Electromagnetic based energy harvesting systems such as Variable reluctance energy harvesting systems (VREH) have shown to be an effective way of extracting the energy of rotating parts. The transducer can provide enough power to run an electronic sensing system, but the problem arises in finding an efficient way of rectifying that power to generate a stable energy supply to run a system, which this report will investigate. Active and passive voltage doublers have proven to be a suitable candidate in solving this issue due to the simplicity and the small footprint. This thesis will aim to compare active and passive voltage doublers under various scenarios in order to understand under which circumstances are active or passive voltage doublers to be preferred. From the conducted experimental measurements, this thesis concluded that active voltage doublers are recommended during high RPMs (>10 RPM) while passive voltage doublers (especially fullwave voltage doubler) is recommended at lower RPMs. Quality of power also plays a significant role in this study. Therefore, measurements have also been done for ripple and rise time. From the measurements, this thesis can conclude that the overall power quality was the best in Full-wave voltage doublers, while Active-voltage doublers had lower ripple than FWVDs at higher current loads.

Le projet présenté dans ce mémoire a pour objectif de développer un système de récupération d’énergie des gaz d’échappement d’un véhicule à essence. Constitué de piles à combustible à oxyde solide (SOFC) en configuration monochambre, le dispositif doit convertir l’énergie chimique des gaz imbrûlés en électricité. Son fonctionnement en aval du catalyseur trois voies permettrait de compléter son action dépolluante tout en améliorant l’efficacité énergétique du véhicule. Par opposition aux piles SOFC dites conventionnelles, les piles SOFC monochambres ne nécessitent pas de scellement étanche entre les compartiments et fonctionnent sous un mélange gazeux composé d’hydrocarbures et d’oxygène. L’empilement en stack de plusieurs cellules est simplifié et plus compact, son intégration au cœur du pot d’échappement est donc plus simple. Ce concept a été précédemment étudié dans la littérature et le présent projet a pour but d’améliorer les performances délivrées en optimisant certains paramètres : la géométrie de pile et les matériaux d’électrodes et d’électrolyte. De plus, un mélange gazeux plus représentatif des conditions réelles a été défini et utilisé tout au long du projet. Une étude préliminaire sur les matériaux sous forme de poudre a permis de réaliser un premier choix parmi quatre matériaux de cathode et de définir les conditions de fonctionnement théoriques des cellules. Ensuite, les cellules complètes ont été mises en forme puis étudiées sous mélange gazeux. Une densité maximale de puissance de 25 mW.cm-2 à 550°C pour une cellule Ni-CGO/CGO/LSCF-CGO a ainsi pu être obtenue. / This study aims at developing a system able to recover energy from exhaust gases of a thermal engine. Composed of Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) in a single chamber configuration, the device has to convert chemical energy of gases into electricity. Embedded in the exhaust line at the exit of the three-way catalyst, the stack of single chamber SOFC will complete the reduction of toxic gases emissions with an improvement of the vehicle energy efficiency.Unlike conventional SOFC, single chamber SOFC do not require any gastight sealing between compartments and work in a mixed atmosphere composed of hydrocarbon and oxygen. Stack assembly is thus simplified and more compact; insertion into the exhaust line is therefore easier. This concept has been previously studied in the literature and this work aims at enhancing performances through the optimisation of some parameters such as cell geometry and cell components materials.Moreover, a more representative gas mixture of actual compositions in the exhaust line has been defined and used all along this project. A preliminary study on the raw materials has allowed to make a first selection among four cathode materials and to define theoretical working conditions of our cells. Afterwards, cells have been elaborated and then studied in the selected gas mixture. A maximum power density of 25 mW.cm-2 has been obtained at 550°C for a Ni-CGO/CGO/LSCF-CGO cell.

