Conversion électromagnétique

Dans le cadre de cette problématique, nos efforts s’orientent vers la récupération d’énergie issue des vibrations mécaniques avec la conversion des déplacements présents entre la roue et le corps du véhicule. Plusieurs travaux de recherche [HAR 13, BEE 05, KHA 10] contribuent déjà au développement de la récupération d’énergie issue des vibrations mécaniques, et ont pour vocation de remplacer complètement les éléments de stockage d’énergie comme les batteries. Ils sont basés sur des effets soit piézoélectrique [WAN 12, BER 12] (sollicitation mécanique), soit électromagnétique [ERT 10] (effet inductif), soit électrostatique [KIM 11,

LOP 13] (différence de potentiel entre les électrodes) ou hybrides [DON 08, MIN 12]. La

sélection du dispositif dépend principalement des caractéristiques du mouvement à l’entrée, mais aussi des conditions aux limites. Le lecteur est invité à se référer à [HAR 11] qui dans son papier présente un bref historique des techniques de récupération d’énergie et de management de la puissance et de chargement des batteries ainsi qu’une revue de la littérature de 1826 à 2011. À titre d’exemple, les récupérateurs linéaires peuvent rallonger la durée de vie d’un ou de plusieurs implants [MOR 11, MOR 12], générer de la puissance à l’aide du

mouvement du corps humain [SAH 08], entrer dans la composition d’un générateur inertiel [RAH 11, MAN 10a], et d’un alternateur pour haut-parleur [SAH 12] ou encore récolter l’énergie de faibles vibrations [FOI 12, HAT 09].

Notre choix se tourne vers deux types de conversion : la conversion électromagnétique bien adaptée au cas des grands déplacements et la conversion piézoélectrique plus utilisée pour les micro-déplacements. La conversion électrostatique a quant à elle été d’emblée écartée car elle ne permet pas une alimentation autonome lors de la mise en route du véhicule.

1.3.1. Conversion électromagnétique

Le fonctionnement d’un récupérateur électromagnétique est basé sur la force électromotrice induite (loi de Faraday [SPR 12]) dans une bobine par le mouvement d’un aimant dans un champ magnétique (Figure 1.6). Ce mouvement va générer une différence de potentiel et par conséquence l’établissement d’un courant dans la bobine. L’énergie est d’abord récupérée par un circuit de stockage, puis convertie et stockée. Les nombreuses applications et les niveaux de puissance obtenus de l’ordre du milliwatt au watt (Annexe 4) montrent l’intérêt de cette technique.

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Figure 1.6 Schéma de principe de la récupération électromagnétique

Ces récupérateurs d’énergie peuvent être classés selon trois critères. Le premier critère sert à les regrouper en fonction de leur taille et donc de leur encombrement, le deuxième par rapport à leur complexité de mise en œuvre et le troisième en fonction de leurs fréquences de fonctionnement.

Concernant le premier critère, on peut donc distinguer les récupérateurs de type macroscopique (macro) qui sont des dispositifs de grande taille, tandis que les récupérateurs de type microscopique (micro) sont eux de taille réduite, et sont également appelés MEMS (Microelectromechanical Systems).

Techniques ^{Récupération} _d’énergie Encombrement _amplitude ^Grande Mise en œuvre

Macro [ZHU 12, WEI 17a]

Micro

[SAR 11, LIU 13a, LI 17, ROU 13]

Tableau 1. Avantages et Inconvénients des récupérateurs électromagnétiques de type macro et micro

Les plus et les moins intégrés dans les Tableaux de ce document donnent une indication quant au fait que la technique sélectionnée est appropriée ou non lors de son emploi dans certaines configurations. Cette classification simplifie la lecture et l’interprétation de celui-ci.

