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Récupération d’énergie biomécanique et Systèmes autonomes

URSI – L’Homme connecté

25/03/2014

Sébastien Boisseau

CEA-LETI

Sebastien Boisseau – CEA/LETI Récupération d’énergie biomécanique et Systèmes autonomes – 25/03/14 | 2

Récupération d’énergie et besoins énergétiques


Récupération d’énergie

Convertir l’énergie ambiante en électricité

Lumière, Vibrations, Gradients thermiques, biochimie

Récupération d’énergie ≠ Production d’énergie

Pour alimenter/prolonger la durée de fonctionnement de dispositifs nomades

Capteurs, Smartphones, Implants médicaux

© syssen © decathlon

EH→100µW/cm³


Besoins énergétiques

Besoins: du capteur autonome au Smartphone

Capteur et mode de fonctionnement intermittent

10µW 100µW 1mW 10mW 100mW 1W

pacemaker (8µW)

pompe à médicament

(400µW)

implant auditif (1-2mW)

neurostimulateur (50µW)

lecteur MP3 (50-70mW)

Smartphones (0,5-1W)

Montre (1-5µW)

accéléromètre – capteur de T°

(30µW)

LED (1-10mW)

Réception RF (30-50mW)

récepteur GPS (70mW)

Emission RF (40-90mW)

Microcontrôleur actif

(1mW)

µC standby (1-3µW)

Capteur

Emetteur

µC

Conversion d’énergie

Capteur

Energie disponible

Buffer

Sensors

µC Radio

Energy Sensors

µC Radio

Energie Capteurs

µC Radio

µEH~10-100µW

Energy Sensors

µC Radio

P

Temps

Off

On

Stand by / sleep

Transmission : pic de puissance

50mW

≈ 1 mW

50-500µJ ≈ 5 µW


Récupération d’énergie biomécanique

L’Homme consomme 11MJ d’énergie par jour 127 Watts en moyenne – 100W en dormant – 1630W en courant

Une partie utilisée sous forme mécanique: pour se déplacer, respirer, faire circuler le sang…

Récupération d’énergie biomécanique Récupérer une petite partie de cette énergie: qq µW – qq 10mW

© Starner & Paradiso © Decathlon © Nike

© GoSport

- Vêtements - Chaussures - Articulations


Convertisseurs électromécaniques

3 convertisseurs électromécaniques de base

2 grandes familles de récupérateur d’énergie Conversion directe: utilisation directe du convertisseur

Système inertiel : utilisation d’un système masse ressort ou d’une masse excentrée pour récupérer les vibrations ou les oscillations

piézoélectrique

électrode

électrode

R

contrainte/déformation

i

électretR

idéplacement

électrode

électrode

R

ibobine

S Naimant

déplacement

(a) (b) (c)

k

Fmec

0

a(t)=Asin(ωt) électricité

x(t) masse mobile

(m)

Felec

oscillations

Masse excentrée


Systèmes de récupération d’énergie biomécanique


Systèmes externes

Systèmes inertiels Conversion électromagnétique majoritairement Montres autonomes Récupération du mouvement du poignet (Seiko-1988) Masse excentrée couplée à un convertisseur

électromagnétique 5µW en moyenne / 1mW en mouvement forcé Suffisamment pour alimenter la montre

Lampes autonomes Générateur simple bobine aimant Puissances de plusieurs 10mW Alimentation de LED

Sac à dos récupérateur d’énergie Récupération de l’énergie en marchant Récupération du mouvement d’une masse mobile sur

ressort 7W récupérés lors de la marche Suffisamment pour recharger un Smartphone

© Seiko

© Excalibur Products

© Rome et al.

© A. Kuo


Conversion directe De nombreux dispositifs à conversion directe. Certains sont déjà commercialisés.

Interrupteurs autonomes

EnOcean, Lightning Switch…

50µJ-100µJ par appuie

Assez pour envoyer l’info à distance

Systèmes externes

© N. Shenck et J. Paradiso © N. Shenck

© R. Pelrine et al. © InstepNanopower

© Lightning Switch

© EnOcean

Récupération d’énergie dans la chaussure

Conversion piézoélectrique, électromagnétique, électrostatique étudiées

Jusqu’à 0,7W récupérés

Pratiquement : 1- 10mW facilement récupérables

© InstepNanopower


Systèmes externes

Conversion directe Récupération d’énergie au niveau du genou

Bionic Power – J. Donelan

Générateur électromagnétique - 10W récupérés

Applications militaires

Récupération d’énergie de la respiration

Sangle PVDF pour récupérer les mouvements de la cage thoracique

2,3mW récupérés

Sangle de sac à dos récupérateur d’énergie

Sangle PVDF

46mW récupérés

Textile récupérateur d’énergie

Structure électrostatique

3µW/cm² à 2Hz

© H. Abdi et al.

