R´ ecolte d’´ energie

Diverses techniques de r´ecolte ´energ´etique existent et pourraient ˆetre utilis´ees dans un tampon d’ancrage. La plupart des techniques se basent sur la conversion d’´ener- gie m´ecanique en ´energie ´electrique. Les dispositifs de r´ecolte construits selon ces techniques ont une g´eom´etrie et une taille optimis´ees en fonction de l’´energie vibra- toire disponible. La section suivante pr´esente les techniques de r´ecolte ´energ´etique les plus efficaces, et les mieux adaptables aux ordres de grandeur et `a la g´eom´etrie d’un VTT.

1.3.1 Effet pi´ezo´electrique

L’effet pi´ezo´electrique demeure le ph´enom`ene le plus utilis´e en r´ecolte d’´energie vi- bratoire. Cet effet est exploit´e `a l’aide de mat´eriaux pi´ezo´electriques, des cristaux, qui ont la particularit´e de g´en´erer une diff´erence de potentiel dans une direction lorsqu’ils sont sollicit´es dans cette direction. Cette diff´erence de potentiel se perd lorsque la sollicitation est une charge statique, mais conserve son amplitude si la sollicitation est une charge dynamique oscillante. On peut r´ecolter une quantit´e

maximale d’´energie lorsque le syst`eme masse-pi´ezo´electrique vibre `a sa fr´equence naturelle. Ce type de mat´eriau a un module d’´elasticit´e tr`es ´elev´e (de l’ordre de plu- sieurs GPa), ce qui porte la fr´equence naturelle des syst`emes masse-pi´ezo´electrique `

a quelques kHz [15] lorsqu’ils sont utilis´es directement en traction-compression dans sa direction polaris´ee.

Comme les sources d’´energie vibratoire telles que les VTT produisent des sollici- tations `a d’assez basses fr´equences, le probl`eme du module d’´elasticit´e ´elev´e des cristaux pi´ezo´electriques est g´en´eralement contourn´e en modifiant la forme du dis- positif de r´ecolte ´energ´etique pour en diminuer les fr´equences naturelles. On rap- proche ainsi les fr´equences naturelles du dispositif de r´ecolte des fr´equences de sollicitation, pour obtenir une ou plusieurs r´esonances dans le dispositif.

Dans certains cas, les dispositifs de r´ecolte sont con¸cus de sorte que leur premi`ere fr´equence naturelle se rapproche de la principale fr´equence de sollicitation ; on n’ex- ploite alors qu’un seul degr´e de libert´e. C’est le cas du transducteur en forme de cymbale [16], en forme de membrane [17] ou de type poutre [18] qui ne fonctionnent que dans un axe et avec un seul mode. La puissance ´electrique r´ecolt´ee avec ces dispositifs est de l’ordre de 30 mW avec le cymbale et de 2 mW avec la membrane. La puissance r´ecolt´ee d´epend de plusieurs param`etres, tels que la constante di´elec- trique du mat´eriau pi´ezo´electrique, le volume de mat´eriau et la d´eformation du mat´eriau dans le sens de sa polarisation. Sa constante di´electrique , sa constante pi´ezo´electrique d et son module d’´elasticit´e E sont des param`etres propres au ma- t´eriau, tandis que le volume de mat´eriau d´epend de la forme du dispositif et de sa taille. La d´eformation du mat´eriau d´epend des propri´et´es ´enum´er´ees ci-haut ainsi que de l’amplitude de la sollicitation appliqu´ee et de sa fr´equence. La puissance ´

electrique Pelec pouvant ˆetre g´en´er´ee par un morceau de mat´eriau pi´ezo´electrique

d’aire A et d’´epaisseur h sous une sollicitation d´efinie par force d’amplitude F `a une fr´equence f est d´efinie selon l’´Equation 1.2 [16].

Pelec = 1 2 d2_F2_hf A0X (1.2)

ou 0 est la constante di´electrique sans contrainte et X est la constante di´electrique

sous la contrainte X.

Dans d’autres cas [19], on utilise une composante interm´ediaire (une bille, par exemple) pour cr´eer des impacts sur des cristaux pi´ezo´electriques. La composante interm´edaire est sollicit´ee pas la source vibratoire et se d´eplace en r´eponse `a cette sollicitation. Les cristaux pi´ezo´electriques sont install´es dans la trajectoire de la composante interm´ediaire de sorte qu’ils l’interceptent dans son mouvement et que cela cr´ee un impact. De cette mani`ere, les cristaux pi´ezo´electriques sont excit´es `a de plus hautes fr´equences et sont moins sujets `a ˆetre abˆım´es puisqu’ils ne sont pas ins´er´es directement entre deux composantes m´ecaniques de la source vibratoire. Par contre, le dispositif peut ˆetre beaucoup plus encombrant. La puissance ´electrique r´ecoltable estim´ee pour un tel dispositif est de l’ordre de 50 mW.

La r´ecolte d’´energie avec des mat´eriaux pi´ezo´electriques est limit´ee par le fait qu’une seule direction de d´eformation cr´ee un voltage. En d’autres termes, on ne peut utili- ser le mat´eriau que dans une seule direction de sollicitation. Il faudrait optimiser le dispositif de r´ecolte dans le v´ehicule selon une orientation pr´ecise pour qu’il conver- tisse un maximum d’´energie m´ecanique en ´energie ´electrique. Aussi, les mat´eriaux pi´ezo´electriques peuvent ˆetre sujets `a une d´epolarisation s’ils sont soumis `a de trop fortes contraintes, temp´eratures ou champs ´electriques. Finalement, ils sont fragiles. Cette difficult´e est contourn´ee en cr´eant des dispositifs tels que le cymbale, mais le risque qu’ils soient sujets `a des impacts r´ep´et´es est ´elev´e dans un v´ehicule tout terrain.

1.3.2 Autres dispositifs de r´ecolte

Outre la pi´ezo´electricit´e, on retrouve surtout des transducteurs fonctionnant par ´

electromagn´etisme ou par effet de Villari.

Un transducteur ´electromagn´etique fonctionne en faisant vibrer une masse magn´eti- s´ee `a l’int´erieur d’un sol´eno¨ıde, `a la fr´equence de r´esonnance du syst`eme m´ecanique et ´electrique comme l’illustre la figure 1.6. Comme la masse doit ˆetre libre de vibrer dans le sol´eno¨ıde, ce dispositif ne pourrait pas ˆetre install´e entre le moteur et le chˆassis. Il pourrait ˆetre pos´e sur le moteur, orient´e selon un mode et agir comme un amortisseur dynamique. La litt´erature rapporte des performances de l’ordre du milliWatt [15]. La masse risque cependant d’ˆetre excit´ee dans d’autres axes que celui du sol´eno¨ıde et causer des bris ou des pertes de performance.

Figure 1.6 – Dispositif de r´ecolte ´energ´etique bas´e sur le mouvement d’un aimant `

a l’int´erieur d’un sol´eno¨ıde

Un transducteur fonctionnant par l’effet de Villari est aussi muni d’un sol´eno¨ıde. Cependant, c’est un mat´eriau magn´etostrictif qui, sous contrainte, induit le flux ma- gn´etique dans le sol´eno¨ıde. Ce type de transducteur fonctionne sous une contrainte m´ecanique et pourrait ˆetre plac´e entre deux composantes. Une fois encore, un seul axe serait exploit´e. Les mat´eriaux magn´etostrictifs seraient cependant beaucoup

plus rigides que le caoutchouc [20], avec des modules d’´elasticit´e de l’ordre de 10 GPa, et le v´ehicule ne serait plus isol´e des vibrations du moteur.