Brevet FR2854006A1 — publié le 20041022

La présente invention a pour objet le principe de commande d'un convertisseur 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. 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. 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. 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. La figure 1, à laquelle il est fait référence ci-après, représente les éléments constitutifs du dispositif de l'invention et leur disposition. 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). 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. 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. 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. 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. 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). 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. 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. 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). La charge (4) peut inclure un ou plusieurs éléments de stockage de l'énergie électrique, tels que des condensateurs ou des accumulateurs. 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. 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. 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). 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). 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.... REVENDICATIONS 1) Dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique entre un insert piézoélectrique (1) soumis à une vibration mécanique et une charge électrique (4), le dispositif comprenant des moyens de redressement électrique (2) présentant deux électrodes d'entrée acceptant une différence de potentiel bipolaire et deux électrodes de sortie délivrant 5 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) présentant chacun deux électrode terminales, ces éléments étant reliés par des conducteurs électriques (7) de telle sorte que deux électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1) sont respectivement reliées à la première et à la deuxième électrode 10 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 électrode de sortie desdits moyens de redressement électrique (2) étant reliée à la deuxième 15 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 quadripôle de stockage électromagnétique (3) étant reliée à la deuxième électrode de ladite 20 charge électrique (4), caractérisé en ce que tout ou partie de l'énergie électrique accumulée dans l'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). 2) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le commutateur 25 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) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce 30 que le temps de fermeture du commutateur (5) permet de contrôler l'énergie fournie au quadripôle de stockage électromagnétique (3) ou bien la valeur de la différence de potentiel entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1), par exemple de manière à assurer l'annulation momentanée de cette différence de potentiel. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le quadripôle de stockage électromagnétique (3) est constitué d'une inductance comportant deux électrodes terminales, chaque électrode terminale de ladite inductance constituant à la fois une électrode d'entrée et une électrode de sortie dudit quadripôle de stockage électromagnétique. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le quadripôle de stockage électromagnétique (3) comprend au moins deux inductances magnétiquement couplées, les deux électrodes terminales d'une première inductance constituant les électrodes d'entrée dudit quadripôle de stockage électromagnétique, les deux 10 électrodes terminales d'une deuxième inductance magnétiquement couplée à ladite première inductance constituant les électrodes de sortie dudit quadripôle de stockage électromagnétique. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les commutateurs (5) et (6) sont des composants à semiconducteurs ou des agencements 15 de plusieurs composants à semiconducteurs, tels que des transistors bipolaires, des transistor à effet de champ, des transistors MOS, des transistors IGBT, des thyristors, des triacs et des diodes. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les instants de fermeture du commutateur (5) sont déterminés soit à partir d'un capteur, 20 soit directement à partir de la différence de potentiel présente entre les électrodes terminales de l'insert piézoélectrique (1). 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de commande du commutateur (5) est alimenté par une partie de l'énergie électrique fournie par l'insert piézoélectrique (1). 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la charge (4) comprend un ou plusieurs éléments de stockage de l'énergie électrique, tels que des condensateurs ou des accumulateurs. 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'insert piézoélectrique (1) comporte un ou plusieurs éléments distincts reliés 30 électriquement en série, en parallèle, ou par composition de ces deux types de liaison. 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il permet 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.