Stratégie de conception d’un générateur piézoélectrique

Figures de mérite des dispositifs de récupération d’énergie Depuis ces dix dernières années, les chercheurs et les ingénieurs ont développé des générateurs d’énergie pour des applications basse consommation et ils ont toujours cherché à améliorer la performance de ces générateurs. Pour déterminer les performances du dispositif d’un point de vue énergétique, la puissance récupérée est souvent l’indicateur prépondérant. En plus de la puissance récupérée, le volume du générateur d’énergie est un indicateur d’intérêt notamment pour les applications biomédicales de type pacemaker ou biocapteur nécessitant par essence un faible encombrement. Ces deux indicateurs nous conduisent donc naturellement à considérer la densité de puissance (définie comme la quantité de puissance utilisable par un système physique donné divisé par le volume de ce système) pour évaluer la performance des générateurs.

Dans la littérature, des figures de mérite sont définies dans le but d’évaluer la performance d’un générateur, de comparer les générateurs dans l’état de l’art et surtout de faire l’optimisation des générateurs. Il existe plusieurs types de figures de mérite. Après une étude bibliographique, nous présentons les figures de mérite que nous avons pu étudier. Une figure de mérite (FOM) est avant tout un outil d’aide à la conception d’un générateur performant, notamment pour le choix des matériaux et des dimensions géométriques. De plus, une figure de mérite permet aussi de comparer les différents générateurs et se trouve être un des critères qui permet d’améliorer les générateurs. Dans cet esprit, nous nous permettons de classifier les figures de mérite (FOM) sous deux catégories :  La FOM intrinsèque, basée sur les paramètres propres du dispositif, à la fois géométriques et matériaux. Elle va renseigner sur les paramètres du dispositif à privilégier ainsi que la structure la plus favorable en fonction de l’application finale.  La FOM performance, qui permet de comparer différents dispositifs en termes de performance. 3.1. FOM intrinsèque Les grandes questions posées par les concepteurs pour que le récupérateur d’énergie produise le plus d’énergie possible sont souvent : quel type de matériau faut-il prendre ? quel type de structure ? quelles dimensions ? Ces questions ont été adressées par la communauté scientifique. Les paragraphes suivants donnent un florilège de différentes réponses proposées. 1.1.1. FOM et sélection des matériaux piézoélectriques Dans son article, Priya [134] a proposé un critère simple pour la sélection des matériaux d’un générateur piézoélectrique, une figure de mérite adimensionnelle DFOM = FOMhres x FOMres dans la quelle FOMhres est la figure de mérite du générateur qui fonctionne hors-résonance, FOMres, la figure de mérite du générateur qui fonctionne à la résonance. Pour la FOMhres, un modèle simple de plaque piézoélectrique est employé. La plaque est soumise à une force alternative (F) basse fréquence qui est très éloignée de la résonance de la 93 plaque. Dans ce cas, la transduction électromécanique dépend du coefficient piézoélectrique de déformation d et du coefficient piézoélectrique de tension g. La tension à circuit ouvert (V) de la plaque s’exprime alors de la manière suivante : 𝑉 = 𝐸 × 𝑡 = −𝑔 × 𝑋 × 𝑡 = − 𝑔 × 𝐹 × 𝑡 𝐴 (24) avec t l’épaisseur de la céramique ; E le champ électrique ; X la contrainte mécanique définie par X = F/A et A la surface de la céramique. L’énergie électrique disponible Ue de la plaque est écrite comme : 𝑈𝑒 = 1 2 𝐶𝑉 2 (25) où C est la capacité de la plaque. A l’aide de (24) et (25), on peut déduire ue, l’énergie volumique, définie par 𝑢𝑒 = 1 2 (𝑑 × 𝑔) ( 𝐹 𝐴 ) 2 (26) Ainsi, avec cette équation de l’énergie volumique dans une condition expérimentale donnée, plus le facteur d×g de la céramique sera grand, plus l’énergie électrique disponible sera importante. La performance du transducteur est aussi affectée par les pertes diélectriques (tanδe) du matériau. La figure de mérite, dans les conditions hors-résonance précédemment décrites, d’un générateur en mode 3-1 est donnée sous la forme [134] : FOMhres = 𝑑31 × 𝑔31/𝑡𝑎𝑛𝛿𝑒 (27) Pour la FOMres, Priya [134] a analysé les deux modèles d’un générateur à la résonance, l’un est le modèle quantitatif de Richards [103] dans lequel l’efficience du générateur est liée au produit de 𝑘 2 × 𝑄𝑚 et l’autre est le modèle des paramètres distribués d’Erturk [139] dans lequel un coefficient de compliance élastique (s) doit être minimisé pour augmenter la puissance en sortie du générateur. De ces analyses, Priya en a déduit la FOM à la résonance du générateur en mode 3-1 de la forme suivante :  FOMres = 𝑘31 2 × 𝑄𝑚/𝑠11 𝐸 (28) Finalement, une figure de mérite adimensionnelle (DFOM) est proposée pour sélectionner le matériau piézoélectrique d’un générateur travaillant en mode 3-1. Cette DFOM prend en compte les deux régimes de fonctionnement (à la résonance et hors-résonance) : 𝐷𝐹𝑂𝑀 = 𝐹𝑂𝑀ℎ𝑟𝑒𝑠 × 𝐹𝑂𝑀𝑟𝑒𝑠 𝐷𝐹𝑂𝑀 = ( 𝑘31 2 × 𝑄𝑚 𝑠11 𝐸 ) 𝑟𝑒𝑠 × ( 𝑑31 × 𝑔31 𝑡𝑎𝑛𝛿 ) ℎ𝑟𝑒𝑠 (29) La DFOM est adaptée aux cas où l’on veut récupérer l’énergie d’une source de vibration non maîtrisée car elle vise un comportement optimal du dispositif à la fois hors-résonance et à la résonance. Si la source d’énergie mécanique est bien connue, l’emploi de la FOMhres ou de la FOMres dépend de la source : si la fréquence d’excitation est hors-résonance, on utilise la FOMhres pour comparer les matériaux ; et si l’excitation est à la résonance, la FOMres est de fait mieux adaptée. Dans notre cas, c’est plutôt la FOMres que nous allons utiliser car notre dispositif est excité à sa fréquence de résonance afin de récupérer un maximum d’énergie. En parallèle de la DFOM, d’autres figures de mérite ont été proposées avec des constats similaires en ce qui concerne le choix des matériaux piézoélectriques, telle que la technique TOPSIS (Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution) proposée par Chauhan [136]. De même, en 2011, Takeda [135] a proposé une autre technique pour évaluer l’influence des paramètres des matériaux piézoélectriques pour les applications de récupération d’énergie vibratoire. Dans son article, un facteur de génération G a été défini en fonction du coefficient de couplage électromécanique du système 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 et le facteur de qualité du système 𝑄𝑚 ∗ de celui-ci. Il a démontré que la puissance générée est proportionnelle au facteur G. Takeda a également observé l’existence de relations entre le coefficient de couplage du système 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 et le coefficient de couplage du matériau 𝑘31 2 ; et entre le facteur de qualité du système Qsys et le facteur de qualité Qm du matériau piézoélectrique. Ainsi, la figure 4.1 proposée par Takeda, illustre le lien entre la densité de puissance et le coefficient de couplage électromécanique à travers la relation entre la puissance récupérée et le facteur G. Sur cette figure, on peut remarquer que la céramique piézoélectrique dure, du fait des fortes valeurs de 95 son produit 𝑘31 2 x Qm, est la plus favorable pour faire les dispositifs de récupération d’énergie vibratoire.

