FR2854006A1

FR2854006A1 - ELECTRICAL ENERGY GENERATOR FROM PIEZOELECTRIC ELEMENTS SUBJECT TO MECHANICAL VIBRATION, INCLUDING A STATIC CONVERTER FOR OPTIMIZING THE ENERGY PRODUCED

Info

Publication number: FR2854006A1
Application number: FR0304886A
Authority: FR
Inventors: Elie Lefeuvre; Adrien Badel; Claude Richard; Daniel Guyomar
Original assignee: Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Current assignee: Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
Priority date: 2003-04-18
Filing date: 2003-04-18
Publication date: 2004-10-22
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: FR2854006B1

Abstract

Générateur d'énergie électrique à partir d'éléments piézoélectriques soumis à une vibration mécanique, comprenant un convertisseur statique d'optimisation de l'énergie produite.L'invention consiste à contrôler d'une manière particulière un dispositif comprenant un insert piézoélectrique (1) relié électriquement à l'entrée d'un quadripôle de stockage électromagnétique (3) par l'intermédiaire d'un dispositif redresseur (2) et d'un premier commutateur électrique (5). Une commande adéquate dudit premier commutateur électrique (5) permet d'extraire de manière optimale l'énergie électrique dudit insert piézoélectrique et de la transférer dans ledit quadripôle de stockage électromagnétique (3). Cette énergie électrique est transférée du quadripôle de stockage électromagnétique (3) à la charge (4) au moyen d'un deuxième commutateur électrique (6) reliant la sortie dudit quadripôle de stockage électromagnétique à ladite charge.Le dispositif micro-générateur ainsi obtenu peut, par exemple, être utilisé pour alimenter un circuit électronique de surveillance, de diagnostic, d'identification à distance, de télécommande, etc....Generator of electrical energy from piezoelectric elements subjected to mechanical vibration, comprising a static converter for optimizing the energy produced.The invention consists in controlling in a particular way a device comprising a piezoelectric insert (1) electrically connected to the input of an electromagnetic storage quadrupole (3) via a rectifier device (2) and a first electrical switch (5). Adequate control of said first electrical switch (5) makes it possible to optimally extract the electrical energy from said piezoelectric insert and to transfer it into said electromagnetic storage quadrupole (3). This electrical energy is transferred from the electromagnetic storage quadrupole (3) to the load (4) by means of a second electrical switch (6) connecting the output of said electromagnetic storage quadrupole to said load. The micro-generator device thus obtained can , for example, be used to power an electronic circuit for monitoring, diagnosis, remote identification, remote control, etc.

Description

La présente invention a pour objet le principe de commande d'unThe subject of the present invention is the principle of controlling a

convertisseurconverter

statique d'énergie électrique assurant le transfert d'énergie entre un insert piézoélectrique et une charge électrique de manière à optimiser l'énergie électrique délivrée par ledit insert piézoélectrique, indépendamment de la différence de potentiel présente aux bornes de la charge électrique. static electric energy ensuring the transfer of energy between a piezoelectric insert and an electric charge so as to optimize the electric energy delivered by said piezoelectric insert, regardless of the potential difference present at the terminals of the electric charge.

Le secteur technique de l'invention est celui des générateurs d'énergie électrique, permettant, par exemple, de rendre autonomes des systèmes divers tels que: télécommande, capteur, dispositif d'identification à distance, applications thérapeutiques telle que la délivrance d'un médicament ou la surveillance d'un malade, le contrôle d'amortissement 10 structurel de type actif ou semi-passif, etc. On connaît des dispositifs générateurs d'énergie électrique utilisant des matériaux piézoélectriques comme éléments de conversion de l'énergie mécanique en énergie électrique. The technical sector of the invention is that of electrical energy generators, making it possible, for example, to make various systems autonomous such as: remote control, sensor, remote identification device, therapeutic applications such as the delivery of a medication or patient monitoring, structural damping control of active or semi-passive type, etc. There are known electrical energy generating devices using piezoelectric materials as elements for converting mechanical energy into electrical energy.

