Matériaux piézoélectriques : techniques non-linéaires semi-passives pour le contrôle vibratoire et la récupération d'énergie

Piezoelectric material: semi passive non-linear techniques for vibration control and energy harvesting

INSA Lyon, LGEF, 8 rue de la physique, 69621 Villeurbanne, France

Reçu : 30 Mars 2009
Accepté : 8 Avril 2009

Résumé

Les techniques SSD/SSH (Synchronized Switch Damping/Harvesting) développées par le LGEF (Laboratoire de Génie Électrique et Ferroélectricité) permettent une gestion optimisée des transferts énergétiques de nombreux couplages multiphysiques, et notamment du couplage électromécanique généré par des éléments piézoélectriques. Basées sur un traitement non linéaire de la tension électrique d'éléments actifs intégrés à une structure vibrante, elles permettent une forte augmentation de la quantité d'énergie mécanique extraite puis convertie en énergie électrique. Deux thématiques majeures peuvent tirer partie de cette optimisation : les techniques de contrôle vibratoire (SSD) car extraire plus d'énergie d'une structure revient à minimiser son énergie vibratoire et les techniques de récupérations d'énergie (SSH) car l'énergie électrique récupérée devient alors suffisante pour alimenter des circuits électroniques basse consommation. Le principe des techniques SSD/SSH appliquées aux matériaux piézoélectriques est d'abord présenté. Quelques applications typiques de ces techniques sont ensuite discutées. Elles permettent ainsi de disposer d'un contrôle vibratoire autoadaptatif, large bande et multimodal. Appliquées à la récupération d'énergie, elles induisent une forte augmentation de la quantité d'énergie récoltée par rapport aux techniques classiques. Un système embarqué autoalimenté a ainsi été développé pour assurer le contrôle de santé de structures composites. L'énergie fournie par le microgénérateur SSH permet au système de dialoguer avec une base centrale par liaison RF et d'émettre une onde acoustique (de Lamb) nécessaire au processus de contrôle.

Abstract

The SSD/SSH (Synchronized Switch Damping/Harvesting) techniques developed at the LGEF (Laboratory of Electrical Engineering and Ferroelectricity) allow an optimized management of energy transfers for multiphysic couplings, and especially for the electromechanical coupling generated by piezoelectric elements. Based on a non-linear processing of the active elements voltage embedded in the hosted structure, they perform a great increase of the mechanical energy extracted and then converted into electrical energy. Two main topics can take advantage of this optimisation: vibration control techniques (SSD) because extract more energy from a structure is minimize its energy vibration and techniques for energy harvesting (SSH) because the harvested electrical energy becomes sufficient to supply low consumption electronic circuits. The SSD/SSH principle applied to the piezoelectric material is first presented. Some typical applications of these techniques are then discussed. They perform an autoadaptative, broadband and multimodal vibration control Applied to energy harvesting, they induce a great increase of energy harvested compared to conventional techniques. A complete autonomous board system was developed to ensure the health monitoring of composite structures. The energy harvested by the micro-generator SSH allows the system to communicate with a central base via RF and to emit an acoustic Lamb wave for the control process.