Systèmes électroniques d'adaptation en fréquence pour la récupération d'énergie vibratoire large bande

Adaptative frequency tuning electronic systems for broadband vibration energy harvesting

• Auteur / Autrice : Nicolas Decroix
• Direction : Adrien Badel, Pierre Gasnier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique
• Jury : Président / Présidente : Betty Semail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrien Badel, Dimitri Galayko, Dejan Vasic, Elie Lefeuvre, Bruno Allard, Pierre Gasnier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dimitri Galayko, Dejan Vasic

Mots clés

Mots clés libres

Récupération d'énergie vibratoire

Circuit de gestion d'énergie

Algorithmes de suivi du point de puissance maximal

Piézoélectricité

Microcontrôleur

Adaptation d'impédence

Vibration energy harvesting

Power management circuit

Maximum power pont tracking algorithms

Piezoelectricity

Microcontroller

Résumé

La récupération d’énergie est une thématique dont le but est l’alimentation de nœuds de capteurs sans fil communicants en remplaçant la source d’énergie électrique (pile, câbles) par l’exploitation de l’énergie ambiante. La récupération d’énergie vibratoire notamment, permet d’exploiter l’énergie mécanique d’un environnement et de la convertir en électricité afin d’alimenter un capteur sans fil. La thèse portera sur l’exploitation de matériaux piézoélectriques sur des structures résonantes pour convertir l’énergie vibratoire en électricité. L’exploitation de résonateurs mécaniques permet d’amplifier les vibrations ambiantes, mais la puissance récupérée chute fortement lorsque le spectre des vibrations d'entrée ne coïncide plus avec la fréquence de résonance du récupérateur. Pour l’adoption de ce type de système par l’industrie, un des verrous majeurs est donc cette sélectivité fréquentielle. Le CEA (Laboratoire LAIC) et l’Université Savoie Mont-Blanc (Laboratoire SYMME) ont récemment proposé des techniques performantes pour lever ce verrou en exploitant des récupérateurs pouvant être accordés dynamiquement par un système électronique. En effet, couplé à une électronique intelligente, un récupérateur dit « fortement couplé » voit son comportement mécanique modifié (sa fréquence de résonance notamment), permettant de suivre l’évolution de la fréquence d’entrée. L’objectif de la thèse est de proposer, dimensionner, simuler, réaliser et tester des architectures électroniques innovantes (sur la base de composants discrets et/ou microcontrôleurs) permettant de réaliser l’ajustement (ou « tuning ») automatique et la recherche du point de puissance maximal de récupérateurs d’énergie vibratoire piézoélectriques. Un soin particulier sera apporté à la faible consommation et l’encombrement du circuit proposé puisque le but, à terme, est de réaliser un circuit autonome en énergie consommant une partie négligeable de l’énergie électrique récupérée. Un démonstrateur complet (récupérateur, micro-convertisseur et circuit d’ajustement) est ciblé pour la fin de la thèse.

The aim of energy harvesting is to power wireless sensor nodes by replacing the electrical energy source (battery, cables) with ambient energy. Vibration energy harvesting in particular makes it possible to harness the mechanical energy of an environment and convert it into electricity to power a wireless sensor. The thesis will focus on the use of piezoelectric materials on resonant structures to convert vibration energy into electricity. Mechanical resonators can be used to amplify ambient vibrations, but the harvested power drops sharply when the input vibration spectrum no longer coincides with the resonant frequency of the harvester. One of the major obstacles to the adoption of this type of system by the industry is therefore this frequency selectivity. The CEA (LAIC Laboratory) and the University of Savoie Mont-Blanc (SYMME Laboratory) have recently proposed effective techniques to overcome this barrier by using harvesters that can be dynamically tuned by an electronic system. Coupled with intelligent electronics, a ''strongly coupled'' harvester sees its mechanical behaviour modified (its resonance frequency in particular), making it possible to monitor changes in the input frequency. The aim of the thesis is to propose, design, simulate, produce and test innovative electronic architectures (based on discrete components and/or microcontrollers) for the automatic adjustment (or ‘tuning’) and search for the maximum power point of piezoelectric vibratory energy recuperators. Particular attention will be paid to the low power consumption and small size of the proposed circuit, since the ultimate aim is to produce an energy-independent circuit consuming a negligible proportion of the electrical harvested energy. A complete demonstrator (harvester, micro-converter and adjustment circuit) is targeted for the end of the thesis.