DS0603 - Véhicules propres et sûrs

TECHNOLOGIES DE RECUPERATION D’ENERGIE LARGE BANDE POUR LES MICRO SYSTEMES ELECTRO-MECANIQUES – BESTMEMS

Une approche globale et unifiée pour l’optimisation des dispositifs IoT auto-alimentés

BESTMEMS propose une approche globale pour la conception de systèmes auto-alimentés à partir des vibrations ambiantes, incluant les aspects matériaux, mécaniques, électriques et de gestion de l’énergie pour le développement de capteurs énergétiquement autonomes. Dans une optique de démonstration, deux applications seront développées en collaboration avec des partenaires industriels, consistant en un capteur de pression pneumatique auto-alimenté et le suivi structural de roulements intelligents.

Remplacer les piles conventionnelles et combattre l’approche fragmentée dans les systèmes de récupération d’énergie et les dispositifs auto-alimentés

Le développement des capteurs sans fil a soulevé le problème de leur alimentation. Alors que les piles chimiques sont les plus utilisées, elles présentent de sérieuses limitations dans des environnements confinés et/ou sous des conditions sévères. Par d’exemple, les systèmes de contrôle de pression des pneumatiques (TPMS) présentent, du fait de la décharge de leur pile, des durées de vie typiquement inférieures à quatre ans, bien en-deçà de la durée de vie du pneu. De même, la maintenance prédictive (roulements par exemple) nécessite des systèmes de contrôle fiables et durables, ne pouvant donc pas utiliser de telles batteries conventionnelles. <br />Utiliser l’énergie ambiante, par exemple des vibrations, dans le cadre de la « Récupération d’Energie », est une solution prometteuse face à ce défi, mais la thématique a cependant souffert de la fragmentation des efforts. BESTMEMS, englobant tous les champs scientifiques concernés ainsi que leurs interfaces, a ainsi permis de disposer d’une vision et d’approches globales pour la conception de dispositifs complets et optimisés, permettant ainsi de franchir une étape importante pour l’obtention de systèmes auto-alimentés globaux et réalistes.

BESTMEMS propose une association unique de compétences, allant de l’élaboration du matériau (NTU) et la conception structurale (LTDS, LGEF) aux interfaces électriques (LGEF) et leur intégration (NTHU, NTU), avec des expertises aux interfaces entre ces domaines (LGEF, NTU, LTDS). Résolument orienté vers l’application, BESTMEMS profite de l’expertise de partenaires industriels (SKF, SIMTRANS) fortement impliqués dans la conception du dispositif.
BESTMEMS est ainsi un véritable projet multiphysique et transdisciplinaire, apportant des avancées multi-échelles, de considérations locales à globales. Ainsi, le projet inclut l’élaboration de micro-transducteurs optimisés pour convertir efficacement l’énergie vibratoire en électricité, de structures innovantes pour la récupération d’énergie en rotation, d’interfaces électriques optimisés exploitant au mieux les structures électromécaniques pour fournir une quantité d’énergie électrique suffisante, et d’architectures performantes de capteurs très basse consommation. La combinaison efficace de ces avancés, co-conçues pour obtenir un système global optimal, permet ainsi de disposer de systèmes fonctionnant dans des applications réelles.

La transdisciplinarité de BESTMEMS a permis d’avancer dans chaque discipline mais aussi à leurs interfaces.
Un procédé d’élaboration de micro-transducteurs a permis des performances 5 fois plus importantes que la littérature tout en intégrant les contraintes applicatives. De nouvelles voies de récupération d’énergie sur des systèmes en rotation ont été dévoilées. Des interfaces électriques contrôlant l’énergie disponible et extraite ont permis un gain en puissance d’un facteur 6.
Le projet a fortement consolidé le partenariat franco-taïwanais (nouveaux projets, d’accords, de postes invités...).

A l'heure de développement actuelle, BESTMEMS ouvre des portes en termes de micro-dispositifs électromécanique pour la récupération d'énergie, notamment par l'élaboration de micro-tranducteurs fortement couplés ainsi que d'interfaces électroniques intégrées efficaces et adaptées à la récupération d'énergie.

L'aspect mécanique n'est pas en reste, et des structures originales tirant partie de spécificités des applications-cibles (systèmes rotatifs) sont en cours de développement.

Enfin, les enseignements en termes d'interfaçage global de chaque étage, au fur et à mesure de la progression du projet, montrent des fonctionnement optimaux d'un point de vue global.

D'un point de vue collaboratif, le projet permettra également d'asseoir la collaboration Franco-Taïwanaise sur les microsystèmes couplés, mais aussi le tissu collaboratif local.

