Extraction de l’énergie

Il existe un grand nombre de techniques d’extraction servant à optimiser l’énergie en sortie du récupérateur et ce, même lorsque cette dernière est de faible niveau. Le schéma général est illustré à la Figure 1.13. Une donnée essentielle est que le circuit d’extraction de l’énergie

modifie les grandeurs électriques en sortie du récupérateur. Il est donc nécessaire d’extraire efficacement l’énergie électrique à sa source et de la convertir en énergie utilisable. Ces deux fonctions sont souvent réalisées par le même circuit.

Figure 1.13 Schéma général de la récupération d’énergie [GUY11]

Les circuits d’extraction de l’énergie illustrés à la Figure 1.14sont tous non-linéaires et l’exemple d’application est le récupérateur piézoélectrique.

Nous présenterons dans un premier temps le circuit Standard qui consiste à connecter directement l’élément piézoélectrique et le système de stockage à travers un pont de diode. Bien que cette configuration soit simple à réaliser, [DIC 12] et al. analysent le seuil de tension des diodes pour lequel la puissance peut être récupérée et montrent que ce dernier est problématique pour les applications dont la tension est faible. Les études de [BAL 17a] et [BAL 17b] servent quant à elles à comprendre pourquoi la puissance en sortie d’un récupérateur d’énergie électromagnétique non-linéaire transférée à la charge dépend fortement de la tension en sortie du pont de diode et du type de circuit d’extraction. On peut noter également que la puissance extraite est maximale quand la charge est dite optimale. Du fait de sa simplicité de mise en œuvre, ce dispositif est universellement employé, c’est pourquoi nous le comparerons aux autres techniques non-linéaires d’extraction d’énergie.

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Figure 1.14 Principaux circuits d’extraction de l’énergie piézoélectrique [GUY11]

Les techniques non-linéaires de type SSH (Synchronized Switch Harvesting), consistent à traiter la tension de sortie en la reliant de manière très brève soit à des éléments inductifs, soit capacitifs ou bien à des sources de tension comme c’est le cas des techniques SSHI Parallèle, SSHI Série, SSHI MR et SSHI Hybride. Bien qu’utilisées dans un premier temps par les auteurs suivants [SHE 99, TAY 01, GUY 06], le développement et l’amélioration de ces techniques est le fruit du travail de l’équipe du professeur D. Guyomar de l’équipe du LGEF de Lyon. Elles permettent d’extraire environ dix fois plus d’énergie si on les compare à la technique Standard, avec une tension en sortie des SSH identique.

Chacune des techniques a fait l’objet d’une analyse complète et détaillée en Annexe 7 et a des avantages et des inconvénients. Guyomar et al. [GUY 11] confrontent leurs performances. Concrètement, les approches non-linéaires offrent une meilleure récupération de l’énergie par

31 rapport à une approche dite classique mais en utilisant moins de matériaux actifs. Chacune des techniques peut être classée en fonction de plusieurs critères comme l’énergie récupérée, le niveau de tension le plus faible pour que la technique fonctionne, l’indépendance par rapport à la charge appliquée au système et la facilité d’intégration du système. Le Tableau 13 donne une classification des différentes techniques de récupération d’énergie en fonction de leurs performances.

D’après ce tableau, la technique dite Standard se détache des autres méthodes de par sa facilité d’intégration, quoiqu’en termes de récupération d’énergie ce ne soit pas la méthode la plus efficace. Les techniques de type SECE et DSSH/ESSG sont quant à elles des techniques indépendantes de la charge. Lorsque les tensions à récupérer sont faibles, il est plus approprié d’utiliser les techniques SSHI MR et Hybride. En ce qui concerne la récupération d’énergie lorsque le couplage est faible, les techniques du Schéma actif d’Ericson et à Injection d’énergie sont celles qui sont mises en avant ainsi que les techniques DSSH/EESG. Lorsque les déplacements sont à amplitude constante, toutes les techniques sont appropriées à l’exception de la technique Standard. Néanmoins, les techniques à Schéma actif d’Ericsson et à Injection d’énergie se détachent avec de meilleures performances. De cette analyse, nous pouvons en conclure que les techniques les plus adaptées à la récupération d’énergie pour notre cas d’étude où la tension est faible sont les SSHI.

La présentation des techniques d’extraction de l’énergie a été faîte dans le cadre de la récupération d’énergie piézoélectrique. Cependant, elles sont tout à fait applicables en conservant les mêmes avantages et inconvénients dans le cadre de récupération électromagnétique. [WAN 15, WAN 16b] ont réalisé une étude comparative adaptée au récupérateur électromagnétique et piézoélectrique pour quatre circuits d’extraction différents : Standard, SECE, SSHI Parallèle et Série afin d’en déduire le rendement et la puissance moyenne à la fréquence de résonance des systèmes. Il en ressort des similitudes et une dualité avec les récupérateurs d’énergie piézoélectrique.

32 Techniques Récupération d’énergie Récupération aux faibles tensions Charge indépendante Intégration facile Déplacement à amplitude constante

Force à amplitude constante –

Couplage faible

Force à amplitude constante – Couplage fort Standard SSHI Parallèle SSHI Série (sans diode) SSHI-MR SSHI Hybride SSDCI Schéma actif Ericsson SECE DSSH/ESSG Injection d’énergie _/

33 Figure 1.15 Rendement de l’énergie récupérée pour un système à un degré de liberté piézoélectrique et électromagnétique avec une simple charge, un circuit dit standard, ou SECE,

ou Parallèle SSHI ou bien Série SSHI [WAN 16b]

Comme l’illustre la Figure 1.15, le rendement est nettement supérieur lorsque le circuit

d’extraction de type SECE est employé. Il en est de même pour la puissance récupérée moyenne (Figure 1.16). 𝛼𝑛² représente le facteur sans dimension de force et de résistance [WAN 16b].

Figure 1.16 Puissance moyenne récupérée sans dimension à la fréquence de résonance pour un système à un degré de liberté piézoélectrique et électromagnétique avec une simple charge, un

circuit dit standard, ou SECE, ou Parallèle SSHI ou bien Série SSHI [WAN 16b]

En concordance avec le Tableau 13, nous pouvons vérifier que la technique SECE est bien adaptée à la récupération lorsque les déplacements sont constants.

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