La récupération d'énergie ambiante permet d’alimenter de manière autonome des systèmes de petite taille tels que des neouds de capteurs ou des objets connectés à internet (IoT) en remplacement des batteries. Les sources d’énergie ambiante sont par exemple, l’énergie solaire, le gradient thermique, les forces mécaniques, le rayonnement électromagnétique et la pile microbienne. Les matériaux piézoélectriques permettent de valoriser électriquement l’énergie mécanique de vibration en la convertissant directement en énergie électrique. Les niveaux de puissance assez faible (de quelques μW au mW) ont amené à développer des interfaces électriques de récupération afin d’extraire le maximum d'énergie en améliorant le couplage électromécanique. Dans ce travail, nous nous intéressons à l’amélioration de dispositif de récupération d’énergie. Deux aspects sont abordés : dans un premier temps l’étude d’un commutateur hybride synchrone électrique-mécanique est faite pour remplacer le transistor MOSFET couramment utilisé, afin de réduire sa consommation d’énergie ; dans un deuxième temps, un travail est mené sur une nouvelle structure mécanique à base de poutres reliées entre elle par des forces de répulsion magnétique. La structure obtenue par cet ensemble de poutres et de type non-linéaire à plusieurs degrés de liberté (MDOF) ce qui permet augmenter la bande passante. / The future trend of Internet of Things (IoT) is bringing energy harvesting in to the core technique due to its requirement of self-power supplying. For best customer interface and eco-friendly issues, additional sensing systems are to be designed small, wireless and self-powering. Energy harvesting provides a way to realize the wireless self-powered system, it enables the device itself to obtain its own energy from their environment. Solar energy, thermal gradient, mechanical forces, are some commonly seen methods to obtain energy from the environment. The piezoelectric energy harvester is chosen to harvest vibrational energy in this study. In this work, a simple model of the original electrical smart switch driven under ultra-low power is proposed. By using the miniature device to drive the smart switch, the efficiency when low power is provided was examined. To construct an energy harvesting system in a more complete aspect, two newly proposed methods are as below: First, the hybrid-electrical-mechanical switches were utilized to replace the commonly seen electrical smart switches, to reduce its energy consumption such as threshold loss. Secondly, we designed a new mechanical structure for the cantilever array by connecting the beams using magnetic repelling force. In this way, the beams within the array were connected physically, forming a nonlinear multi-degree of freedom (MDOF) -like result.

Ces travaux portent sur la question de l’autonomie énergétiquedes capteurs sans fil dans un contexte aéronautique, à laquelle la récupérationet le stockage d’énergie ambiante sont susceptibles d’apporter uneréponse. Nous étudions dans un premier temps la génération thermoélectrique,destinée à être appliquée au suivi du vieillissement structurelprès de la zone moteur, et débouchant sur la réalisation d’un démonstrateur.Nous proposons ensuite une architecture de stockage capacitif qui,en s’adaptant à son état de charge, vise à améliorer la performance de cettesolution de stockage en termes de temps de démarrage, de taux d’utilisationd’énergie et sous certaines conditions, de transfert d’énergie. Finalement,nous rapportons les résultats d’une étude prospective sur la récupérationd’énergie du vent relatif grâce au phénomène aéroacoustique. Nousmontrons que cette méthode présente un potentiel énergétique intéressant,puis nous présentons la conception et la réalisation d’un circuit optimiséde gestion de l’énergie, permettant d’alimenter grâce à cette technique uncapteur sans fil de température / This work adresses the issue of energy autonomy within wirelesssensor networks embedded in aircrafts, which may be solved throughambient energy harvesting and storage. In a first study, we develop a demonstratorbased on thermal gradients energy harvesting, which is designedto supply power to a structural health monitoring system implementednear the engine zone. Thereafter, we introduce a capacitive storagearchitecture which self-adapts to its own state of charge, aiming at improvingits performance in terms of startup time, the energy utilization ratioand under some conditions, the energy transfer. Finally, we report the resultsof a prospective study on aeroacoustic energy harvesting appliedto the relative wind. It is shown that this method exhibits an interestingpotential in terms of generated power, then we introduce the design andthe realization of an optimized energy management circuit, allowing ourtechnique to supply power to a wireless temperature sensor