La puissance et l'énergie électrique délivrées dépendent essentiellement des caractéristiques de la sollicitation mécanique (qui sont, par exemple, l'amplitude et la fréquence d'une 15 vibration mécanique périodique), de la nature et de la géométrie des éléments constituant l'insert piézoélectrique, et de l'impédance de la charge électrique alimentée par ledit générateur. Dans ces dispositifs, la charge électrique est parfois connectée à l'insert piézoélectrique par l'intermédiaire d'un pont redresseur suivi d'un condensateur de filtrage et d'un convertisseur statique d'énergie électrique. Le convertisseur statique peut par exemple 20 être un hacheur abaisseur de tension, un hacheur élévateur de tension ou un hacheur élévateurabaisseur de tension. Ce convertisseur statique peut être utilisé en tant que régulateur de tension au niveau de la charge ou bien en tant qu'adaptateur d'impédance pour d'optimiser l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique. Ce type de dispositif fait en particulier référence à l'article intitulé " Adaptative Piezoelectric Energy Harvesting Circuit 25 For Wireless Remote Power Supply ", Geffrey K. Ottman et al., paru dans la revue IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No. 5, September 2002, pp. 669-676. Il est remarquable que dans ces dispositifs connus, la commande des commutateurs desdits convertisseurs statiques est réalisée de manière totalement asynchrone avec les vibrations de la structure mécanique fournissant l'énergie. The power and the electrical energy delivered depend essentially on the characteristics of the mechanical stress (which are, for example, the amplitude and the frequency of a periodic mechanical vibration), on the nature and the geometry of the elements constituting the piezoelectric insert, and the impedance of the electric charge supplied by said generator. In these devices, the electrical charge is sometimes connected to the piezoelectric insert via a rectifier bridge followed by a filtering capacitor and a static converter of electrical energy. The static converter can for example be a step-down chopper, a step-up chopper or a step-up chopper. This static converter can be used as a voltage regulator at the load level or as an impedance adapter to optimize the electrical energy delivered by the piezoelectric insert. This type of device makes particular reference to the article entitled "Adaptive Piezoelectric Energy Harvesting Circuit 25 For Wireless Remote Power Supply", Geffrey K. Ottman et al., Published in the journal IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 17, No. 5, September 2002, pp. 669-676. It is remarkable that in these known devices, the control of the switches of said static converters is carried out in a totally asynchronous manner with the vibrations of the mechanical structure supplying the energy.

La présente invention se distingue des dispositifs classiques d'une part en ce qu'elle n'inclut pas de condensateur de filtrage en parallèle avec la sortie du redresseur et l'entrée du convertisseur statique, et d'autre part en ce que l'énergie électrique produite par l'insert piézoélectrique est stockée dans sa capacité propre et transférée pendant de brefs instants vers le reste du circuit électrique de manière synchrone avec les vibrations mécaniques. Ce principe de transfert d'énergie permet d'optimiser l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique pour une sollicitation mécanique donnée et pour une quantité de matériau piézoélectrique donnée. Il permet également de rendre l'énergie fournie par le dispositif piézoélectrique indépendante de la différence de potentiel entre les électrodes de la charge. The present invention differs from conventional devices on the one hand in that it does not include a filtering capacitor in parallel with the output of the rectifier and the input of the static converter, and on the other hand in that the electrical energy produced by the piezoelectric insert is stored in its own capacity and transferred for brief moments to the rest of the electrical circuit synchronously with the mechanical vibrations. This energy transfer principle makes it possible to optimize the electrical energy delivered by the piezoelectric insert for a given mechanical stress and for a given quantity of piezoelectric material. It also makes it possible to make the energy supplied by the piezoelectric device independent of the potential difference between the electrodes of the load.

La figure 1, à laquelle il est fait référence ci-après, représente les éléments constitutifs du dispositif de l'invention et leur disposition. Figure 1, to which reference is made below, shows the components of the device of the invention and their arrangement.

