Récupération d'énergie vibratoire pour puce autonome sur conteneur

Vibration energy harvesting for autonomous chip on shipping container

• Auteur / Autrice : Cyril Drezet
• Direction : Noureddine Bouhaddi, Emmanuel Foltête, Najib Kacem
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance le 02/03/2018
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Noureddine Bouhaddi, Emmanuel Foltête, Najib Kacem, Skandar Basrour, Evelyne Aubry-Barottin, Simon Chesne, Zlad Jabbour
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Evelyne Aubry-Barottin, Simon Chesne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Économies d'énergie

Réseaux de capteurs (technologie)

Vibrations

Mots clés libres

Vibration

Energie

Récupération

Vibration

Energy

Harvesting

Résumé

La société TRAXENS propose une solution innovante permettant le suivi de l'état d'un conteneur (position, température, chocs, etc.). Ce service est basé sur un capteur sans fil appelé TRAXENS-BOX dont la durée de vie doit être étendue avec un volume de batterie limité. La présence d'une quantité d'énergie vibratoire non négligeable dans l'environnement du conteneur multimodal oriente donc vers la récupération d'énergie vibratoire. L'objectif principal de ce travail de thèse est donc d'identifier une solution permettant de récupérer l'énergie vibratoire dans le contexte particulier du conteneur caractérisé notamment par des vibrations verticales, aléatoires et très basses fréquences.On commence donc par introduire un modèle complet de récupérateur d'énergie vibratoire électromagnétique basé sur un oscillateur à un degré de liberté avant d'étudier son comportement lorsqu'il est soumis à des excitations harmoniques puis aléatoires ; on peut alors en déduire des règles de dimensionnement permettant la conception d'un récupérateur d'énergie vibratoire linéaire hautes performances. Le modèle est ensuite utilisé pour prouver l'intérêt de l'introduction d'une non-linéarité de Duffing dans la raideur du récupérateur, notamment sous les vibrations du transport routier. La partie théorique se termine alors par une comparaison mettant en opposition plusieurs configurations de récupérateur dans le cadre de l'application TRAXENS-BOX ; la solution retenue est l'utilisation d'une raideur non-linéaire HSLD (High Static Low Dynamic).On propose ensuite la conception optimisée puis la fabrication d'un démonstrateur linéaire hautes performances qui nous permet de valider les règles de dimensionnement énoncés dans la partie théorique. Enfin, le démonstrateur est modifié de manière à obtenir un comportement HSLD et prouver la faisabilité de ce concept.

TRAXENS company proposes an innovative solution to enable the monitoring of shipping containers (position, temperature, shocks, etc.). This service is based on a wireless sensor called TRAXENS-BOX whose lifetime must be extended by maintaining a small energy storage volume. In the environment of a shipping container, the presence a non-negligible amount of vibration makes energy harvesting a viable solution. The main objective of this work is to identify the means to scavenge vibration energy in the singular context of shipping container characterized by very low frequency, random and vertical vibration.First, a general electromagnetic vibration energy harvester model based on a single degree of freedom oscillator is introduced before analyzing its behavior when submitted to harmonic and random excitations ; rules to design high performances linear vibration energy harvester are then deduced. Henceforth, the model is used to prove the interest of introducing a Duffing nonlinearity in the harvester stiffness, especially under road induced vibration. The theoretical part ends with performance comparison between several harvester configurations within TRAXENS-BOX context ; the chosen solution is the use of a HSLD (High Static Low Dynamic) stiffness.Then, the design and fabrication of a linear high performances prototype is conducted to validate design rules drawn from the theoretical part. Finally, a HSLD stiffness is added to the prototype to prove the feasibility of this technique.