FOM et conception de générateurs piézoélectriques

 Après avoir choisi le matériau adéquat pour le générateur piézoélectrique, il ne reste plus qu’à décider de la structure de ce dernier pour qu’il soit performant. Dans cette optique, certains se sont intéressés, en plus de la puissance, à l’efficience du générateur d’énergie [9], 96 [18], [21]. L’efficience η d’un générateur est généralement définie comme le rapport entre l’énergie électrique à la sortie (Eout) et l’énergie mécanique à l’entrée (Ein) du système 𝜂 = 𝐸𝑜𝑢𝑡 𝐸𝑖𝑛 . (30) La formule exacte de l’efficience d’un générateur a été proposée la première fois par Richards [103]. Celle-ci est basée sur un modèle simplifié, à un seul degré de liberté (1DDL) (cf. §1.4). L’efficience d’un générateur à la fréquence de résonance avec une résistance optimale s’écrit alors sous forme : 𝜂 = 1 2 × 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 1 − 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 ( 1 𝑄𝑠𝑦𝑠 + 1 2 × 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 1 − 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 ⁄ ) (31) et dépend seulement du coefficient de couplage électromécanique 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 et du facteur de qualité Qsys du système. Ces paramètres sont liés aux paramètres structurels et matériaux du générateur. Cette formule ne prend pas en compte la fréquence d’excitation et la résistance de charge car Richards part du postulat que l’efficience maximale du générateur se trouve à la résonance et à la charge optimale. L’influence de ces deux derniers paramètres est prise en compte par Yang [7] au même titre que le coefficient de couplage électromécanique et le facteur de qualité du système. Ce dernier emploie un modèle à 1DDL d’un unimorphe pour calculer l’énergie électrique à la sortie et l’énergie mécanique à l’entrée du système. L’efficience est ensuite déduite avec la formule ci-dessous [7] : 𝜂 = 𝐸𝑜𝑢𝑡 𝐸𝑖𝑛 = 𝑉𝑅𝑀𝑆 2 ⁄𝑅 1 2 𝑚 × 𝑋̈× 𝑍̇ × sin(∅𝑥) (32) avec VRMS, la tension efficace aux bornes de la résistance de charge R ; m, la masse du dispositif ; X, le déplacement relatif entre la masse m et la base d’excitation (Z) ; et ∅x, le déphasage entre la réponse de déplacement X et l’accélération de la base 𝑍̈(à la résonance sin(∅x) = 1). Dans le cas d’un système linéaire, l’efficience peut être définie comme une fonction du coefficient de couplage électromécanique 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 : 97 𝜂 = 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 2 𝜉 𝛼 𝜔̃ 2 + 2𝜉𝛼 + 𝑘𝑠𝑦𝑠 2 (33) 𝜔̃ = 𝜔/𝜔𝑛 (34) α = r𝜔̃ (35) 𝑟 = 1/𝑅𝐶𝑝𝜔 (36) avec ξ le coefficient d’amortissement ; ω la pulsation d’excitation ; ωn la pulsation de résonance du dispositif ; r le rapport de l’impédance interne capacitive sur la résistance de charge ; et 𝐶𝑝 la capacité interne de l’unimorphe. L’étude de Yang conclut qu’un faible amortissement et un grand coefficient de couplage électromécanique seraient bénéfiques pour l’efficience. Par contre, aussi bien une faible qu’une forte valeur de résistance la diminuerait. Il en va de même lorsque la fréquence d’excitation augmente. Le pic de l’efficience se trouverait sur la courbe d’impédance à la résonance. Les FOMs intrinsèques permettent ainsi au concepteur de dresser le profil du générateur en termes de paramètres physiques et matériaux (masse, coefficient d’amortissement, coefficient de couplage électromécanique, …) afin d’en maximiser les performances..