Le dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique comporte un insert piézoélectrique (1) soumis à une vibration mécanique et une charge électrique (4). Il comporte également des moyens de redressement électrique (2) qui présentent deux électrodes 10 d'entrée acceptant une différence de potentiel bipolaire et deux électrodes de sortie délivrant une différence de potentiel unipolaire, un quadripôle de stockage électromagnétique (3) présentant deux électrodes d'entrée et deux électrodes de sortie, et deux commutateurs électriques (5 et 6) ayant chacun deux électrode terminales, ces éléments étant reliés par des conducteurs électriques (7) de telle sorte que deux électrodes terminales de l'insert 15 piézoélectrique (1) sont respectivement reliées à la première et à la deuxième électrode d'entrée desdits moyens de redressement électrique (2), l'une des deux électrodes de sortie desdits moyens de redressement électrique (2) étant reliée à la première électrode d'un premier commutateur (5), la deuxième électrode dudit premier commutateur (5) étant reliée à l'une des électrodes d'entrée du quadripôle de stockage électromagnétique (3), la deuxième 20 électrode de sortie desdits moyens de redressement électrique (2) étant reliée à la deuxième électrode d'entrée dudit quadripôle de stockage électromagnétique (3), l'une des électrodes de sortie dudit quadripôle de stockage électromagnétique (3) étant reliée à la première électrode du deuxième commutateur (6), la deuxième électrode dudit deuxième commutateur (6) étant reliée à l'une des électrodes de la charge électrique (4), la deuxième électrode de sortie du 25 quadripôle de stockage électromagnétique (3) étant reliée à la deuxième électrode de ladite charge électrique (4), caractérisé en ce que tout ou partie de l'énergie électrique accumulée dans 1'insert piézoélectrique (1) est transférée à la charge électrique (4) par l'intermédiaire du quadripôle de stockage électromagnétique (3) de manière synchrone avec la vibration mécanique à laquelle est soumise ledit insert piézoélectrique (1). The device for converting mechanical energy into electrical energy comprises a piezoelectric insert (1) subjected to mechanical vibration and an electrical charge (4). It also comprises electrical rectification means (2) which have two input electrodes 10 accepting a bipolar potential difference and two output electrodes delivering a unipolar potential difference, an electromagnetic storage quadrupole (3) having two electrodes input and two output electrodes, and two electrical switches (5 and 6) each having two terminal electrodes, these elements being connected by electrical conductors (7) so that two terminal electrodes of the piezoelectric insert (1) are respectively connected to the first and to the second input electrode of said electrical rectification means (2), one of the two output electrodes of said electrical rectification means (2) being connected to the first electrode of a first switch ( 5), the second electrode of said first switch (5) being connected to one of the input electrodes of the quadr an electromagnetic storage pole (3), the second output electrode of said electrical rectifying means (2) being connected to the second input electrode of said electromagnetic storage quadrupole (3), one of the output electrodes of said quadrupole of electromagnetic storage (3) being connected to the first electrode of the second switch (6), the second electrode of said second switch (6) being connected to one of the electrodes of the electric charge (4), the second output electrode of the 25 electromagnetic storage quadrupole (3) being connected to the second electrode of said electric charge (4), characterized in that all or part of the electric energy accumulated in the piezoelectric insert (1) is transferred to the electric charge (4 ) via the electromagnetic storage quadrupole (3) synchronously with the mechanical vibration to which said insert is subjected piezoelectric (1).

Le commutateur électrique (5) contrôlant le transfert d'énergie de l'insert piézoélectrique (1) vers le quadripôle de stockage électromagnétique (3) est fermé pendant un temps inférieur à la durée caractéristique des variations de la sollicitation mécanique, par exemple à chaque fois que la différence de potentiel entre les électrodes de l'insert piézoélectrique (1) atteint un extremum. -3. The electrical switch (5) controlling the transfer of energy from the piezoelectric insert (1) to the electromagnetic storage quadrupole (3) is closed for a time less than the characteristic duration of the variations in mechanical stress, for example each time once the potential difference between the electrodes of the piezoelectric insert (1) reaches an extremum. -3.

Le deuxième commutateur (6) est fermé à l'instant o le premier commutateur (5) s'ouvre, pendant une durée suffisante pour transférer toute l'énergie accumulée par le quadripôle de stockage électromagnétique (3) vers la charge (4). On peut, par exemple, fermer le premier commutateur (5) à chaque fois que la différence de potentiel électrique présente 5 entre les deux électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) atteint un extremum, pendant une durée suffisante pour annuler ladite différence de potentiel. The second switch (6) is closed at the instant when the first switch (5) opens, for a sufficient time to transfer all the energy accumulated by the electromagnetic storage quadrupole (3) to the load (4). It is possible, for example, to close the first switch (5) each time the difference in electric potential between 5 between the two terminal electrodes of the piezoelectric insert (1) reaches an extremum, for a time sufficient to cancel said difference in potential.

Le choix de l'instant de fermeture du premier commutateur (5) et de sa durée de fermeture permettent de contrôler l'énergie délivrée à la charge (4), l'énergie fournie au quadripôle de stockage électromagnétique (3) ou bien la valeur de la différence de potentiel 10 entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique. The choice of the closing instant of the first switch (5) and its closing duration make it possible to control the energy delivered to the load (4), the energy supplied to the electromagnetic storage quadrupole (3) or the value of the potential difference 10 between the terminal electrodes of the piezoelectric insert.

Le quadripôle de stockage électromagnétique (3) peut être constitué d'une inductance, chacune des deux électrodes terminales de ladite inductance constituant à la fois une électrode d'entrée et une électrode de sortie dudit quadripôle de stockage électromagnétique. The electromagnetic storage quadrupole (3) may consist of an inductor, each of the two terminal electrodes of said inductor constituting both an input electrode and an output electrode of said electromagnetic storage quadrupole.

