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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
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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
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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
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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
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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
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Systèmes de récupération d’énergie biomécanique
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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
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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
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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
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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.
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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.
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Gestion et utilisation de l’énergie biomécanique
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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
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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]
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Récupération d’énergie et objets connectés
Quelques exemples de dispositifs dans lesquels la récupération d’énergie pourrait être utilisée
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Conclusions
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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