L'électronique a connu une évolution incontestable ces dernières années. Les progrès réalisés, notamment dans l'électronique numérique et l'intégration des circuits, ont abouti à des systèmes plus performants, miniatures et à faible consommation énergétique. Les évolutions technologiques, alliant les avancées de l'informatique et des technologies numériques et leur intégration de plus en plus poussée au sein d'objets multiples, ont permis le développement d'un nouveau paradigme de systèmes qualifiés de systèmes cyber-physiques. Ces systèmes sont massivement déployés de nos jours grâce à l'expansion des applications liées à l'Internet Des Objets (IDO). Les systèmes cyber-physiques s'appuient, entre autre, sur le déploiement massif de capteurs communicants sans fil autonomes, ceux-ci présentent plusieurs avantages : * Flexibilité dans le choix de l'emplacement. Ils permettent l'accès à des zones dangereuses ou difficiles d'accès. * Affranchissement des câbles qui présentent un poids, un encombrement et un coût supplémentaire. * Elimination des problèmes relatifs aux câbles (usure, étanchéité...) * Facilité de déploiement de réseaux de capteurs Cependant, ces capteurs sans fils nécessitent une autonomie énergétique afin de fonctionner. Les techniques conventionnelles telles que les batteries ou les piles, n'assurent le fonctionnement des capteurs que pour une durée limitée et nécessitent un changement périodique. Ceci présente un obstacle dans le cas où les capteurs sans fils sont placés dans un endroit où l'accès est impossible. Il est donc nécessaire de trouver un autre moyen d'approvisionner l'énergie de façon permanente à ces réseaux de capteurs sans fil. L'intégration et la miniaturisation des systèmes électroniques ont permis la réalisation de systèmes à faible consommation, ce qui a fait apparaître d'autres techniques en termes d'apports énergétiques. Parmi ces possibilités se trouvent la récupération d'énergie électromagnétique et le transfert d'énergie sans fil (TESF). En effet, l'énergie électromagnétique est de nos jours, omniprésente sur notre planète, l'utiliser donc comme source d'énergie pour les systèmes électroniques semble être une idée plausible et réalisable. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre, elle a pour objectif la conception et la fabrication de systèmes de récupération d'énergie électromagnétique pour l'alimentation de réseaux de capteurs sans fil. Le circuit de récupération d'énergie électromagnétique est appelé " Rectenna ", ce mot est l'association de deux entités qui sont " antenne " et " rectifier " qui désigne en anglais le " redresseur ". L'antenne permet de récupérer l'énergie électromagnétique ambiante et le redresseur la convertit en un signal continu (DC) qui servira par la suite à alimenter les capteurs sans fil. Dans ce manuscrit, plusieurs rectennas seront présentées, pour des fréquences allant des bandes GSM 868MHz, 915MHz, passant par l'UMTS à 2GHZ et WIFI à 2,45GHz, et allant jusqu'aux bandes Ku et Ka. / The electronic domain has known a significant expansion the last decades, all the advancements made has led to the development of miniature and efficient electronic devices used in many applications such as cyber physical systems. These systems use low-power wireless sensors for: detection, monitoring and so on. The use of wireless sensors has many advantages: * The flexibility of their location, they allow the access to hazardous areas. * The realization of lighter system, less expensive and less cumbersome. * The elimination of all the problems associated to the cables (erosion, impermeability...) * The deployment of sensor arrays. Therefore, these wireless sensors need to be supplied somehow with energy to be able to function properly. The classic ways of supplying energy such as batteries have some drawbacks, they are limited in energy and must be replaced periodically, and this is not conceivable for applications where the wireless sensor is placed in hazardous places or in places where the access is impossible. So, it is necessary to find another way to permanently provide energy to these wireless sensors. The integration and miniaturization of the electronic devices has led to low power consumption systems, which opens a way to another techniques in terms of providing energy. Amongst the possibilities, we can find the Wireless Power Transfer (WPT) and Energy Harvesting (EH). In fact, the electromagnetic energy is nowadays highly available in our planet thanks to all the applications that use wireless systems. We can take advantage of this massive available quantity of energy and use it to power-up the low power wireless sensors. This thesis is incorporated within the framework of WPT and EH. Its objective is the conception and realization of electromagnetic energy harvesters called "Rectenna" in order to supply energy to low power wireless sensors. The term "rectenna" is the combination of two words: Antenna and Rectifier. The Antenna is the module that captures the electromagnetic ambient energy and converts it to a RF signal, the rectifier is the RF circuit that converts this RF signal into a continuous (DC) signal that is used to supply the wireless sensors. In this manuscript, several rectennas will be presented, for different frequencies going from the GSM frequencies (868 MHz, 915 MHz) to the Ku/Ka bands.

