Interfaces électriques adaptatives dynamiquement au spectre fréquentiel pour la récupération d'énergie vibratoire large bande

Adaptive Electrical Interfaces for Wideband Vibration Energy Harvesting

• Auteur / Autrice : Adrien Morel
• Direction : Adrien Badel, Gaël Pillonnet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 18/11/2020
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et ingénierie des systèmes, de l'environnement et des organisations (Chambéry ; 2007-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et matériaux pour la mécatronique (Annecy) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : François Costa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Claire Jean-Mistral, Pascal Nouet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitri Galayko, Mickaël Lallart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Piézoélectricité

Mots clés libres

Piézoélectricité

Adaptation fréquentielle

Modélisation multiphysique

Interfaces non-Linéaires

Gestion de la puissance

Circuit intégré

Piezoelectricity

Frequency tuning

Multiphysics modeling

Nonlinear interfaces

Power management

Integrated circuit

Résumé

La récupération d’énergie est un domaine émergent dont la visée principale est le développement de systèmes de capteurs autonomes énergétiquement, ne nécessitant pas de maintenance. La récupération de l’énergie contenue dans les vibrations ambiantes est d’un intérêt tout particulier lorsque le capteur à alimenter se trouve dans un environnement clos, confiné, où les gisements d’énergie solaire et les gradients thermiques ne sont pas suffisamment abondants. Cependant l’industrialisation et la mise sur le marché de récupérateurs d’énergie vibratoire sont freinées par la faible robustesse des récupérateurs d’énergie actuels. En effet, comment garantir l’autonomie d’un système pendant plusieurs années si le vieillissement du récupérateur d’énergie, les dérives en température de l’environnement, ou les variations de la source vibratoire peuvent écarter la fréquence de la source vibrante de la fréquence de résonance du récupérateur d’énergie, diminuant ainsi drastiquement l’énergie récupérée ? Cette thèse propose l’étude théorique et expérimentale d’approches permettant de régler électriquement la fréquence de résonance d’un récupérateur d’énergie vibratoire à transduction piézoélectrique, afin de pouvoir l’ajuster en temps réel. Après avoir expliqué le contexte dans lequel s’inscrit cette thèse, nous avons développé un modèle électromécanique du récupérateur d’énergie couplé à l’interface électrique. L’analyse de ce modèle nous a permis de rassembler l’ensemble des influences de l’interface électrique sur la dynamique du système sous la forme de deux paramètres : l’amortissement électrique et la raideur électrique. L’ajustement de ces deux paramètres a été tout d’abord analysé, puis, dans un second temps, réalisé grâce à des combinaisons de charges linéaires résistives, capacitives et inductives. La généralisation de ces influences aux interfaces électriques non-linéaires a permis l’élaboration de plusieurs stratégies innovantes d’extraction de l’énergie, permettant le réglage dynamique de la fréquence de résonance du récupérateur. La validation expérimentale de ces stratégies avec des récupérateurs d’énergie utilisant des matériaux piézoélectriques a permis de vérifier notre modèle tout en démontrant le potentiel de notre approche, notamment pour des structures présentant de forts couplages électromécaniques. La comparaison quantitative de ces stratégies a été rendue possible grâce au développement de plusieurs outils d’analyse et d’une figure de mérite prenant en compte le comportement fréquentiel du récupérateur associé à une stratégie donnée. Cette comparaison nous a permis de choisir la meilleure stratégie à implémenter dans un circuit intégré dédié. Cette intégration microélectronique constitue la dernière étape de cette thèse. Le circuit réalisé inclut un chemin de puissance, un démarrage à froid, un ensemble de capteurs auto-alimentés et un algorithme très basse consommation permettant le réglage en temps réel de la fréquence de résonance du récupérateur. Le rendement maximal atteint par notre circuit est de 94%. Outre ses performances, ce circuit est le premier à combiner auto-alimentation et réglage de la fréquence de résonance du récupérateur, tout en ne nécessitant pas de calibration préalable et en présentant une consommation inférieure au micro-watt. La comparaison de notre circuit avec des solutions de l’état de l’art (réglage magnétique, piézoélectrique ou mécanique) démontre tout le potentiel de notre approche

Energy harvesting is an emerging field whose main aim is the development of autonomous sensor nodes that do not require maintenance. Scavenging the energy contained in ambient vibrations is of particular interest when the sensor lies in a closed and confined environment, where there are few solar radiations or thermal gradients. However, a massive industrialization of vibration energy harvesters is currently hindered by their low robustness. Indeed, aging of the energy harvester, temperature drifts, or variations of the vibrating source might deviate the vibration frequency away from the energy harvester’s resonant frequency, drastically reducing the harvested energy. This thesis studies approaches allowing to electrically tune the resonant frequency of a piezoelectric vibration energy harvester, in order to monitor its dynamics in real-time. After establishing the background of this thesis, we develop an electromechanical model of the piezoelectric energy harvester coupled to the electrical interface. A normalized analysis of this model allows us to reduce all the influences of the electrical interface on the dynamics of the system to two physically meaningful variables: the electrical damping and the electrical stiffness. The adjustment of these two parameters is first analyzed, then achieved through combinations of resistive, capacitive and inductive linear loads. Extending this analysis to non-linear electrical interfaces has enabled the development of several innovative energy extraction strategies. The experimental validations of these strategies with energy harvesters made with strongly coupled piezoelectric materials are in great agreement with our model and demonstrate the value of our approach. The quantitative comparison of these strategies is made possible thanks to the development of several analysis tools and a figure of merit taking into account the frequency behavior of the harvester associated with a given electrical strategy. This comparison allows us to determine and justify which strategy to implement thanks to a dedicated integrated circuit. The microelectronic integration of this energy extraction strategy is the last step of this thesis. Our integrated circuit includes a power path, a cold-start, self-powered sensors and a low-power algorithm allowing real-time monitoring of the harvester’s resonant frequency. The maximum efficiency reached by our circuit is 94%. In addition to its performance, this circuit is the first self-powered solution that adjusts the resonant frequency of the harvester without any prior calibration and with a sub-microwatt power consumption. Finally, the favorable comparison between our approach and state-of-the-art solutions (based on magnetic, piezoelectric or mechanical frequency adjustment) confirms the potential of electrically-based frequency tuning