We model the nonlinear dynamics of a cantilever beam with tip mass system subjected to different excitation and exploit the nonlinear behavior to perform sensitivity analysis and propose a parameter identification scheme for nonlinear piezoelectric coefficients. First, the distributed parameter governing equations taking into consideration the nonlinear boundary conditions of a cantilever beam with a tip mass subjected to principal parametric excitation are developed using generalized Hamilton's principle. Using a Galerkin's discretization scheme, the discretized equation for the first mode is developed for simpler representation assuming linear and nonlinear boundary conditions. We solve the distributed parameter and discretized equations separately using the method of multiple scales. We determine that the cantilever beam tip mass system subjected to parametric excitation is highly sensitive to the detuning. Finally, we show that assuming linearized boundary conditions yields the wrong type of bifurcation. Noting the highly sensitive nature of a cantilever beam with tip mass system subjected to parametric excitation to detuning, we perform sensitivity of the response to small variations in elasticity (stiffness), and the tip mass. The governing equation of the first mode is derived, and the method of multiple scales is used to determine the approximate solution based on the order of the expected variations. We demonstrate that the system can be designed so that small variations in either stiffness or tip mass can alter the type of bifurcation. Notably, we show that the response of a system designed for a supercritical bifurcation can change to yield a subcritical bifurcation with small variations in the parameters. Although such a trend is usually undesired, we argue that it can be used to detect small variations induced by fatigue or small mass depositions in sensing applications. Finally, we consider a cantilever beam with tip mass and piezoelectric layer and propose a parameter identification scheme that exploits the vibration response to estimate the nonlinear piezoelectric coefficients. We develop the governing equations of a cantilever beam with tip mass and piezoelectric layer by considering an enthalpy that accounts for quadratic and cubic material nonlinearities. We then use the method of multiple scales to determine the approximate solution of the response to direct excitation. We show that approximate solution and amplitude and phase modulation equations obtained from the method of multiple scales analysis can be matched with numerical simulation of the response to estimate the nonlinear piezoelectric coefficients. / Master of Science / The domain of structural dynamics involves the evaluation of the structures response when subjected to time-varying loads. This field has many applications. For instance, by observing specific variations in the response of a structure such as bridge or a structural element such as a beam, one can diagnose the state of the structure or one of its elements. At much smaller scales, one can use a device to observe small variations in the response of a beam to detect the presence of bio-materials or gas particles in air. Additionally, one can use the response of a structure to harvest energy of ambient vibrations that are freely available. In this thesis, we develop a mathematical framework for evaluating the response of a cantilever beam with a tip mass to small variations in material properties caused by fatigue and to small variations in the tip mass caused by additional mass that gets bound to the structure. We also exploit the response of the beam to evaluate nonlinear material properties of piezoelectric materials that have been suggested for use in charging micro sensors, vibration control, load sensing and for high power energy transfer applications.

Das drahtlose Sensornetzwerk (WSN) ist eine Technologie, die Umgebungsbedingungen oder physikalische Parameter misst, weiterleitet und per Fernüberwachung zur Verfügung stellt. Normalerweise werden die Sensorknoten, die diese Netzwerke bilden, von Batterien gespeist. Diese sollen aus verschiedenen Gründen nicht mehr verwendet werden, sondern es wird auf eine eigenständige Stromversorgung gesetzt. Dies soll den aufwendigen Austausch und die Wartung minimieren. Energy Harvesting kann mit den Knoten verwendet werden, um die Batterien zu unterstützen und die Lebensdauer der Netzwerke zu verlängern. Aufgrund der hohen Leistungsdichte der Solarenergie im Vergleich zu verschiedenen anderen Umweltenergien sind Solarzellen die am häufigsten eingesetzten Wandler, allerdings stellt die schwankende und intermittierende Natur der Solarenergie eine Herausforderung dar, einen funktionalen und zuverlässigen Sensorknoten zu versorgen. Um den Sensorknoten effektiv zu betreiben, sollte sein Energieverbrauch sinnvoll gesteuert werden. Ein interessanter Ansatz zu diesem Zweck ist die Steuerung der Aktivitäten des Knotens in Abhängigkeit von der zukünftig verfügbaren Energie. Dies erfordert eine Vorhersage der wandelbaren Sonnenenergie für die kommenden Betriebszeiten einschließlich der freien Zeiten der Sonne. Einige Vorhersagealgorithmen wurden