9 publications dans des Revues internationales à Comité de Lecture :
1. M. Lallart, W.-J. Wu et al., “Inductorless Synchronized Switch Harvesting using a Piezoelectric Oscillator”, IEEE Trans. Power Electronics, (in press).
2. Y. C. Shu, W. C. Wang and Y. P. Chang, ‘’Electrically Rectified Piezoelectric Energy Harvesting Induced by Rotary Magnetic Plucking’’, Smart Mater. Struct., Vol. 27, 125006., 2019.
3. L. Yan, M. Lallart and A. Karami, Low-Cost Orbit Jump in Nonlinear Energy Harvesters through Energy-Efficient Stiffness Modulation, Sens. Act. A: Phys., Vol. 285, pp. 676-684, 2019.
4. T.-Y. Hsu, C.-L. Kuo et al., “The effects of annealing and wake-up cycling on the ferroelectricity of zirconium hafnium oxide ultrathin films prepared by remote plasma atomic layer deposition”, Smart Mater. Struct., Vol. 28(8), 2019.
5. C. K. Thein, F. M. Foong and Y. C. Shu, “Spring Amplification and Dynamic Friction Modelling of a 2DOF/2SDOF System in an Electromagnetic Vibration Energy Harvester – Experiment, Simulation, and Analytical Analysis”, J. Mech. Syst. Sig. Proc., Vol. 132, pp. 232-252, 2019.
6. M. Lallart, S. Zhou et al., “Tailoring multistable vibrational energy harvesters for enhanced performance: theory and numerical investigation”, Nonlinear Dynamics, Vol. 96(2), pp. 1283-1301, 2019.
7. C. K. Thein, F. M. Foong and Y. C. Shu, ‘’Damping Ratio and Power Output Prediction of an Electromagnetic Energy Harvester Designed through Finite Element Analysis”, Sens. Act. A.: Phys., Vol. 286, pp. 220-231, 2019.
8. P. H. Wu, Y. J. Chen et al., “Wideband Energy Harvesting Based on Mixed Connection of Piezoelectric Oscillators”, Smart Mater. Struct., Vol. 26(9), 094005, 2017.
9. M. Lallart, W.-J. Wu et al., “Synchronous Inversion and Charge Extraction (SICE): a Hybrid Switching Interface for Efficient Vibrational Energy Harvesting”, Smart Mater. Struct., Vol. 26(11), 115012, 2017.

19 communications dans des conférences (dont 18 internationales et 3 présentations invitées).

Assurer la sécurité des biens et des personnes dans les transports est un enjeu primordial. Afin d’assurer une telle fonction, l’implémentation de capteurs embarqués a connu ces dernières années une formidable explosion. Néanmoins, l’alimentation d’une grande partie de ces capteurs est une problématique sérieuse, du fait de l’impossibilité d’amener l’alimentation, à cause de pièces tournantes par exemple. La solution typique repose alors sur l’utilisation de piles, mais ces dernières présentent des contraintes de maintenance coûteuse, notamment du fait de leur auto-décharge, qui présente également un risque de sécurité ; l’appareil sans alimentation ne pouvant alors plus remplir sa fonction.
Récemment, le concept de « récupération d’énergie », consistant en la conversion d’une énergie directement disponible sous forme électrique, est devenu une alternative viable. En particulier, de nombreuses études se sont penchées sur la récupération d’énergie à partir de vibrations, disponibles dans de nombreux environnements (trafic routier, machines…). Cependant, les enjeux en termes d’intégration à des dimensions comparables au système à alimenter ainsi que l’assurance d’une récupération d’énergie efficace sous des conditions réelles restent des questions ouvertes. En plus du développement de technologies de pointe, répondre à cette problématique nécessite une réelle expertise dans les domaines multidisciplinaires mis en jeu dans le développement de tels récupérateurs, allant de l’aspect matériau au génie électrique en passant par la mécanique. De plus, une connaissance approfondie des interfaces entre chacun de ces domaines et des couplages multiphysiques associés est tout aussi essentielle.
BESTMEMS se propose ainsi d’adopter une telle approche consistant à concevoir le système comme un tout plutôt que comme une association de blocs à optimiser de manière indépendante, ce qui conduirait à un système global sub-optimal. La démonstration de cette possibilité se fera dans le cadre applicatif des transports, avec la conception d’un capteur de pression auto-alimenté et de roulements intelligents. Le projet englobe des partenaires avec une expertise internationalement reconnue en matériaux, mécanique, couplages électromécaniques et électronique, ainsi que deux partenaires industriels (un pour chaque pays) qui aidera au développement d’un système réaliste. Ceci permettra donc le développement de générateurs et systèmes auto-alimentés optimisés et efficaces, avec un focus particulier sur les points suivants :
1. Développement d’un transducteur MEMS (Micro-ElectroMechanical System) pour la conversion mécanoélectrique
2. Optimisation globale du couplage électromécanique entre le transducteur, le substrat et l’interface électronique
3. Optimisation globale de l’interface électrique pour l’extraction d’énergie ; en particulier, un étage de traitement non-linéaire dédié pour l’augmentation des capacités de récupération sera développé dans le cas de structures MEMS
4. Optimisation du dispositif en accord avec les applications ciblées. ; dans ce cas, l’exploitation de non-linéarités mécaniques et électriques (ainsi que le couplage entre elles) pour une récupération large bande est un point-clé
5. Optimisation de la stratégie de gestion d’énergie et intégration d’un module de gestion
6. Développement de capteurs auto-alimentés pour les transports (capteur de pression et roulement intelligent)

Nom du projet : BESTMEMS (Broadband Energy Scavenging Technologies for Micro Electro-Mechanical Systems / Technologies de Récupération d’Energie Large Bande pour les Micro Systèmes Electro-Mécaniques)
Partenaires : LGEF INSA (France), NTU (Taïwan), LTDS ECL (France), NTHU (Taïwan), SIMTRANS (Taïwan), SKF (France)
Budget (ANR) : 313 000 € (533 180 € total)
Mot-clés : récupération d’énergie, systèmes auto-alimentés, couplages multiphysiques, MEMS, gestion d’énergie et capteurs, non-linéarités, mécanique non-linéaire
Début: Novembre 2015
Fin : Novembre 2018

Coordinateur du projet

Monsieur Mickaël Lallart (Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SIMTRANS SIMTRANS Technology Inc.
SKF SKF-Aerospace
NTHU National Tsing Hua University
LTDS Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes
INSA LYON Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité
NTU National Taiwan University

Aide de l'ANR 313 000 euros
Début et durée du projet scientifique : février 2016 - 36 Mois

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