Le quadripôle de stockage électromagnétique (3) peut être constitué d'un dispositif 15 comportant plusieurs inductances magnétiquement couplées, les deux électrodes d'entrée du quadripôle étant, par exemple, les électrodes terminales de l'une desdites inductances, les deux électrodes terminales d'une autre desdites inductances constituant les électrodes de sortie dudit quadripôle. Cette configuration permet en particulier de réaliser un isolement électrique entre la charge (4) et 1'insert piézoélectrique (1). The electromagnetic storage quadrupole (3) may consist of a device 15 comprising several magnetically coupled inductors, the two input electrodes of the quadrupole being, for example, the terminal electrodes of one of said inductors, the two terminal electrodes d another of said inductors constituting the output electrodes of said quadrupole. This configuration makes it possible in particular to produce electrical isolation between the load (4) and the piezoelectric insert (1).

Les commutateurs électriques (5) et (6) sont soit à fermeture commandée et à ouverture spontanée, soit à fermeture et ouverture commandées. Leur caractéristique électrique est unidirectionnelle en tension et en courant. Il peuvent être réalisés par association de composants à semi- conducteurs tels que des thyristors, des triacs, des transistors bipolaires, des transistors MOS, des transistors IGBT, des transistors à effet de 25 champ, des transistors unijonction et des diodes. Chaque commutateur peut comporter une seule électrode de commande, ou plusieurs électrodes que l'on peut commander simultanément ou indépendamment, ou bien n'avoir aucune électrode de commande. The electrical switches (5) and (6) are either controlled closing and spontaneous opening, or controlled closing and opening. Their electrical characteristic is unidirectional in voltage and current. They can be produced by combining semiconductor components such as thyristors, triacs, bipolar transistors, MOS transistors, IGBT transistors, field effect transistors, unijunction transistors and diodes. Each switch can have a single control electrode, or multiple electrodes that can be controlled simultaneously or independently, or have no control electrode.

La synchronisation des instants de fermeture du premier commutateur (5) avec la sollicitation mécanique peut être obtenue en utilisant un capteur auxiliaire ou bien en 30 exploitant directement la tension délivrée par l'insert piézoélectrique (1), ce qui permet dans ce cas de simplifier le dispositif tout en rationalisant sa consommation. The synchronization of the instants of closure of the first switch (5) with the mechanical stress can be obtained by using an auxiliary sensor or else by directly exploiting the voltage delivered by the piezoelectric insert (1), which makes it possible in this case to simplify the device while rationalizing its consumption.

Le circuit de commande du premier commutateur (5), incluant notamment un dispositif de détection des instants de fermeture dudit commutateur (5), peut être alimenté par une partie de l'énergie électrique délivrée par l'insert piézoélectrique (1). The control circuit of the first switch (5), including in particular a device for detecting the instants of closure of said switch (5), can be supplied with part of the electrical energy delivered by the piezoelectric insert (1).

La charge (4) peut inclure un ou plusieurs éléments de stockage de l'énergie électrique, tels que des condensateurs ou des accumulateurs. The load (4) may include one or more elements for storing electrical energy, such as capacitors or accumulators.

L'insert piézoélectrique (1) peut comporter un ou plusieurs éléments distincts reliés électriquement en série, en parallèle ou par composition de ces deux types de liaison. The piezoelectric insert (1) may include one or more separate elements electrically connected in series, in parallel or by composition of these two types of connection.

Le dispositif de l'invention est capable d'assurer simultanément l'amortissement des vibration mécaniques de la structure sur laquelle est fixé l'insert piézoélectrique (1) et la fonction de générateur d'énergie électrique. The device of the invention is capable of simultaneously ensuring the damping of the mechanical vibrations of the structure on which the piezoelectric insert (1) is fixed and the function of generator of electrical energy.

La figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention dans lequel le redresseur (2) est un pont complet de diodes, le premier commutateur (5) est un transistors MOS-FET 10 canal N, le quadripôle de stockage électromagnétique (3) est une inductance, le deuxième commutateur (6) est une diode, la charge (4) inclut un condensateur de stockage (4-a) et le reste du circuit de charge est modélisé par une résistance (4-b). FIG. 2 represents an embodiment of the invention in which the rectifier (2) is a full bridge of diodes, the first switch (5) is a MOS-FET 10 channel N transistors, the electromagnetic storage quadrupole (3) is an inductor, the second switch (6) is a diode, the load (4) includes a storage capacitor (4-a) and the rest of the load circuit is modeled by a resistor (4-b).