mit stochastischen und statistischen Prinzipien sowie mit Methoden der künstlichen Intelligenz (KI) erstellt. Durch diese Algorithmen bleibt ein erheblicher Vorhersagefehler von 5-70%, der den zuverlässigen Betrieb der Knoten beeinträchtigt. Beispielsweise verwenden die stochastischen Methoden einen diskreten Energiezustand, der meist nicht zu den tatsächlichen Messwerten passt. Die statistischen Methoden verwenden einen Gewichtungsfaktor für die zuvor registrierten Messwerte. Daher sind sie nur geeignet, um Energieprofile bei konstanten Wetterbedingungen vorherzusagen. KI-Methoden erfordern große Beobachtungen im Trainingsprozess, die den benötigten Speicherplatz erhöhen. Dementsprechend ist die Leistung hinsichtlich der Vorhersagegenauigkeit dieser Algorithmen nicht ausreichend. In dieser Arbeit wird ein Vorhersagealgorithmus mit einem neuronalen Netzwerk entwickelt und eingebunden in einen Mikrocontroller, um die Verwaltung des Energieverbrauchs von solarzellengesteuerten Sensorknoten zu optimieren. Das verwendete neuronale Netzwerk wurde mit einer Kombination aus meteorologischen und statistischen Eingangsparametern realisiert. Dies hat zum Ziel, die erforderlichen Designkriterien für Sensorknoten zu erfüllen und eine Leistung zu erreichen, die in ihrer Genauigkeit die Leistung der oben genannten traditionellen Algorithmen übersteigt. Die Vorhersagegenauigkeit die durch den Korrelationskoeffizienten repräsentiert wird, wurde für das entwickelte neuronale Netzwerk auf 0,992 bestimmt. Das genaueste traditionelle Netzwerk erreicht nur einen Wert von 0,963. Das entwickelte neuronale Netzwerk wurde in einen Prototyp eines Sensorknotens integriert, um die Betriebszustände oder -modi über einen Simulationszeitraum von einer Woche anzupassen. Während dieser Zeit hat der Sensorknoten 6 Stunden zusätzlich im Normalbetrieb gearbeitet. Dies trug dazu bei, eine effektive Nutzung der verfügbaren Energie um ca. 3,6% besser zu erfüllen als das genaueste traditionelle Netz. Dadurch wird eine längere Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Sensorknotens erreicht. / Wireless Sensor Network (WSN) is a technology that measures an environmental or physical parameters in order to use them by decision makers with a possibility of remote monitoring. Normally, sensor nodes that compose these networks are powered by batteries which are no longer feasible, especially when they used as fixed and standalone power source. This is due to the costly replacement and maintenance. Ambient energy harvesting systems can be used with these nodes to support the batteries and to prolong the lifetime of these networks. Due to the high power density of solar energy in comparison with different environmental energies, solar cells are the most utilized harvesting systems. Although that, the fluctuating and intermittent nature of solar energy causes a real challenge against fulfilling a functional and reliable sensor node. In order to operate the sensor node effectively, its energy consumption should be well managed. One interesting approach for this purpose is to control the future node’s activities according to the prospective energy available. This requires performing a prior prediction of the harvestable solar energy for the upcoming operation periods including the sun’s free times. A few prediction algorithms have been created using stochastic and statistical principles as well as artificial intelligence (AI) methods. A considerable prediction error of 5-70% is realized by these algorithms affecting the reliable operation of the nodes. For example, the stochastic ones use a discrete energy states which are mostly do not fit the actual readings. The statistical methods use a weighting factors for the previous registered readings. Thus, they are convenient only to predict energy profiles under consistent weather conditions. AI methods require large observations to be used in the training process which increase the memory space needed. Accordingly, the performance concerning the prediction accuracy of these algorithms is not sufficient. In this thesis, a prediction algorithm using a neural network has been proposed and implemented in a microcontroller for managing energy consumption of solar cell driven sensor nodes. The utilized neural network has been developed using a combination of meteorological and statistical input parameters. This is to meet a required design criteria for the sensor nodes and to fulfill a performance exceeds in its accuracy the performance of aforementioned traditional algorithms. The prediction accuracy represented by the correlation coefficient has been registered for the developed neural network to be 0.992, which increases the most accurate traditional network which has a value 0.963. The developed neural network has been embedded into a sensor node prototype to adjust the operating states or modes over a simulation period of one week. During this period, the sensor node has worked 6 hours more towards normal operation mode. This in its role helped to fulfill an effective use of available energy approximately 3.6% better than the most accurate traditional network. Thus, longer lifetime and more reliable sensor node.

