Réalisation d’un circuit de gestion d’énergie pour un générateur d’électricité à partir d’énergie vibratoire

Début : 2ème semestre 2016-2017

Durée : 6 mois

Encadrant : Dimitri Galayko

Contact : dimitri.galayko@lip6.fr

Lieu : Laboratoire LIP6 (Univ. Paris-VI, Paris) et ESIEE Paris (Noisy Le Grand)

Gratification : suivant les directives de l'UPMC (gratification)

Contexte.

Dans un réseau de capteurs sans fil, les capteurs sont souvent appelés à fonctionner longtemps sans intervention humaine, de façon la plus autonome possible vis à vis de l’alimentation électrique. Les capteurs à très basse consommation et qui peuvent recharger de manière autonome leur source d’énergie électrique sont particulièrement intéressants dans ce cadre. Nous nous intéressons ici à une recharge du capteur en énergie électrique par transformation d’énergie mécanique en énergie électrique. Le composant qui permet cette conversion est un condensateur dont la valeur de la capacité varie avec les vibrations (Fig. 1). Le LIP6 travaille en collaboration avec une équipe de l’ESIEE Paris animée par Philippe Basset, qui conçoit des dispositifs MEMS pour la récupération d’énergie, dont un exemple récent est donné Fig. 2 [1].

Fig.1. Exemple de convertisseur d’énergie mécanique/électrique

Fig. 2. Exemple de la partie mécanique du système de la figure 1, réalisé à l’ESIEE en 2015 [1].

Le dispositif de la Fig. 2 traduit les vibrations externes en une variation de la capacité du transducteur. Pour ensuite convertir la variation de la capacité du transducteur en électricité, on utilise une pompe de charge inspirée du doubleur de Bennet [2] (Fig. 3a). Il s’agit d’un circuit qui affiche une augmentation exponentielle de la tension de polarisation (celle mesurée sur les capacités fixes C1 et C2), et ainsi, permet de maximiser le couplage électromécanique. Pour assurer un fonctionnement optimal, il est nécessaire d’utiliser un circuit de gestion de puissance dont une structure possible est donnée Fig. 3b [3].


Fig. 3a) Circuit de conditionnement à base de doubleur d’électricité de Bennet [2]	Fig. 3b) architecture du circuit de gestion de puissance dans un récupérateur d’énergie [3].

Problème abordé par le sujet de stage.

Nous souhaitons concevoir un circuit de gestion de puissance pour le circuit de conditionnement de Bennet connecté au transducteur de l’ESIEE. Actuellement, un projet de conception de circuit intégré est en cours, ce qui permettra d’obtenir des performances optimales. Cependant, nous souhaitons d’abord réaliser un prototype à base des composants discrets.

Le stagiaire devra prendre en charge la réalisation de ce circuit de gestion de puissance, en utilisant les composants du commerce. La contrainte principale est la consommation énergétique de l’interface, qui ne doit pas excéder quelques microwatts.

Programme du travail.

Après une prise en main du sujet, le stagiaire devra proposer un plan de réalisation de l’architecture qui sera décidée avec l’équipe encadrante. Ensuite, il devra choisir les composants pour cette architecture. Cette étape devra prendre 2 mois au maximum. Ensuite, il devra commander les composants et réaliser une carte (qui peut être à base de la carte de prototypage, vrillé, etc., selon les types des composants utilisés.). Les tests se feront à l’ESIEE sur le dispositif fabriqué en 2015 [1].

Equipe encadrante.

Ce travail sera encadré par Dimitri Galayko (LIP6, UPMC), en collaboration avec Philippe Basset (ESIEE Paris). Il se déroulera principalement au LIP6, avec des déplacements fréquents à l’ESIEE, surtout à la dernière étape du projet.

Compétences requises :

Electronique analogique, électronique pratique, compétences générales en EEA.

Bibliographie :

[1]. Lu Y, O’Riordan E, Cottone F, Boisseau S, Galayko D, Blokhina E, Marty F, Basset P. A batch-fabricated electret-biased wideband MEMS vibration energy harvester with frequency-up conversion behavior powering a UHF wireless sensor node. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2016 Sep 29;26(12):124004.

[2]. Galayko D, Dudka A, Karami A, O'Riordan E, Blokhina E, Feely O, Basset P. Capacitive Energy Conversion With Circuits Implementing a Rectangular Charge-Voltage Cycle—Part 1: Analysis of the Electrical Domain. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers. 2015 Nov;62(11):2652-63.

[3]. Electrostatic Kinetic Energy Harvesting, Philippe Basset, Elena Blokhina, Dimitri Galayko, ISBN: 978-1-84821-716-4, 244 pages, March 2016, Wiley-ISTE