Après l’analyse du Tableau 1, il découle que l’avantage principal des dispositifs macros est de convertir facilement les mouvements dont l’amplitude avoisine quelques centimètres. En revanche, ils sont peu adaptés aux faibles déplacements, car la taille des aimants et des bobines existants sur le marché limite leur emploi comme l’ont montré [ZHU 12] et

[WEI 17a]. Inversement, les récupérateurs d’énergie électromagnétiques de type micro

17 embarqués dont l’espace est fortement restreint [SAR 11, LIU 13a, LI 17, ROU 13]. Un état de l’art complet est donné par [RAI 15] sur le sujet.

Le second critère conduit à séparer les récupérateurs en deux familles, ceux dits « classiques » c’est-à-dire purement électromagnétiques d’une part, de ceux « hybrides » d’autre part, qui sont composés d’éléments annexes comme des aimants, des vis sans fin ou bien des engrenages, etc. Les systèmes classiques sont uniquement constitués d’une ou plusieurs bobines ainsi que d’un ou plusieurs aimants. Leurs mouvements sont soit libres [CHA 16,

WAN 17a, KEC 17] mais contraints par un tube, soit guidés par une vis sans fin [ARR 11]

ou bien par un piston [ZHU 12, HAR 15] (Annexe 4). Il est aussi possible d’extraire de l’énergie issue de vibrations en faisant appel à des systèmes électromagnétiques intermédiaires de type hybride comme illustré en Annexe 4. Ceux-ci sont composés d’engrenages en amont du convertisseur électromagnétique [DIN 15, ZHA 16b, ZHA 17c]. À cette catégorie, on peut rajouter les systèmes constitués d’une ou plusieurs poutres comme le montre [KUM 16] en Annexe 4.

Techniques Récupération d’énergie aux grands déplacements Récupération d’énergie aux faibles déplacements

Encombrement _amplitude ^{Grande Mise en} _œuvre

Classique [CHA 16, WAN 17a,

KEC 17, ARR 11, ZHU 12, HAR 15]

Hybride [DIN 15, ZHA 16b, ZHA 17c, KUM 16]

Tableau 2. Avantages et Inconvénients des récupérateurs électromagnétiques de type classique et hybride

L’étude du Tableau 2, montre que les dispositifs classiques en termes de performances sont bien adaptés aux grands déplacements, ce qui les rend plus performants pour la récupération d’énergie. En ce qui concerne les systèmes hybrides, l’espace disponible pour leur installation est plus critique car ils sont très encombrants. De surcroît, l’ajout de systèmes mécaniques additionnels au récupérateur d’énergie entraîne des pertes supplémentaires par frottement et donc diminue leur rendement. Notons toutefois que le choix de cette complexité offre l’avantage de récupérer de l’énergie pour des faibles déplacements.

Le troisième critère permet de distinguer les récupérateurs en fonction de leur fréquence de fonctionnement. À titre d’exemple, on peut citer les travaux de [PRA 14], [OOI 14], [HAR 15], [ASH 13] et [SID 17] sur des convertisseurs électromagnétiques fonctionnant respectivement à 35Hz, 21.5Hz, 10Hz et 6.25Hz.

18 Bande passante Récupération d’énergie aux grands déplacements Récupération d’énergie aux faibles déplacements

Encombrement _amplitude ^Grande Mise en œuvre

35Hz [PRA 14] 21.5Hz [OOI 14] 10Hz [HAR 15] 6.25Hz [ASH 13]

Tableau 3. Avantages et Inconvénients des récupérateurs électromagnétiques en fonction de leurs bandes passantes

Comme indiqué dans le Tableau 3, malgré la possibilité de récupérer de l’énergie à de faibles fréquences avec ces dispositifs, ils restent difficiles à intégrer en raison de leur structure complexe et de leur encombrement, peu adaptés aux grands déplacements.

Figure 1.7 Performances des récupérateurs d’énergies électromagnétiques de type macro/micro et classique/hybride

La Figure 1.7 résume les performances des récupérateurs d’énergie électromagnétique de type macro/micro et classique/hybride. Sur cette figure, on remarque que les macro-systèmes qui récupèrent une puissance allant du milliwatt jusqu’au watt sont plus performants comparés aux microsystèmes dont les puissances sont plus faibles : entre le microwatt et le milliwatt.