développement de dispositifs de récupération d'énergie à large bande passante. Les générateurs basés sur des oscillateurs mécaniques non linéaires bistables ont démontré des performances particulièrement intéressantes. Grâce à l'effet de conversion fréquentielle notamment, la plage de fonctionnement est considérablement augmentée. Une nouvelle architecture de générateur bistable basée sur un oscillateur non linéaire et des composants piézoélectriques est proposé dans la thèse. Ce générateur possède des caractéristiques particulièrement favorables en termes de compacité et de simplicité. Des études théoriques et expérimentales ont été menées. En utilisant les excitations canoniques dans le cas de systèmes dynamiques non linéaires (balayage fréquentiel et bruit blanc), les gains obtenus par rapport à des générateurs linéaires ont été quantifiés. Les performances du générateur proposé sont également supérieures à celles des générateurs bistables de la littérature. Une attention particulières a été portée à l'étude des réponses dynamiques non linéaires complexes révélant la présence d'attracteurs étranges et l'influence des conditions initiales. Une analyse spectrale est également utilisée pour améliorer la compréhension du comportement du générateur. L'adimensionnement des équations d'équilibres donne à ces analyses une portée générique. Selon le modèle normalisé développé, la performance d'un générateur bistable est liée à quatre paramètres critiques: l'amortissement structurel, le niveau de couplage électromécanique, le niveau de flambement et la fréquence caractéristique. Un facteur de mérite est proposé et constitue un élément de comparaison pertinent entre générateurs. Une stratégie de conception optimale a été élaborée et mise en œuvre pour la réalisation d'un générateur miniaturisée. Après une caractérisation expérimentale complète utilisant les signaux canoniques, son potentiel d'application à des cas plus proches des environnements réels a été étudié en répliquant en laboratoire l'excitation mesurée sur un véhicule en roulage. L'association du générateur bistable avec une technique d'extraction d'énergie non linéaire a été réalisée : la technique OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) est choisie. Les gains de performances obtenus pour différents niveaux de couplage électromécanique dans le cas des excitations canoniques sont étudiés. L'énergie récupérée est considérablement augmentée en cas de faibles couplages électromécaniques. Lorsque celui-ci est plus élevé, les performances sont comparables à celles obtenues avec un simple pont redresseur, mais l'indépendance à l'impédance d'entrée du circuit alimenté dans le cas de la technique OSECE peut être un avantage déterminant pour des applications réelles. Finalement, compte tenu des gains attendus par l'approche combinée oscillateur bistable et technique OSECE, l'auto-alimentation du circuit actif OSECE est réalisée dans le cas d'un oscillateur bistable par des moyens mécaniques. La complexité du générateur est légèrement augmentée dans la mesure où des butées mécaniques et un système de contacteurs électriques sont ajoutés. Les résultats démontrent le potentiel de l'approche qui capitalise les bénéfices de l'oscillateur bistable et du circuit d'extraction non linéaire.

  • Titre traduit

    Development of a generator for wideband vibration energy harvesting


  • Résumé

    As scavenging the energy from the vibration sources has the wide adaptability and the easy feasibility of integration with other sources, it becomes one of the hottest topic in the energy harvesting field. Numerous works have been done to enhance the harvested power by optimizing the interface circuit and the mechanical structure. The variability of the environmental vibrations introduces a challenge to the conventional linear harvesters and calls for the development of wideband vibration generators. Plenty of approaches have been proposed. Bistable generators have shown some of the best properties of the frequency-up-conversion effect at the low frequency range and the bandwidth increase from the nonlinear backbone response. A novel bistable generator with a BSM (Buckled-Spring-Mass) architecture is proposed in the thesis. This BSM generator possesses some especially desired properties of compactness and simplicity. Utilizing the chirp and noise excitations, experimental and numerical investigations have shown that it effectively extends the operation bandwidth compared with linear generators. The performance is also demonstrated to be better than most of the reported bistable generators. The complex nonlinear dynamics have been studied, including the strange attractor and the influence of the initial condition. A spectrum method is also used to give more details about the motion of the BSM generator. According to the developed normalized model, the BSM generator's performance is related to four critical parameters: structural damping, electromechanical coupling level, buckled position and characteristic frequency. Applying the concluded optimization and design procedures, a miniaturized BSM generator of the millimeter scale has been produced and tested. The application potential is further investigated with a replicated realistic excitation from the wheel of a driving car. Moreover, a wireless demonstration platform has been constructed to exhibit the wideband operation ability.A figure of merit is proposed to make fair comparisons between the literature nonlinear wideband generator and the BSM generators. Chapter 4 presents a novel energy harvesting solution which combines the BSM generator with a nonlinear extraction technique: the OSECE (Optimized Synchronous Electric Charge Extraction) technique is used along with the BSM bistable generator.The performances of the proposed solution for different levels of electromechanical coupling coefficients in the cases of chirp and noise excitations are compared against the performance of the BSM generator with the standard technique. It is shown that the harvested energy is drastically increased for all excitations in the case of low electromechanical coupling coefficients. When the electromechanical coupling coefficient is high, the performance of the OSECE technique is not as good as the standard circuit for forward sweeps, but superior for the reverse sweep and band-limited noise cases in the tested range. Finally, a self-powered approach for the combination of the BSM generator and the OSECE circuit is realized by replacing the electronic switches with mechanical switches and introducing additional stoppers. It allows wideband harvesting capability, high harvested power and autonomous features. A model of this novel generator is detailed and experimentally validated. Discussions and optimizations are performed to find the optimal parameters and fully investigate the performance of the proposed generator. It shows that introducing the stoppers and the self-powered OSECE circuit using mechanical switches can substantially enhance the harvested power with moderate additional complexity.


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