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Cette thèse a pour but de découvrir la faisabilité et le potentiel de la récupération d'énergie à partir de rafales atmosphériques pour les micro et mini véhicules aériens sans pilote. L'atmosphère sert de grande source d'énergie pouvant être récoltée afin d'accroître la performance des petits UAV sous la forme d'une autonomie et d'une autonomie étendues. Il est bien connu que de nombreuses espèces d'oiseaux utilisent diverses techniques de vol pour obtenir des performances de vol étonnantes. Compte tenu du fait que les véhicules susmentionnés partagent la taille et la vitesse de vol avec des dépliants naturels, cette thèse peut être considérée comme une application des techniques de vol bio-inspirées pour les véhicules construits par l’homme. Cette étude de trois ans visait à établir une dérivation théorique des équations qui décrivent la dynamique de vol d'un aéronef en présence d'un environnement en rafales. La première réalisation a été la démonstration du mécanisme de récupération d'énergie et des paramètres d'influence à travers des simulations décrivant le vol en modèle de masse ponctuelle d'aéronef avec un contrôle optimisé de l'ascenseur en présence d'un profil de vent sinusoïdal et stochastique. La réalisation suivante est liée à un système sensoriel inspiré par la biologie qui utilise des mesures de pression des ailes pour estimer l’angle d’attaque local. Ce système particulier a été utilisé dans l’estimation du champ de vent, en tant que mécanisme décisif et protection contre le décrochage. Enfin, les dernières contributions sont liées à l’expérience et aux résultats obtenus lors d’essais en vol visant à prouver l’augmentation de l’état énergétique de l’avion lors des manœuvres de récupération d’énergie. La première campagne d'essais en vol a été réalisée avec un mini-UAV disponible dans le commerce équipé de sondes à trous multiples et d'un contrôleur conçu sur mesure. Cette campagne a démontré l’augmentation de l’état d’énergie dans un fort gradient de vent horizontal. La deuxième campagne d'essais en vol a été réalisée avec une aile volante équipée d'un système de détection de pression pour l'estimation du champ de vent. Cette campagne a également impliqué des économies supplémentaires sur la consommation d'énergie électrique lors des vols de récupération d'énergie. / This thesis aims at discovering the feasibility and potential of energy-harvesting from atmospheric gusts for micro and mini unmanned aerial vehicles. The atmosphere serves as a great source of energy that can be harvested in order to increase performance of small UAVs in form of extended endurance and range. It is well known that many bird species use various flight techniques for achieving astonishing flight performances. Considering the fact that aforementioned vehicles share size and flight speed with natural flyers, this thesis can be considered as an application of bioinspired flight techniques for man made vehicles. This three-year study set out to establish a theoretical derivation of equations that describe flight dynamics of an aircraft in presence of gusty environment. The first achievement was demonstration of energy harvesting mechanism and influencing parameters through simulations that describe aircraft point mass model flight with optimized control of elevator in presence of sinusoidal and stochastic wind profile. The next achievement is related to a biologically inspired sensory system that uses wing pressure measurements for local angle of attack estimation. That particular system found purpose in wind field estimation, as decisive mechanism and stall protection. Finally, last contributions are related to experience and results gained from flight tests which aimed to prove increase in energy state of the aircraft while performing energy harvesting maneuvers. The first flight test campaign was performed with commercially available mini UAV equipped with multi-hole probes and custom designed controller. This campaign demonstrated the raise in energy state within strong horizontal wind gradient. The second flight test campaign was done with a flying wing equipped with pressure sensing system for wind field estimation. This campaign also involved additional insight savings in electrical power consumption during energy harvesting flights.

Un des défis majeurs de l’Internet des Objets et, plus généralement, des tous les réseaux de capteurs sans fils, c’est l’alimentation de chaque nœud connecté. La solution la plus commune est d’équiper chaque dispositif d’une batterie mais cela introduit plusieurs contraintes, qui mettent en question la faisabilité de cette approche sur le long terme (durée de vie limité, couts de gestion élevé, empreinte écologique).Cette thèse développe une possible solution basée sur la transmission sans-fils de l’énergie. Un récupérateur d’énergie RF, composé d’une antenne, un redresseur haute-fréquence et un convertisseur élévateur, est présenté. Ce système permet de récupérer les ondes électromagnétiques et de produire une tension continue en sortie, qui peut être utilisé pour alimenter des microcontrôleurs ou des capteurs. L’absence d’une batterie interne augmente la flexibilité globale, surtout pour les situations où le remplacement n’est pas possible (ex. dispositifs implantés, nombre élevé de nœuds, milieux dangereux). Une étude approfondie sur les redresseur intégrés ultra-haute-fréquence de type Schottky et MOS a été mené ; plusieurs topologies ont été analysées et optimisées. De plus, l’utilisation d’un convertisseur élévateur a été envisagée, dans le but d’accroitre la tension en sortie ; une première version discrète et puis une plus compacte version intégrée, ont été abordées et testées. Ces développements ont permis d’aboutir à un récupérateur complet, potentiellement capable d’alimenter un microcontrôleur du commerce. / One of the challenges of the Internet of Things and, more in general, of every wireless sensor network is to provide electrical power to every single one of its smart nodes. A typical solution uses batteries but various major concerns reduce the long-term feasibility of this approach (limited lifetime, maintenance and replacement costs, and environmental footprint).This thesis develops a possible solution based on the wireless transmission of power. A complete RF harvester composed of an antenna, a UHF rectifier and a step-up voltage converter is presented. This system captures electromagnetic waves and converts them to a stable DC voltage to supply power to common logic circuits like microcontrollers and sensors. The lack of an internal battery provides an extended flexibility, especially when its replacement is not a viable option (ex. implanted devices, large number of nodes, dangerous environments, etc.). An in-depth study of integrated Schottky and CMOS UHF rectifiers is carried out; various topologies and optimizations are analyzed. Moreover, the use of an additional step-up converter is proposed in order to increase the system output voltage; an early discrete implementation and a final, more compact, integrated version are discussed and tested. These developments lead to a complete system capable of potentially powering an application with an off-the-shelf microcontroller.

