Prototypage d’un récupérateur d’énergie

L’objectif est de concevoir un système capable de couvrir les besoins de la semelle (1 mW). La conception de ce système a été effectuée en deux temps :

1) test de faisabilité technique à l’aide du récupérateur d’énergie de la société Smart Material ; 2) conception d’un récupérateur d’énergie miniature.

6.3.1. Test du système de récupération d’énergie Smart Material

La solution complète proposée par la société Smart Material (Figure 73) est un système de récupération d’énergie composé d’un générateur MFC (M8528P2, surface active : 85*28 mm) intégré dans une semelle et d’un module de conditionnement électrique (CL-50).

130 Figure 73. Récupérateur d’énergie Smart Material [181]

Le générateur MFC produit une tension alternative lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique. Cette tension doit être convertie en une tension continue afin de stocker cette énergie dans une batterie. Pour effectuer les essais, nous avons utilisé deux condensateurs de grandes capacités faisant office d’élément de stockage en remplacement de la batterie.

Le système de récupération d’énergie de la société Smart Material peut être décomposé en 2 blocs. Le premier bloc est une électronique de conversion AC/DC composée principalement d’un redresseur double alternance et d’une diode Zener. Le deuxième bloc est un abaisseur de tension qui produit une tension de 3,3 V. La Figure 74 présente le schéma équivalent du récupérateur d’énergie Smart Material avec l’élément de stockage ajouté pour réaliser la caractérisation.

Figure 74. Schéma équivalent du système de récupération d’énergie

Le but est de mesurer la production énergétique du système en fonction de la marche réelle de l’utilisateur. Les essais ont été réalisés sur tapis de marche. La gamme de vitesse étudiée est comprise entre 0,5 m/s (marche lente) et 1,75 m/s (marche rapide). Nous utilisons un module TAG en tant que « datalogger » pour réaliser l’acquisition en sans-fil de la tension de charge des condensateurs. Afin de minimiser les pertes liées aux mesures effectuées par le système d’acquisition, l’échantillonnage est réalisé à basse fréquence (0,2 Hz). Les deux condensateurs associés permettent de stocker une énergie de 30 mJ. La puissance moyenne P produite pendant la période de marche est calculée en divisant les 30 mJ d’énergie stockée par le temps de charge du condensateur (P(W) = E(j)/T(s)).

131 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Vs( V) TIME(s) VOLTAGE 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75

Afin de vérifier que l’énergie stockée dans les condensateurs est bien de 30 mJ, on charge les condensateurs pendant 5 minutes de marche, puis on les décharge dans une résistance de 33 kΩ. On peut ainsi moyenner la puissance dissipée dans la résistance pendant toute la période de décharge des condensateurs avec la relation suivante :

𝑽= _𝒌+𝟏^𝟏 ∑𝒊=𝒌^𝑽𝒊_𝑹^²

𝒊=𝟏 Équation 22 Avec P la puissance moyenne dissipée pendant le temps de décharge des condensateurs et k le nombre d’acquisitions total sur toute la période de décharge. Pour calculer l’énergie totale dissipée dans la résistance, il faut multiplier la puissance moyenne dissipée par le temps de décharge des condensateurs (E(j) = P(w)*T(s)).

Figure 75. Tension aux bornes des condensateurs en fonction de la vitesse de marche du sujet

L’énergie accumulée dans un premier temps, puis dissipée dans une résistance est bien de 30 mJ. En fonction de la vitesse de marche, le temps de charge des condensateurs est compris entre 100 et 300 s. La puissance moyenne produite est donc comprise entre 0,1 mW (0,5 m/s) et 0,3 mW (1,75 m/s).

