Unified nonlinear electrical interfaces for hybrid piezoelectric-electromagnetic small-scale harvesting systems
Institution:
LyonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
In this research work, electronic nonlinear interfaces for hybrid energy harvesting systems combining piezoelectric and electromagnetic transducers are presented. Such systems have received great attention due to their ability to detect mechanical vibrations and convert them into electrical energy sufficient to power low-power sensors. In order to supply these microelectronic devices the generated sinusoidal signal needs to be rectified into a constant DC voltage. In other words, once the energy is converted, a proper and smart extraction of such energy needs to be implemented with a dedicated unit. The proposed nonlinear hybrid interfaces developed in this work, aimed at incorporating as much as electroactive parts as possible in the circuit, not only increase the final output power of the involved transducers but also provide a solution for obtaining a common optimal load value, despite dealing with elements singularly presenting different working principles and values of optimal load, without the use of additional load adaptation stages. A first solution is derived from the previously developed SSHI (Synchronized Switch Harvesting on Inductor) and based on the Synchronized Switching technique. This method aims at replacing the passive inductor in the SSHI interface with an active electromagnetic system, leading to an all-active microgenerators interface and increasing the final output power. A second solution is derived from a combination of the SECE (Synchronous Electric Charge Extraction) and SMFE (Synchronous Magnetic Flux Extraction) techniques. Its main principle consists of transferring the energy from the piezoelectric to the electromagnetic transducer and then extracting the boosted energy from the electromagnetic system. The strategy of including as much as electroactive parts within the same electrical interface open many different possibilities of interfacing more than one electroactive system, constituting hybrid energy harvesters, without including extra circuit stages, thus maintaining a relative simplicity without high power losses.
Abstract FR:
Ce travail de recherche présente des interfaces électroniques non-linéaires pour des systèmes hybrides de récupération d'énergie combinant des transducteurs piézoélectriques et électromagnétiques. Ces systèmes ont reçu un grand intérêt en raison de leur capacité à convertir les vibrations mécaniques en énergie électrique suffisante pour alimenter des capteurs à faible puissance. Afin d'alimenter ces appareils microélectroniques, une fois l'énergie convertie, une extraction efficace et intelligente doit être mise en place avec une unité dédiée. Les interfaces hybrides non-linéaires proposées dans ce travail, visant à inclure autant de parties électroactives que possible dans le même circuit, permettent une augmentation de la puissance de sortie finale des microgénérateurs concernés, ainsi qu'une solution pour obtenir une valeur commune de charge optimale, même si chacun des éléments traités présentent des principes de fonctionnement et des valeurs de charge optimale différents. Une première solution est dérivée du SSHI (Synchronized Switch Harvesting on Inductor) et se base sur la technique de commutation synchronisée. Cette méthode vise à remplacer l'inductance passive dans l'interface SSHI par un système électromagnétique actif, conduisant à une interface de microgénérateurs entièrement actifs et augmentant la puissance de sortie finale. Une deuxième solution est issue de la combinaison des techniques SECE (Synchronous Electric Charge Extraction) et SMFE (Synchronous Magnetic Flux Extraction), respectivement développées pour les systèmes piézoélectriques et électromagnétiques. Son principe de base consiste à transférer l'énergie de l’élément piézoélectrique vers le transducteur électromagnétique, et ensuite à extraire l'énergie du système électromagnétique, préalablement amplifiée par le transfert de charges issues du dispositif piézoélectrique. La stratégie consistant à inclure autant de parties électroactives que possible dans la même interface électrique ouvre de nouvelles possibilités de combiner plusieurs systèmes électroactifs, constituant des récupérateurs d'énergie hybride, sans inclure des étages supplémentaires dans les circuits, ce qui permet de maintenir une relative simplicité sans perte de puissance significative.