FR2853160A1 - Conversion d'energie mecanique en energie electrique a grande efficacite a partir d'elements piezoelectriques associes a un dipole a commutation synchronisee - Google Patents
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Abstract
Conversion d'énergie mécanique en énergie électrique à grande efficacité à partir d'éléments piézoélectriques associés à un dipôle à commutation synchronisée.L'invention consiste à disposer un dipôle électrique (2), constitué d'un commutateur (2-a) et d'un circuit passif (2-b), en parallèle avec un insert piézoélectrique (1) et une charge électrique (3). Par une commande adéquate du commutateur, le dipôle permet d'augmenter l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique fixé sur une structure soumise à des vibrations mécaniques, lequel dipôle réalise un traitement non-linéaire particulier de la tension électrique présente aux bornes de l'insert piézoélectrique.Le dispositif micro-générateur ainsi obtenu peut, par exemple, être utilisé pour alimenter un circuit électronique de surveillance, de diagnostic, d'identification à distance, de télécommande, etc....
Description
La présente invention a pour objet l'utilisation d'un dipôle électrique,
incluant un
commutateur et des éléments électriques passifs, connecté en parallèle avec un insert piézoélectrique dans un dispositif générateur d'énergie électrique à partir d'énergie mécanique, lequel dipôle permet d'augmenter l'efficacité dudit générateur d'énergie électrique.
Le secteur technique de l'invention est celui des micro-générateurs d'énergie électrique, permettant, par exemple, de rendre autonomes des systèmes divers tels que: télécommande, capteur, dispositif d'identification à distance, applications thérapeutiques telle que la délivrance d'un médicament ou la surveillance d'un malade, le contrôle 10 d'amortissement structurel de type actif ou semi-passif, etc. On connaît des dispositifs générateurs d'énergie_ électrique utilisant des matériaux piézoélectriques comme éléments de conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique.
La puissance électrique délivrée dépend essentiellement des caractéristiques de la sollicitation mécanique (qui sont, par exemple, l'amplitude et de la fréquence d'une vibration mécanique 15 périodique), de la nature et de la géométrie de l'insert piézoélectrique, et de l'impédance de la charge électrique alimentée par un tel générateur. Dans ces dispositifs, la charge électrique est exclusivement directement connectée à l'insert piézoélectrique et peut inclure un convertisseur statique d'énergie électrique, par exemple un pont redresseur ou un pont redresseur suivi d'un régulateur. Ce type de dispositif fait en particulier référence à l'article 20 intitulé " Adaptative Piezoelectric Energy Harvesting Circuit For Wireless Remote Power Supply ", Geffrey K. Ottman et al., paru dans la revue IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No. 5, September 2002, pp. 669-676.
La figure 1, à laquelle il est fait référence ci-après, représente la disposition des éléments constitutifs du dispositif de l'invention.
Dans la présente invention, la tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1). est soumise à un traitement non-linéaire destiné à accroître l'énergie extraite de la structure mécanique sur laquelle est disposé ledit insert piézoélectrique. Le traitement non-linéaire est réalisé au moyen d'un dipôle (2), connecté en parallèle avec l'insert piézoélectrique (1) et avec la charge (3). L'utilisation du dipôle (2) permet d'augmenter considérablement la 30 puissance et l'énergie délivrées par le générateur pour une quantité de matériau piézoélectrique donnée, correspondant à un coefficient de couplage électromécanique global donné, et ce sur une charge électrique (3) donnée. Ce dipôle (2) permet en particulier de diminuer le volume de matériau piézoélectrique pour une même puissance électrique fournie.
Le dipôle (2) connecté en parallèle avec l'insert piézoélectrique (1) et la charge (3) est constitué d'un circuit composé d'un commutateur électrique (2-a) en série avec un circuit passif (2-b).
Le circuit passif (2-b) pouvant être typiquement un court-circuit ou une selfinductance, un condensateur, un transformateur ou éventuellement une combinaison plus complexe de composants passifs résistifs, inductifs et capacitifs.
Le commutateur électrique (2-a) est soit à fermeture commandée et à ouverture spontanée, soit à fermeture et ouverture commandées. Sa caractéristique électrique est bidirectionnelle en tension et en courant. Il peut être réalisé par association de composants à semi-conducteurs tels que des thyristors, des triacs, des transistors bipolaires, des transistors 10 MOS, des transistors à effet de champ, des transistors IGBT, des transistors unijonction et des diodes. Il peut comporter une seule électrode de commande, ou bien plusieurs électrodes que l'on peut commander simultanément ou indépendamment.
L'effet du dipôle (2) est, lorsque le commutateur (2-a) est commandé de manière adéquate, d'augmenter artificiellement l'amplitude de la tension délivrée par l'insert 15 piézoélectrique (1) pour une sollicitation mécanique donnée.
La commande adéquate consiste à fermer le commutateur (2-a) pendant une durée inférieure au temps caractéristique des variations de la sollicitation mécanique, de manière synchrone avec cette dernière. Par exemple, dans le cas d'une vibration mécanique sinusoïdale, la commande adéquate consiste à fermer le commutateur (2-a) chaque fois que la 20 tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1) atteint un extremum. La durée de conduction du commutateur (2-a) ainsi que les éléments passifs constituant le dipôle (2-b) permettent de contrôler la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique. Par exemple, on peut annuler la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique (1) en les court-circuitant ou en les déchargeant à travers une résistance, ou encore inverser la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique 25 (1) au moyen d'un circuit oscillant comportant une self-inductance.
