Récupérateur d'Energie pour les Systèmes TPMS : Conception, Modélisation et Validation Expérimentale

par Emine Zaouali

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Sous la direction de Emmanuel Foltete et de Najib Kacem.

Thèses en préparation à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques , en partenariat avec FEMTO-ST Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .


  • Résumé

    Les systèmes de récolte d'énergie sont devenus l'une des technologies les plus attrayantes grâce à leurs rôles de plus en plus importants dans la sauvegarde de l'énergie et de l'environnement. Une application souhaitée de ces systèmes est leur utilisation pour alimenter les systèmes de surveillance de la pression des pneus (TPMS). En effet, une grande quantité d'énergie cinétique due à la rotation des roues de voitures peut être exploitée par les récupérateurs d'énergie. Néanmoins, les forces centrifuges induites présentent un inconvénient majeur qui limite la récupération d'énergie. Dans cette thèse, un récupérateur d'énergie cinétique est conçu, modélisé et fabriqué. Différents designs de systèmes à pendules multiples, connus pour être facilement instables, sont modélisés et mis à l'essai. L'énergie récoltée est également comparée entre différentes conceptions pour les réponses stables et transitoires. Principalement, deux nouveaux défis sont traités dans le cadre de cette thèse. Premièrement, le fait que le pendule soit lié à la roue induit une excitation rotative particulièrement complexe. Deuxièmement, lorsque nous cherchons à maximiser l'énergie récoltée, notre intérêt se porte non seulement sur la réponse en régime permanent, mais également sur la réponse transitoire. Un banc d'essai est également installé pour reproduire le comportement du pendule monté sur un disque rotatif. La solution pour le comportement en régime permanent de trois conceptions de pendules, générées à une vitesse angulaire pour différentes vitesses de rotation, est testée expérimentalement. Trois régimes différents existent: oscillations autour de l'axe vertical, oscillations apériodiques et oscillations autour de l'axe radial. Le régime apériodique donne une meilleure quantité d'énergie pour chaque pendule. Ensuite, une fonction d'entrée demi-sinusoïdale est utilisée pour enregistrer l'énergie en régime transitoire générée pour différentes positions initiales du disque pour chaque pendule. Une analyse analytique est proposée pour analyser la réponse en régime permanent à des vitesses de rotation constantes, car elle représente une partie non négligeable du régime de mouvement des roues. La méthode des échelles multiples est appliquée aux équations de mouvement pour le pendule de Rott. Ainsi les conditions de résonance sont retrouvées pour maximiser l'énergie générée par le récolteur en mode permanent.

  • Titre traduit

    Kinetic Energy Harvester for Tire Pressure Monitoring Systems : Design, Modeling and Experimental Validation


  • Résumé

    Energy Harvesters (EH) became one of the most attractive technologies in science and engineering thanks to its significant role in saving energy. One famous application of this system is its use to power Tire Pressure Monitoring Systems (TPMS). Depsite there is a huge quantity of kinetic energy in rotating car's wheels, the fact that rotations of the wheel induce a high level of centrifugal forces presents a major drawback that deprive the harvesting of this type of energy. In this thesis, a kinetic energy harvester is designed, modeled and fabricated. Different designs of multi-pendulum system which are known to be easily unstable are modeled and putted under experiment. The harvested energy is also compared between different designs for the steady-state and the transient responses. Mainly, two new researches challenges are present in this case of study comparing to exicting studies. First, the fact that the pendulum is implemented into the car's wheel induce a rotative excitation which is composition of a horizontal and a vertical excitations at the same time. Second, as we look for maximizing the harvested energy, our interest is presented not only to steady-state response but also to transient response. The proof of concept on the use of pendulum-based energy harvester rotating wheels is tackled, considering a simple concentrated mass designs to analyze the motion and the possibility to harvest energy from rotating wheels with variable speeds. The equations of motion of four designs considered in transient behvior, are presented and derived. The time response of the angular position and angular velocity were calculated for different damping coefficients and initial conditions. The RMS value of the angular velocity used to estimate the harvested energy depends on the initial conditions. A test bench is also setted up to reproduce the behavior of the pendulum mounted into a rotating disk. The solution for the steady-state behavior of three pendulum designs, generated at angular velocity for different rotation speeds, is experimentally tested. Three different regimes exists: oscillations around the vertical axis, aperiodic oscillations and oscillations around the radial axis. The aperiodic regime gives better output voltage for each pendulum. Then, a half-sine input function is used to record the transient output voltage generated for different initial positions of the disk for each pendulum. An analytical analysis is proposed to analyze the steady-state response under constant rotation speeds, because it represents a non negligible part of the regime of motion of the wheels. The method of multiple scales is applied for the equations of motion governing the motion of the Rott's pendulum when small oscillations are assumed around the radial positions. For the two proposed sets of geometrical dimensions, parametric resonance of the first and second modes while two to one internal resonance is satisfied can be achieved. In both cases, the analytically derived resonance conditions, shows that large amplitude of motions can be achieved if a critical value of the rotation speed is reached. However, if the speed is further increase the amplitude is again highly reduced. In fact, the treated case is specific to the TPMS case because the rotation speed in this case is at the same time the frequency excitation force and the amplitude of the stabilizing force represented here by the centrifugal force.