La figure 3 représente, dans le cas du mode de réalisation représenté à la figure 2, les chronogrammes du déplacement mécanique S de l'insert piézoélectrique soumis à une 15 vibration mécanique périodique sinusoïdale, de la différence de potentiel U entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1), de la différence de potentiel UL entre les électrodes terminales l'inductance (3), du courant IL dans l'inductance (3), de la tension UGS de commande du premier commutateur (5) et de la différence de potentiel UCH entre les électrodes terminales de la charge (4). FIG. 3 represents, in the case of the embodiment represented in FIG. 2, the timing diagrams of the mechanical displacement S of the piezoelectric insert subjected to a sinusoidal periodic mechanical vibration, of the potential difference U between the terminal electrodes of l piezoelectric insert (1), the potential difference UL between the terminal electrodes the inductor (3), the current IL in the inductor (3), the voltage UGS for controlling the first switch (5) and the potential difference UCH between the terminal electrodes of the load (4).

Le dispositif micro-générateur ainsi obtenu peut, par exemple, être utilisé pour alimenter un circuit électronique de surveillance, de diagnostic, d'identification à distance, de télécommande, etc.... The micro-generator device thus obtained can, for example, be used to power an electronic circuit for monitoring, diagnosis, remote identification, remote control, etc.

Claims

1) Device for converting mechanical energy into electrical energy between a piezoelectric insert (1) subjected to mechanical vibration and an electrical charge (4), the device comprising electrical rectification means (2) having two input electrodes accepting a bipolar potential difference and two output electrodes delivering a unipolar potential difference, an electromagnetic storage quadrupole (3) having two input electrodes and two output electrodes, and two electrical switches (5 and 6) each having two terminal electrodes, these elements being connected by electrical conductors (7) so that two terminal electrodes of the piezoelectric insert (1) are respectively connected to the first and to the second input electrode 10 of said electrical rectifying means ( 2), one of the two output electrodes of said electrical rectifying means (2) and ant connected to the first electrode of a first switch (5), the second electrode of said first switch (5) being connected to one of the input electrodes of the electromagnetic storage quadrupole (3), the second electrode of output of said electric rectifying means (2) being connected to the second input electrode of said electromagnetic storage quadrupole (3), one of the output electrodes of said electromagnetic storage quadrupole (3) being connected to the first electrode of the second switch (6), the second electrode of said second switch (6) being connected to one of the electrodes of the electric charge (4), the second electrode of the electromagnetic storage quadrupole (3) being connected to the second electrode of said 20 electrical charge (4), characterized in that all or part of the electrical energy accumulated in the piezoelectric insert (1) is transferred to the c electrical harge (4) via the electromagnetic storage quadrupole (3) synchronously with the mechanical vibration to which said piezoelectric insert (1) is subjected.

2) Device according to the preceding claim, characterized in that the electrical switch (5) controlling the transfer of energy from the piezoelectric insert (1) to the electromagnetic storage quadrupole (3) is closed for a time less than the characteristic duration of variations in mechanical stress, for example each time the potential difference between the electrodes of the piezoelectric insert (1) reaches an extremum.

3) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the closing time of the switch (5) makes it possible to control the energy supplied to the electromagnetic storage quadrupole (3) or else the value of the potential difference between the terminal electrodes of the piezoelectric insert (1), for example so as to ensure the momentary cancellation of this potential difference.

4) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic storage quadrupole (3) consists of an inductor comprising two terminal electrodes, each terminal electrode of said inductor constituting both an input electrode and an output electrode of said electromagnetic storage quadrupole.

5) Device according to any one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the electromagnetic storage quadrupole (3) comprises at least two magnetically coupled inductors, the two terminal electrodes of a first inductor constituting the electrodes of input of said electromagnetic storage quadrupole, the two terminal electrodes of a second inductance magnetically coupled to said first inductance constituting the output electrodes of said electromagnetic storage quadrupole.

6) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the switches (5) and (6) are semiconductor components or arrangements of several semiconductor components, such as bipolar transistors, effect transistors field, MOS transistors, IGBT transistors, thyristors, triacs and diodes.

7) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the closing times of the switch (5) are determined either from a sensor, or directly from the potential difference present between the terminal electrodes of the piezoelectric insert (1).

8) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the switch control circuit (5) is supplied by part of the electrical energy supplied by the piezoelectric insert (1).

9) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the load (4) comprises one or more elements for storing electrical energy, such as capacitors or accumulators.

10) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric insert (1) comprises one or more separate elements electrically connected in series, in parallel, or by composition of these two types of connection.

11) Device according to any one of the preceding claims, characterized in that it simultaneously ensures the damping of the mechanical vibrations of the structure on which the piezoelectric insert (1) is fixed and the generator function. electric energy.