Conception d'un dispositif de récupération d'énergie mixte vibratoire-électromagnétique pour l'alimentation des dispositifs à faible consommation

par Zied Saddi

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Laurent Cirio.

Soutenue le 15-12-2016

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire électronique, systèmes de communication et microsystèmes (laboratoire) et de Electronique- Systèmes de communication et Microsystèmes / ESYCOM (laboratoire) .

Le président du jury était Tân-Phu Vuong.

Le jury était composé de Laurent Cirio, Hakim Takhedmit, Habiba Ouslimani, François Costa.

Les rapporteurs étaient Dejan Vasic.


  • Résumé

    L’alimentation des systèmes communicants à partir des sources d’énergies existantes dans l’environnement est une solution pertinente pour prolonger leur autonomie énergétique. Cela peut permettre de s’affranchir des sources d’énergie embarquées comme les piles et les batteries, qui présentent une durée de vie limitée, nécessite un remplacement périodique et un coût de recyclage. Parmi les sources d’énergies récupérables, les ondes électromagnétiques et les vibrations mécaniques sont considérées parmi les plus prometteuses en raison de leur disponibilité notamment dans les milieux urbains. Notre contribution porte sur l’étude et la réalisation d’un dispositif de récupération d’énergie vibratoire par transduction électrostatique. Ce type de système, basé sur une variation de capacité, nécessite une tension de pré-charge provenant d’une source auxiliaire. Afin d’éviter les matériaux piézoélectriques et les électrets caractérisés par une durée de vie limité, la phase d’initialisation a été assurée par une rectenna (Rectifying antenna).Deux rectennas ont été développées pour assurer la pré-charge du transducteur électrostatique. Une première structure bi-bande (2.45 GHz et 1.8 GHz) basée sur un anneau hybride a été proposée. Elle permet, non seulement d’augmenter la puissance RF captée, mais aussi de simplifier les problèmes d’adaptation. Une tension de 320 mV et un rendement de 40.6 % ont été mesurés, respectivement pour des densités surfaciques de puissance de 1.13 et 1.87 µW/cm2 aux fréquences 1.85 et 2.45 GHz. Une deuxième structure élévatrice de tension en topologie Cockcroft-Walton a été conçue et caractérisée expérimentalement. Une tension de 1.06 V a été mesurée pour une densité surfacique de puissance de 1.55 µW/cm².Un dispositif de récupération d’énergie mixte électromagnétique vibratoire complet a été par la suite étudié, conçu et caractérisé expérimentalement. Le transducteur électrostatique a été couplé à un circuit de conditionnement de Bennet pré-chargé par la rectenna. Une tension de 23 V a été obtenue à la sortie du système pour une tension de pré-charge de 0.5 V (1.55 µW/cm²) et à partir d’une vibration mécanique de fréquence 25 Hz et une accélération 1.5g.Une modélisation du transducteur électrostatique adaptée à différentes structures a été proposée. En se basant sur les équivalences mécaniques électriques, un modèle électrique équivalent est déduit en utilisant le logiciel LTspice de façon à étudier le comportement du système et prévoir la tension et la puissance récupérée.Mots clés : récupération d’énergie, rectenna, antenne microruban, circuit de conversion RF-DC, transducteur électrostatique, circuit de conditionnement de Bennet, modélisation

  • Titre traduit

    design of a device for Energy Harvesting from vibrations-electromagnetic


  • Résumé

    Energy harvesting is an attractive solution to power supply low-power electronics and wireless communication devices avoiding the use of power sources like batteries which have a limited life, requires periodic replacements and have a cost of recycling. Among the available ambient energy sources, electromagnetic waves and mechanical vibrations are the most suitable because of their availability particularly in the urban areas. Our contribution focuses on the study and implementation of a vibrational energy harvesting device using the electrostatic transduction. This system, based on a capacitance modulation, requires a voltage pre-charge given by an auxiliary source. To avoid electret or piezoelectric materials characterized by a limited lifetime, the initialization step was provided by a rectenna (Rectifying antenna).A new structure of dual-band rectenna (2.45 GHz and 1.8 GHz) based on a hybrid ring has been proposed. It allows to increase the received RF power but also to simplify the matching circuit. It experimentally achieves 320 mV voltage and 40 % efficiency when the power densities are 1.13 and 1.87 mW/cm2 at 1.85 and 2.45 GHz, respectively. A Cockcroft-Walton voltage multiplier rectenna was also designed and experimentally characterized. A voltage of 1.06 V was measured at a power density of 1.55 mW/cm².A macro-scale electrostatic vibration harvester (e-VEH), wirelessly pre-charged with a 2.45 GHz Cockcroft-Walton rectenna, was studied, designed and experimentally characterized. The e-VEH uses the Bennet doubler as conditioning circuit. A voltage of 23 V across the transducer terminal has been measured when the vibration harvester is excited at 25 Hz and 1,5g of external acceleration. An energy of 275 µJ and a maximum power of 0.4 µW are available across the load. ‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬A lumped element model of the electrostatic transducer has been proposed. Based on mechanical/electrical equivalent equations, an equivalent electrical circuit is derived using the LTspice simulator to study the behavior of the system and provide the voltage and the power converted.Keywords: Energy harvesting, rectenna, microstrip antenna, RF-to-dc converter, electrostatic transduction, Bennet’s doubler, modélization


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