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RÉSUMÉ
Récupérer efficacement l’énergie de vibrations mécaniques à l’aide de transducteurs piézoélectriques nécessite la mise en œuvre de circuits d’interface adaptés, associés à des techniques de contrôle spécifiques. Cet article montre l’influence de circuits d’extraction d’énergie élémentaires ou avancés sur la puissance récupérée et la bande passante. Plusieurs familles de circuits d’interface et différentes méthodes de commande sont proposées, permettant, selon les caractéristiques électromécaniques du transducteur, de maximiser la puissance électrique générée ou même d’adapter sa fréquence de résonance pour exploiter les vibrations ambiantes de manière optimale.
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Harvesting efficiently energy from mechanical vibrations requires the use of suitable electrical interfaces behind piezoelectric transducers along with specific control laws. This article devises the effect of elementary or advanced energy extraction circuits on the harvested power or bandwidth. Several kinds of such electrical interfaces and associated control laws are detailed, allowin, the maximization of the generated electrical power or even the adaptation of its resonance frequency according to the electromechanical characteristics of the transducer in order to exploit ambient vibrations in an optimal way.
Auteur(s)
-
Mickaël LALLART : Professeur des Universités - Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité, - Institut National des Sciences Appliquées de Lyon, - Villeurbanne, France
-
Elie LEFEUVRE : Professeur des Universités - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, Université Paris-Saclay et CNRS, Palaiseau, France
INTRODUCTION
La récupération d’énergie mécanique ambiante à petite échelle (puissance mise en jeu de l’ordre de quelques dizaines de microwatts à quelques milliwatts) présente un intérêt croissant dans des domaines d’application très variés : industrie, transports (biens, personnes, énergie), domaine médical, grand public, etc. Cet intérêt est lié au développement d’une grande variété de dispositifs électroniques autonomes, qui sont pour la plupart alimentés par des piles ou des batteries rechargeables. L’énergie mécanique est présente dans la plupart des environnements, sous différentes formes et avec différentes caractéristiques. Capter et convertir cette énergie mécanique ambiante en électricité peut permettre d’augmenter la durée de vie des piles, d’espacer la recharge des batteries, voire même de se passer de stockage d’énergie dans certains cas.
Plusieurs technologies de conversion d’énergie mécanique en électricité peuvent être considérées pour ce type d’applications. Les plus classiques reposent sur les principes de transduction magnétodynamique, piézoélectrique et électrostatique. Cet article s’intéresse spécifiquement à la transduction piézoélectrique, qui présente de nombreux avantages pour la récupération d’énergie des vibrations mécaniques ambiantes à petite échelle : simplicité de mise en œuvre, compacité, densité d’énergie élevée, rendement élevé dans une large gamme de fréquence. Le développement de systèmes de récupération d’énergie compacts et efficaces utilisant des transducteurs piézoélectriques nécessite toutefois des circuits d’interface adaptés. Du point de vue électrique, un transducteur piézoélectrique ne se comporte pas comme un générateur de tension ou de courant idéal, mais comme un générateur avec une impédance interne dont le module et la phase varient assez fortement. En outre, l’amplitude des grandeurs électriques générées par effet piézoélectrique dépend des vibrations ambiantes et peut également varier dans de larges proportions. Pour toutes ces raisons, l’extraction optimale de l’énergie électrique générée par transduction piézoélectrique nécessite des circuits d’interface adaptés et des principes de commande spécifiques, qui sont exposés dans cet article.
Malgré un rendement de conversion élevé, le couplage électromécanique d’un dispositif piézoélectrique de récupération d’énergie peut s’avérer relativement faible suivant les matériaux utilisés et la structure mécanique mise en œuvre. Dans ce cas, des circuits d’interface spécifiques sont proposés pour augmenter très significativement le niveau de la puissance électrique récupérée. Du point de vue énergétique, l’effet de ces circuits est assimilable soit à une amélioration des propriétés de transduction électromécanique du dispositif piézoélectrique, soit à une meilleure maîtrise des échanges d’énergie (dont la partie réactive). Dans le cas de résonateurs piézoélectriques à fort couplage électromécanique, certains de ces circuits d’interface permettent d’optimiser la puissance tout en offrant la possibilité de modifier la fréquence de résonance des systèmes de récupération d’énergie. Ce degré de liberté supplémentaire offre ainsi une meilleure adaptabilité aux variations de fréquence et d’amplitude des vibrations mécaniques ambiantes.
Les méthodes d’extraction d’énergie présentées dans cet article soulignent le rôle fondamental du circuit d’interface sur le fonctionnement global du système de récupération d’énergie. Elles visent à éclairer les choix concernant les circuits d’interface, de manière à aider au développement de systèmes de récupération d’énergie performants. Cet article contribue ainsi à relever les défis techniques, économiques et environnementaux rencontrés dans le développement des dispositifs électroniques autonomes.
Le lecteur trouvera en fin d'article un glossaire et un tableau des symboles et des sigles utilisés.
KEYWORDS
piezoelectricity | energy harvesting | electrical interfaces | converters
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Préambule
Le circuit d’interface d’un système piézoélectrique de récupération d’énergie mécanique vise notamment à maximiser la puissance moyenne récupérée, c’est-à-dire l’énergie récupérée par cycle ou sur un ensemble de cycles. Pour atteindre cet objectif, la connaissance du comportement électromécanique du transducteur est essentielle. Parmi différentes approches, les modèles comportementaux dits « à constantes localisées », basés sur le principe de transduction piézoélectrique, et les équations d’équilibre mécanique et électrique sont connus pour leur commodité d’utilisation . Ils permettent en particulier d’effectuer une description comportementale exacte des dispositifs de récupération d’énergie résonants, suivant l’hypothèse de linéarité, et dans les limites de la gamme de fréquence incluant le mode de vibration considéré .
1.1 Modèle électromécanique linéaire à constantes localisées
Le modèle à constantes localisées présenté ici s’applique communément à tout dispositif composé d’un résonateur mécanique associé à un transducteur piézoélectrique. Il permet par exemple de décrire assez fidèlement le comportement d’un dispositif de récupération d’énergie composé d’une poutre encastrée-libre sur laquelle est collée une céramique...
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Préambule
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LEFEUVRE (E.), SEBALD (G.), GUYOMAR (D.), LALLART (M.), RICHARD (C.) - Materials, structures and power interfaces for efficient piezoelectric energy harvesting. - J. Electroceram., vol. 22, p. 171-179 (2009).
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(2) - TILMANS (H.A.C.) - Equivalent circuit representation of electromechanical transducers : I. Lumped-parameter systems. - J. Micromech. Microeng., vol. 6, n° 1, p. 157-176 (1996).
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(3) - ERTURK (A.), HOFFMANN (J.), INMAN (D.J.) - A piezomagnetoelastic structure for broadband vibration energy harvesting. - Appl. Phys. Lett., vol. 94, p. 254102 (2009).
-
(4) - HUGUET (T.), BADEL (A.), DRUET (O.), LALLART (M.) - Drastic bandwidth enhancement of bistable energy harvesters : Study of subharmonic behaviors and their stability robustness. - Applied Energy, vol. 226, p. 607-617 (2018).
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(5) - WANG (Y.C.), HUANG (T.W.), SHU (Y.C.), LIN (S.C.), WU (W.J.) - Nonlinear Modeling of MEMS Piezoelectric Energy Harvesters. SPIE 23th International Symposium on Smart Structures and Material Systems. - Las...
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