Interfaces électroniques pour la récupération d'énergie vibratoire par des générateurs piézoélectriques bistables

Electronic interfaces for vibratory energy harvesting by bistable piezoelectric generators

• Auteur / Autrice : Quentin Demouron
• Direction : Adrien Badel, Adrien Morel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Pour l'Ingénieur
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Matériaux pour la Mécatronique

Mots clés

Mots clés libres

Récupération d'énergie vibratoire

Électronique analogique

Mécatronique

Dynamiques non-linéaires

Modélisation multiphysique

Capteurs autonomes communicants.

Vibratory energy harvesting

Analog electronics

Mechatronics

Nonlinear dynamics

Multiphysics modeling

Autonomous communicating sensors

Résumé

Dans le cadre d'un ambitieux projet PSPC (Projets Structurants pour la Compétitivité), impliquant 3 partenaires académiques et 4 partenaires industriels, le sujet de thèse proposé vise à développer une électronique d'extraction de stockage et de management de l'énergie électrique produite par des dispositifs non-linéaires de récupération d'énergie vibratoire. La mise en œuvre de capteurs communicants dans des applications industrielles permet d'obtenir des gains de productivité, de fiabilité et de performance énergétique. Les technologies de mesure et de communication sans fil sont disponibles tandis que l'autonomie énergétique demeure un des verrous majeurs au déploiement de réseaux de capteurs. Le contexte scientifique de cette thèse est le développement de dispositifs de récupération de l'énergie vibratoire ambiante, utilisés comme source d'énergie pour l'alimentation de capteurs autonomes communicants, en alternative aux piles électrochimiques, polluantes et couteuses à remplacer. La puissance délivrée doit être de l'ordre de quelques centaines de μW à quelques mW. Les dispositifs actuels utilisent généralement une résonance mécanique linéaire, ce qui limite la plage de fréquences des vibrations ambiantes pouvant être exploitée à quelques Hz de part et d'autre de la fréquence de résonance. Ceci est un obstacle majeur à l'utilisation de tels dispositifs dans des environnements réels, où l'énergie vibratoire ambiante est souvent répartie sur une large bande de fréquence. L'approche que nous avons adopté au laboratoire SYMME repose sur l'utilisation de structures mécaniques bistables (non-linéaires) combinées à des transducteurs piézoélectriques. Les dispositifs réalisés ces dernières années dans ce cadre, notamment en collaboration avec l'entreprise Cedrat Technologies, partenaire du projet, présentent la particularité de convertir de l'énergie sur une large bande de fréquence. Ces dispositifs nécessitent cependant le développement d'une électronique spécifique pour l'extraction, le stockage et le management de l'énergie électrique produite. Cette électronique peut aussi être utilisée afin d'ajuster la dynamique non-linéaire du récupérateur en vue d'améliorer sa bande passante. L'étude de l'influence de l'électronique sur la dynamique non-linéaire du récupérateur puis le développement de cette électronique constituent les buts du projet de thèse proposé.

As part of an ambitious PSPC project (Structuring Projects for Competitiveness), involving 3 academic partners and 4 industrial partners, the proposed thesis subject aims to develop electronics for extracting, storing and managing the electrical energy produced by non-linear vibratory energy harvesting devices. The implementation of communicating sensors in industrial applications makes it possible to obtain gains in productivity, reliability and energy performance. Wireless measurement and communication technologies are available, while energy autonomy remains one of the major obstacles to the deployment of sensor networks. The scientific context of this thesis is the development of devices for ambient vibratory energy harvesting, used as an energy source for supplying autonomous communicating sensors, as an alternative to electrochemical batteries, which are polluting and expensive to replace. The power delivered should be of the order of a few hundred μW to a few mW. Current devices generally use linear mechanical resonance, which limits the frequency range of ambient vibrations that can be exploited to a few Hz across the resonant frequency. This is a major obstacle to the use of such devices in real environments, where ambient vibratory energy is often distributed over a wide frequency band. The approach we have adopted at the SYMME laboratory is based on the use of bistable (non-linear) mechanical structures combined with piezoelectric transducers. The devices carried out in recent years in this context, in particular in collaboration with Cedrat Technologies, a project partner, have the particularity of converting energy over a wide frequency band. However, these devices require the development of specific electronics for the extraction, storage and management of the electrical energy produced. This electronics can also be used to adjust the non-linear dynamics of the harvester to improve its bandwidth. The study of the influence of electronics on the non-linear dynamics of the harvester and the development of this electronics constitute the goals of the proposed thesis project.