6.3.2. Discussion

Ces premiers résultats montrent que la production en énergie de ce système est insuffisante pour alimenter la semelle de manière continue pendant 24 h. De plus, lors des périodes d’activités et si la vitesse de marche est suffisante, la semelle peut être alimentée de manière autonome. En effet, pour des vitesses de marche rapide (1,5 et 1,75 m/s), les besoins énergétiques de la semelle, pendant la phase active, sont couverts (0,3mW). Dans le cas d’une marche lente (0,5 m/s), 1/3 des besoins sont couverts. Afin de réaliser une semelle complètement autonome en énergie, il semble nécessaire de réduire la consommation énergétique de la semelle instrumentée ou d’augmenter la production énergétique du système de récupération. Pour diminuer la consommation de la semelle, on peut abaisser la fréquence d’acquisition des capteurs mais au détriment de la précision des mesures. Pour concevoir un système de récupération qui produit plus d’énergie, une solution simple est d’utiliser un générateur MFC avec une plus grande surface active.

Ainsi dans la suite de ces essais, un générateur MFC de plus grande surface active a été testé (M8557P2, surface active : 85*57 mm). Le deuxième point traité ci-après est la réduction de l’encombrement du circuit de transfert afin de l’intégrer dans l’épaisseur d’une semelle.

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6.3.3. Conception du récupérateur d’énergie FOOT-TEST

La première étape de conception est l’intégration du générateur MFC de grande surface active dans une semelle standard plane (Figure 76).

Figure 76. Intégration du générateur MFC M8557P2 dans une semelle standard plane

La deuxième étape de conception concerne la réduction de l’encombrement du système de transfert d’énergie. Pour cela, un circuit intégré équivalent au système de transfert proposé par Smart Material a été choisi. Le circuit LTC3588-1 de chez Linear Technologie [182] associe un convertisseur AC/DC et un abaisseur de tension. L’application typique de ce composant est présentée Figure 77, elle permet de produire une tension de sortie continue et stabilisée de 3,3 V (VOUT) lorsque le condensateur en entrée CSTORAGE est suffisamment chargé par le générateur piézoélectrique (PGOOD = 1).

Figure 77. Application typique du circuit LTC3588-1

Cette configuration a été utilisée pour caractériser, en condition de marche, la production en énergie du système de récupération d’énergie composé de la semelle équipée du générateur MFC M8557P2 (Figure 76), du circuit LTC3588-1 câblé de la manière typique (Figure 77) et des condensateurs de grande capacité (30 mJ). Le système TAG a été utilisé pour réaliser l’acquisition en sans-fil. La Figure 78 présente les résultats de la production énergétique moyenne en fonction de la vitesse de marche fixée par le tapis.

133 Figure 78 Puissance moyenne générée en fonction de la vitesse de marche

A partir de 1 m/s, le récupérateur d’énergie produit une puissance moyenne supérieure au 0,3 mW nécessaire pour alimenter la semelle lors des périodes d’activité. Pour des vitesses de marche lente inférieure à 1 m/s, la production énergétique est insuffisante. Dans le cas d’une marche très lente (0,5 m/s), 2/3 des besoins énergétiques lors des périodes d’activité sont couverts. Néanmoins, vis-à-vis du scénario envis-à-visagé d’une heure d’activité par jour, il est nécessaire de produire environ 1 mW. En prenant le cas d’une personne âgée fragile marchant à une vitesse moyenne de 1 m/s, une heure par jour, 3/10 des besoins énergétiques de la semelle instrumentée sont couverts. Enfin, il faudrait concevoir un système de conditionnement électrique pour la gestion et le stockage de cette énergie ce qui engendre d’autres pertes énergétiques. Les condensateurs devraient donc être remplacés par une électronique de conditionnement électrique pour charger une batterie. Ce travail n’a pas été engagé car l’énergie produite par le récupérateur est insuffisante pour alimenter la semelle de manière complétement autonome.

Ces résultats sont tout de même encourageants avec la possibilité d’alimenter la semelle de manière autonome, lors des périodes d’activité, à partir d’une vitesse de marche de 1 m/s. Dans la suite de ces travaux de thèse, un système d’alimentation hybride composé d’une pile bouton et du récupérateur d’énergie a été mis au point. L’objectif est de vérifier qu’il est possible d’alimenter le système, lors des périodes d’activité, avec un récupérateur d’énergie miniature pouvant être intégré dans une semelle.