La récupération d'énergie thermique basée sur les générateurs thermoélectriques (TEG) est utilisée dans de nombreuses applications telles que les dispositifs médicaux auto-alimentés. La sûreté de fonctionnement et la continuité de service de ces systèmes sont aujourd'hui des préoccupations majeures. Ainsi, toute défaillance au niveau d'un des interrupteurs commandables de la circuiterie électronique d'interface peut provoquer de graves dysfonctionnements du système. Tout défaut non détecté et non compensé peut mettre en danger l'ensemble du système et interrompt l'alimentation en énergie de la charge. Par conséquent, la mise en œuvre d'une compensation de défaut efficace et rapide est impérative afin d'assurer la continuité de service. Dans ces travaux de recherche, nous étudions la continuité de service d'une interface électronique pour TEG basée sur une conversion à deux étages Buck/Buck-Boost cascadés. Une modélisation électrique générique (modèle de Thévenin) du TEG sous différentes conditions de fonctionnement et prenant en compte l'ensemble des résistances thermiques de contact est tout d'abord présentée. Ensuite, une méthode de compensation de défaut de type circuit-ouvert au niveau de l'interrupteur commandable de l'un des deux convertisseurs DC-DC est également proposée. Nous présentons une topologie originale de convertisseur DC-DC à tolérance de pannes, sans redondance matérielle classique. Cette topologie permet d'assurer la continuité de service du système de récupération d'énergie en mode nominal. Les études théoriques ont été validées par simulation et par des tests expérimentaux / Thermal energy harevsting based on thermoelectric generators is used in many applications such as self-powered medical devices. The reliability and continuity of service of these systems are now major concerns. Furthermore, any failure in the controllable switch of the electronic interface circuitry can cause serious system malfunctions. Any undetected and uncompensated fault can endanger the entire system and interrupt the power supply to the load. Therefore, the implementation of an efficient and rapid fault compensation is imperative in order to ensure the continuity of service. In this research, we study the continuity of service of an electronic interface for TEG, based on a two-stage conversion cascaded Buck/Buck-Boost. A generic electrical modeling of the TEG model under different operating conditions and with taking into account all the thermal contact resistances is first presented. Next, an open-circuit fault compensation method of the controllable switch of one of the two DC-DC converters is also proposed. We present an original fault-tolerant DC-DC converter topology with no conventional hardware redundancy. This topology ensures the continuity of service of the energy recovery system in nominal mode. Theoretical studies were validated by simulation and experimental tests

Le concept de la récupération d'énergie se rapporte généralement au processus d'utilisation de l'énergie ambiante, qui est converti, principalement (mais pas exclusivement) en énergie électrique pour faire fonctionner des dispositifs électroniques petites et autonomes. Les tendances récentes à la fois dans l'industrie et au domaine de la recherche ont mis l'accent sur les polymères électro-actifs pour la conversion d'énergie électromécanique. Cet intérêt s'explique par de nombreux avantages tels que la productivité élevée, la grande flexibilité, et la facilité de traitement. Le but de ce travail de recherche est d’explorer la potentialité des polymères électro-actifs pour une application de récupération d’énergie mécanique ambiante. Dans la première partie, une synthèse des composites à base de polyuréthane (PU) et de P(VDF-TrFE-CFE) a été réalisée, suivie d’une caractérisation électrique et mécanique de ces polymères et composites afin d’évaluer leurs paramètres intrinsèques. La seconde partie de ce travail de thèse concerne la caractérisation électromécanique de ces polymères. Un modèle analytique électromécanique est mise en place afin de déterminer finement le comportement physique des polymères électrostrictifs ainsi que les variations de leurs paramètres intrinsèques. Ce modèle analytique est validé par une série de tests à travers un banc d’essai. La dernière partie de ce travail consiste à évaluer les performances électromécaniques des polymères électrostrictifs pour la récupération d’énergie mécanique. Deux nouvelles techniques sont testées afin de maximiser la densité d’énergie récupérée. Ainsi qu’une comparaison avec les méthodes classiques a été réalisée. Un excellent potentiel de ces techniques pour la récupération