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This thesis is based around the use of energy harvesting in systems, specifically for a Bluetooth Low Energy (BLE) mesh testbed. This BLE mesh is located in a well lit lab and is currently powered by mains electricity. Systems such as the BLE mesh are considered Internet of Things (IoT). The market for these systems is rapidly expanding and in turn so is the energy use. Many systems are powered by battery, and the need to replace a battery with an energy harvesting system has arisen. This thesis will explore the possibilities to power a node in this mesh and introduce a level of intelligence to allow the system to better predict available energy to harvest. The lab the BLE mesh is in is characterised for potential energy sources. Light is chosen to be an exceptional power source, from here a lux metre is created from a photovoltaic (PV) cell. This PV cell would function as both the power for the system and provide a method to measure the current light intensity. This would help add a layer of intelligence to the system to allow future systems to better understand how much energy is available. This idea can be implemented in other harvesters as well. / Denna avhandling är baserad på användningen av energiskördning i ett system, specifikt i en Bluetooth Low Energy (BLE)-mesh. Denna BLE-mesh befinner sig i ett väl upplyst labb och är för närvarande strömdrivet genom huvudström. System som BLE-mesh anses vara en del av Internet of Things (IoT). Marknaden för dessa system expanderar snabbt och därmed ökar också energiförbrukningen. Många system är batteridrivna och det har uppstått ett växande behov av att ersätta batteriet med ett energiskördsystem. Denna avhandling kommer att utforska möjligheterna att strömförsörja en nod i denna mesh och införa en intelligensnivå för att förbättra systemets möjlighet att förutspå energi som är tillgänglig för att skördas. Labbet där BLE-meshen befinner sig karakteriseras för potentiella energikällor. Ljus valdes som en exceptionell kraftkälla, och därifrån skapas en luxmeter från en fotovoltaisk (PV) cell. Denna PV-cell ska fungera både som strömkälla för systemet och utgöra en metod för att mäta nuvarande ljusintensitet. Detta skulle bidra till att lägga till ett skikt av intelligens i systemet för att göra det möjligt för framtida system att bättre förutspå tillgänglig skördbar energi. Denna idé kan även implementeras i andra energiskördsystem.

The aim of this thesis was to investigate the question of how to harvest RF energy and if we can harvest enough RF energy for it to be useful in an application. It is aimed towards sensor node applications, commonly used in a typical office environment. The WiFi band was chosen since it is omnipresent in the same environment. With the current development within wireless technology and the IoT domain the demand for low power electronic applications has increased and one of the challenges is to find efficient and sustainable ways of powering these types of devices.The best possible theoretical power content was initially calculated followed by measurements in an office. A circuit was designed containing an impedance matching network and rectifier. A measurement application was constructed using a microcontroller. Measurements were made in an office environment and the maximum harvested energy over 24 hours was 350 mJ. The energy was stored in a supercapacitor and is estimated to be enough to power a low energy sensor for about 30 seconds. A large part of the thesis is devoted to impedance matching involving calculating, simulating and experimenting to get a good result. / Med den nuvarande utvecklingen inom trådlös teknik och IoT-domänen har efterfrågan på elektroniska applikationer med låg effekt ökat och en av utmaningarna är att hitta effektiva och hållbara sätt att driva dessa typer av enheter. Syftet med detta projekt var att undersöka frågan hur vi skördar radiovågsenergi och kan vi skörda tillräckligt mycket med energi för att den ska vara användbar i en applikation. I ett typiskt kontor finns fler källor till radiovågor, däribland WiFi som antas ha en hög nyttjandegrad. Projektet valde att inrikta sig på WiFi bandet och undersöka om det går att utvinna tillräckligt med energi där.Projektet strävade efter att leverera en färdig produkt med alla ingående delar, en antenn, en likriktare, en lagringsenhet och ett matchningsnätverk för att anpassa antenn och likriktare till varandra. För att undersöka hur mycket energi som finns att skörda gjordes först beräkningar och sedan mätningar i bland annat ett typiskt kontor. Det konstaterades att det rör sig om väldigt låga nivåer och betonas att de apparater som använder WiFi klarar av att känna av signaler som är långt mycket lägre än de som krävs för att kunna utvinna energi. Detta innebär alltså att apparaterna kan kommunicera felfritt samtidigt som energiinnehållet är så lågt att det inte går att utvinna någon energi.Projektet ägnar stor del åt att optimera den impedansmatchning som måste ske mellan antenn och likriktare för att största möjliga effektutbyte ska kunna ske. Basen är ett kretskort med ett typiskt impedansnätverk och genom beräkningar, simuleringar och experiment tas en prototyp fram. För att kunna analysera resultaten används en mikrokontroller som tar de analoga värdena, omvandlar dem till digitala och skickar dem till en PC för analys.Mätningar gjordes i en kontorsmiljö och den maximala mängden energi som gick att utvinna var 350 mJ på 24 timmar. Energin lagrades i en superkondensator och bedöms vara tillräcklig för att driva en lågenergisensor i ca 30 sekunder.