© J. Granstrom et al.

© T. Vu-Cong et al.

© J. Donelan

© BionicPower


Systèmes internes

Systèmes inertiels Récupération des mouvements/vibrations induits par le cœur

Puissances visées : 10-20µW pour alimenter des pacemakers

Théoriquement qq 10µW/g de masse mobile

0

10

20

30

40

50

60

0 20 40 60 80

Pu

issa

nce

s d

e so

rtie

(µ

W/g

)

Fréquence (Hz)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 20 40 60 80

Acc

eler

atio

n (

ms-2

)

Fréquence (Hz)

Récupération d’énergie vibratoire

mouvement relatif

silicium

verre

masseressortelectret

vibrations

mobile mass silicon wafer

electrostatic converter

© CEA-LETI+SORIN

Structure électrostatique - Qq cm³ - 10µW visés - Compatible IRM - CEA-LETI+SORIN

© A. Zurbuchen et al.

Structure à rotor excentré - Même principe que la

montre - 16,7µW sur une

chèvre - A. Zurbuchen et al.

© The University of Michigan

College of Engineering

Structure piézoélectrique - Structure cantilever - 10µW visés - A. Karami et al.


Systèmes internes

Conversion directe Pas de dispositif commercialisé

Nombre croissant de dispositifs de récupération d’énergie dans les articles scientifiques – essentiellement piézoélectriques

© C. Dagdeviren

Patch piezo souple - récupération des

déformations du cœur, du diaphragme et des poumons

- Membrane PZT - 0,18µW/cm² - C. Dagdeviren et al.

©S. Platt et al.

Céramiques piézoélectriques - placées dans une prothèse de

genou - Céramiques PZT - 4,8mW - S. Platt et al.

©M. Deterre et al.

Structure à soufflet - Récupération de la

variation de pression dans le cœur

- Soufflet + PZT - 4,15µW/cm³ - M. Deterre et al.


Gestion et utilisation de l’énergie biomécanique


Gestion de l’énergie

Energie du récupérateur non utilisable telle quelle Alternative, trop forte tension ou trop faible tension

-> Besoin d’un circuit de gestion de l’énergie

Objectifs Maximiser l’extraction d’énergie du récupérateur (passif vs actif) Ex: décharge au max (SECE)

Maximiser le rendement de conversion entre le récupérateur et le buffer

Fournir une tension de 3V à l’application

ApplicationEnergie

AmbianteBufferRécupérateur Convertisseur

Circuit de Gestion de l’Energie


Exemple d’un circuit de gestion de l’énergie

Circuit de gestion fonctionnant sans pile dès 10µW (LETI) Adapté aux récupérateurs piézoélectriques et électrostatiques

Réalisé en discret et en ASIC

Consommation : <3µW Quelques cm³ Rendements : >50% Fonctionne dès 10µW de puissance récupérée Alimente un capteur autonome dès que suffisamment d’énergie a été stockée + communication RF

1900 µ

m

KP

Chemin optimisé

Chemin non-optimisé

LP

KS

LS

vp

CsKD

CbWSN

Start-up

Commande du Flyback

Commande WSN

VDD

VDD

VDD

VDD

UCs

UCb

UCs+

UCs-

0

Mesure capteur autonome

UCb+

UCb-

Temps [s]


Récupération d’énergie et objets connectés

Quelques exemples de dispositifs dans lesquels la récupération d’énergie pourrait être utilisée


Conclusions


Conclusions

Récupération d’énergie Dispositifs internes et externes

Puissances de sortie : 1µW-10µW (interne) – qq µW-qq 10mW (externes)

Assez pour de nombreuses applications

Circuit de gestion de l’énergie Possibilité de concevoir des circuits sans pile autodémarrant

Fonctionnement dès 10µW de puissance récupérée

Qq cm³

Contraintes à ne pas négliger (rendements)

→ Un des futurs piliers de l’Internet des Objets (IoT) Autonomie Energétique des objets, vêtements, capteurs,…de l’Homme connecté

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