Les stratégies de commande du commutateur (2-a) sont compatibles avec celles qui sont adoptées dans les dispositifs d'amortissement de vibration de type semi-passif décrits dans la demande de brevet français N'0110368 du 02/08/2001, ce qui résulte dans la possibilité de cumuler les fonctions d'amortissement de vibration et de récupération 30 d'énergie.
La synchronisation des instants de fermeture du commutateur (2-a) avec la sollicitation mécanique peut être obtenue en utilisant un capteur auxiliaire ou bien en exploitant directement la tension délivrée par de l'insert piézoélectrique (1), ce qui permet dans ce cas de simplifier Lrandement le disuositif tout en rationalisant sa consommation.
Le circuit de commande du commutateur, incluant notamment un dispositif de détection des instants de fermeture du commutateur (2-a) peut être alimenté par une partie de l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique (1).
Suivant la forme sous laquelle l'énergie électrique est utilisée au sein de la charge (3), 5 celle-ci peut inclure un redresseur, un régulateur électronique, ainsi qu'un dispositif de stockage constitué de condensateurs ou d'accumulateurs.
Le régulateur électronique peut avoir pour fonction d'ajuster la tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1), d'en ajuster le courant ou de maximiser la puissance fournie.
L'insert piézoélectrique (1) peut comporter un ou plusieurs éléments distincts reliés 10 électriquement en série, en parallèle ou par composition de ces deux types de liaison.
La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel le commutateur (2-a) est constitué de deux transistors MOS-FET. L'électrode de Source du transistors MOS-FET canal N est reliée à l'électrode de Source du transistor MOS-FET canal P, les deux électrodes de drain constituant les bornes du commutateur. Les grilles des deux 15 transistors sont reliées de manière à n'avoir qu'une seule électrode de commande (G) dont la référence de potentiel électrique est l'électrode commune des sources (S). Le circuit passif (2b) est une self-inductance.
La figure 3 représente, dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2, les chronogrammes du déplacement mécanique S de l'insert piézoélectrique soumis à une 20 vibration mécanique périodique sinusoïdale, de la tension U aux bornes de l'insert piézoélectrique, du courant I dans l'inductance (2-b) et de la tension UGS de commande du commutateur (2-a).
Le dispositif micro-générateur ainsi obtenu peut, par exemple, être utilisé pour alimenter un circuit électronique de surveillance, de diagnostic, d'identification à distance, de 25 télécommande, etc....
Claims (12)
1) Dispositif permettant de convertir de l'énergie mécanique d'une structure soumise à une vibration mécanique, périodique ou non, sous forme d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un insert constitué de matériaux piézoélectriques, dans le but d'alimenter une charge électrique, caractérisé en ce que la tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1) 5 est soumise à un traitement non-linéaire destiné à accroître l'énergie extraite de la structure mécanique, réalisé au moyen d'un dipôle électrique (2) constitué d'un commutateur électrique (2-a) en série avec un circuit passif (2-b), ledit dipôle (2) étant connecté en parallèle avec l'insert piézoélectrique (1) et la charge (3) au moyen de conducteurs électriques (4).
2) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le commutateur 10 électrique (2-a) est fermé pendant une durée inférieure au temps caractéristique des vibrations mécaniques et de manière synchrone avec lesdites vibrations, par exemple à chaque fois que la tension aux bornes de l'insert piézoélectrique (1) atteint un extremum.
3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée de fermeture du commutateur (2-a) permet de contrôler la variation de la tension 15 aux bornes de l'insert piézoélectrique (1), par exemple pour assurer l'annulation ou l'inversion de cette tension.
4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit passif (2-b) est un agencement incluant l'un ou plusieurs des éléments électriques suivants court-circuit, résistance, self-inductance, transformateur, condensateur. 20
5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le commutateur (2-a) est un composant à semiconducteurs ou un agencement de plusieurs composants à semiconducteurs, tels que des transistors bipolaires, des transistor à effet de champ, des transistors MOS, des transistors IGBT, des thyristors, des triacs et des diodes.
6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 que les instants de fermeture du commutateur (2-a) sont déterminés soit à partir d'un capteur, soit directement à partir de la tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1).
7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de commande du commutateur (2-a) est alimenté par une partie de l'énergie électrique fournie par l'insert piézoélectrique (1).
8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dipôle (2) permet d'assurer simultanément l'amortissement des vibration mécaniques de la structure sur laquelle est fixé l'insert piézoélectrique (1) et la fonction d'optimisation de l'énergie électrique récupérée.
9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge électrique (3) inclut un dispositif de conversion statique d'énergie électrique, par exemple un redresseur ou un redresseur associé à un hacheur.
10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 5 que le dispositif de conversion statique d'énergie électrique inclut dans la charge (3) est régulé de manière à maximiser l'énergie électrique fournie par l'insert piézoélectrique (1).
11) Dispositif selon l'une quelconquie des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge (3) comprend un ou plusieurs éléments de stockage de l'énergie électrique, tels que des condensateurs ou des accumulateurs.
12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert piézoélectrique (1) comporte un ou plusieurs éléments distincts reliés électriquement en série, en parallèle ou par composition de ces deux types de liaison.
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