Internet of Things (IoT) is becoming a more and more prevailing technology, as it not only makes the routine of our life easier, but it also helps industry and enteprise become more efficient. The high potential of IoT can also help support our own population on Earth, through precision agriculture, smart transportation, smart city and so on. It is therefore important that IoT is made scalable in a sustainable manner, in order to secure our own future as well.The current work is concerning transiently powered systems (TPS), which are embedded systems that use energy harvesting as their only power source. In their basic form, TPS suffer frequent reboots due to unreliable availability of energy from the environment. Initially, the throughput of such systems are therefore lower than their battery-enabled counterparts. To improve this, TPS involve checkpointing of RAM and processor state to non-volatile memory, as to keep computation progress saved throughout power loss intervals.The aim of this project is to lower the number of checkpoints necessary during an application run on a TPS in the generic case, by using approximate computing. The energy need of TPS is lowered using approximations, meaning more results are coming through when the system is working between power loss periods. For this study, the memoization technique is implemented in the form of a hash table. The Kalman filter is taken as the testing application of choice, to run on the Microchip SAM-L11 embedded platform.The memoization technique manages to yield an improvement for the Kalman application considered, versus the initial baseline version of the program. A user is allowed to ”balance” between more energy savings but more inaccurate results or the opposite, by adjusting a ”quality knob” variable epsilon ϵ.For example, for an epsilon ϵ = 0.7, the improvement is of 32% fewer checkpoints needed than for the baseline version, with the output deviating by 42% on average and 71% at its maximum point.The proof of concept has been made, being that approximate computing can indeed improve the throughput of TPS and make them more feasiable. It is pointed out however that only one single application type was tested, with a certain input trace. The hash table method implemented can behave differently depending on what application and/or data it is working with. It is therefore suggested that a pre-analysis of the specific dataset and application can be done at design time, in order to check feasiability of applying approximations for the certain case considered. / Internet of Things (IoT) håller på att bli en mer och mer utbredd teknik, eftersom det inte bara underlättar rutiner i vårt liv, utan det hjälper också industrin och företag att bli effektivare. Den höga potentialen med IoT kan också hjälpa till att ge stöd åt vår egen befolkning på jorden, genom precisionslantbruk, smart transport, smarta städer och mer. Det är därför viktigt att IoT görs skalbart på ett hållbart sätt för att säkra vår egen framtid.Det nuvarande arbetet handlar om transientdrivna system (TPS), vilket är inbäddade system som använder energiskörning som sin enda kraftkälla. I sin grundform har TPS ofta återställningar på grund av opålitlig tillgång till energi från miljön. Ursprungligen är därför sådana systems genomströmning lägre än deras batteriaktiverade motsvarigheter. För att förbättra detta använder TPS kontrollpunkter i RAM och processortillstånd till icke-flyktigt minne, för att hålla beräkningsförloppet sparat under strömförlustintervaller.Syftet med detta projekt är att sänka antalet kontrollpunkter som krävs under en applikationskörning på en TPS i ett generiskt fall, genom att använda ungefärlig datorberäkning. Energibehovet för TPS sänks med ungefärliga belopp, vilket innebär att fler resultat kommer när systemet arbetar mellan strömförlustperioder. För denna studie implementeras memoiseringstekniken i form av en hashtabell. Kalman-filtret tas som testapplikation för att köra på Microchip SAM-L11 inbäddad plattform.Memoization-tekniken lyckas ge en förbättring för Kalman-applikationen som beaktades, jämfört med den ursprungliga baslinjeversionen av programmet. En användare får ”balansera” mellan mer energibesparingar men mer felaktiga resultat eller motsatsen genom att justera en ”kvalitetsrat”-variabel epsilon ϵ. Till exempel, för en epsilon ϵ = 0.7, är förbättringen 32% färre kontrollpunkter som behövs än för baslinjeversionen, med en utdata avvikelse med 42% i genomsnitt och 71% vid sin högsta punkt.Beviset på konceptet har gjorts, att ungefärlig databeräkning verkligen kan förbättra genomströmning av TPS och göra dem mer genomförbara. Det påpekas dock att endast en enda applikationstyp testades, med ett visst inmatningsspår. Den implementerade hashtabellmetoden kan bete sig annorlunda beroende på vilken applikation och/eller data den arbetar med. Det föreslås därför att en föranalys av det specifika datasättet och applikationen kan göras vid designtidpunkten för att kontrollera genomförbarheten av att tillämpa ungefärliga belopp för det aktuella fallet.