INTerfaces élecTRIques pour la récupération d’énergie méCAnique par TriboElectricité – INTRICATE

La récupération d’énergie mécanique à petite échelle est une technique prometteuse pour l’auto-alimentation de systèmes électroniques de petite taille, par conversion d’une partie de l’énergie cinétique ambiante en énergie électrique. Parmi les différents types de récupérateurs d’énergie mécanique, les récupérateurs d’énergie mécanique à base de transducteurs triboélectriques, ou REM-t, sont relativement simples à fabriquer. Ils sont en principe compatibles avec des excitations mécaniques de basses fréquences, ou irrégulières. Leur emprunte environnementale est de plus relativement faible, comparé à d’autres technologies. Les tailles des dispositifs sont de l'ordre du centimètre cube, et les puissances visées vont du micro-watt, au milliwatt pour les plus grands des dispositifs.

Dans l’état de l’art, la recherche des dix dernières années sur les REM-t a été principalement concentrée sur l’optimisation des matériaux et des géométries des transducteurs triboélectriques. Le bloc d’interface électrique des REM-t, d’importance égale à celle du transducteur, ont été l’objet de relativement peu de recherches. En conséquence, les limites pratiques sur l’énergie convertie qu’il est possible de délivrer à une charge utile restent mal définies. De plus, aucune procédure systématique de conception optimale des interfaces électriques des REM-t n’a été proposée, alors même que ces dernières sont un facteur déterminant des performances du système.

Ces performances dépendent également de la nature des excitations mécaniques de chaque contexte d’application. En particulier, la conception des interfaces électriques des REM-t doivent tenir compte des forces d’entrées irrégulières auxquelles est soumis le transducteur triboélectrique. Ces excitations irrégulières sont présentes dans la plupart des applications visées pour la REM-t (par exemple, les mouvements du corps humain).

Dans ce projet, nous nous proposons de bâtir une méthodologie pour la conception systématisée et optimale des interfaces électriques pour les REM-t. Les applications visées sont particulièrement celles présentant des forces d’entrée irrégulières. Les interfaces électriques proposées seront basées sur une classe spécifique de circuits conditionnement électrique, appelés pompes de charge. Nous commencerons par bâtir une théorie de ces circuits de conditionnement. Nous utiliserons ensuite cette théorie afin de guider le choix optimal du circuit de conditionnement pour le REM-t. Les interfaces électriques proposées seront basées sur le contrôle de l’état électrique du circuit de conditionnement retenu, afin de rester proche d’un point de polarisation maximisant la puissance convertie. Ce contrôle sera lui-même basé sur un modèle statistique des excitations d’entrée pour l’application visée, ainsi que sur les propriétés du transducteur triboélectrique, et sur les demandes énergétiques de la charge utile à alimenter. Notre méthodologie de conception systématique sera illustrée par la fabrication d’un prototype complet de REM-t visant un contexte d’application complet et réaliste.

Par le même effort, notre projet permettra de clarifier les limites physiques atteignables par les REM-t dans tout contexte applicatif donné, en tenant compte de l’interface électrique, des propriétés statistiques