d'énergie a été démontré. Le deuxième point porte sur l’étude de l’efficacité de la conversion électromécanique pour la récupération d’énergie mécanique en utilisant l'analyse spectrale FFT. Il a été montré que cette méthode permet de prévoir le rendement énergétique de nos polymères en accord avec les prédictions théoriques. Le dernier point se focalise sur l’amélioration de cette efficacité de conversion électromécanique en utilisant des électrets de polypropylène cellulaire, afin d’assurer un meilleur rendement énergétique. / The concept of energy harvesting generally relates to the process of using ambient energy, which is converted, primarily (but not exclusively) into electrical energy in order to power small and autonomous electronic devices. Recent trends in both industrial and research fields have focused on electro-active polymers for electromechanical energy conversion. This interest is explained by many advantages such as high productivity, high flexibility, and processability. The purpose of this research work is to explore the potential of electro-active polymers for application of mechanical energy harvesting. At first, a synthesis of the composite based on polyurethane (PU) and P (VDF-TrFE-CFE) was performed, followed by electrical and mechanical characterization of these polymers and composites in order to evaluate their intrinsic parameters. The second part of this thesis concerns electromechanical characterization of these polymers. An electromechanical analytic modeling is detailed in order to determine the physical behavior of electrostrictive polymers and the variations of intrinsic parameters. This modeling is validated by a series of tests using a test bench. The last part of this work consists to evaluate the electromechanical performance of electrostrictive polymers for the mechanical energy harvesting. Two new techniques are tested in order to maximize the density of energy recovered. As well as a comparison against those classic has been performed. Excellent potential of these techniques for energy harvesting has been demonstrated. The second point is about the study of the electromechanical conversion efficiency for scavenging mechanical energy using spectral analysis FFT. It was shown that this method allows predicting the energy efficiency of our polymers, in accordance with the results predicted by the model. The last point focuses on improving the efficiency of electromechanical conversion by using cellular polypropylene electrets to ensure better energy efficiency.

La décroissance de la consommation électrique des dispositifs électroniques leur a permis une croissance sans précédent. Néanmoins, les éléments de stockage d’énergie (piles et batteries), bien qu’ayant initialement promus ce développement, sont devenus un frein à la prolifération des microsystèmes électroniques, de part leur durée de vie limitée ainsi que des considérations environnementales (recyclage). Pour palier à ce problème, la possibilité d’exploiter l’énergie de l’environnement immédiat du dispositif a été proposée et a fait l’objet de nombreuses recherches au cours des dernières années. En particulier, la récupération d’énergie mécanique exploitant l’effet piézoélectrique est l’une des pistes les plus étudiées actuellement pour la conception de microgénérateurs autonomes capables d’alimenter les dispositifs électroniques. Par ailleurs, dans ce domaine, il a été démontré qu’un traitement non-linéaire de la tension de sortie de l’élément actif permet d’améliorer les capacités de récupération de l’énergie vibratoire. L’une de ces approches, nommée «Synchronized Switch Harvesting on Inductor» (récupération par commutation synchronisée sur inductance) et consistant en une inversion de la tension de manière synchrone avec le déplacement, s’est montrée particulièrement efficace, pouvant augmenter la quantité d’énergie récupérée par un facteur supérieur à 10. Cette dernière conduit à un processus cumulatif qui augmente artificiellement la tension de sortie de l’élément piézoélectrique ainsi qu’à une réduction du déphasage entre tension et vitesse de déplacement ; ces deux effets conduisant à l’augmentation importante des capacités de conversion. Néanmoins, l’étude des microgénérateurs d’énergie s’est quasiment toujours faite en considérant une excitation sinusoïdale, ce qui correspond rarement à la réalité. Peu de travaux expérimentaux, et encore moins théoriques, ont été menés en considérant une excitation large bande ; ceci étant d’autant plus vrai pour les dispositifs incluant un élément non-linéaire. Ainsi l’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement des récupérateurs d’énergie piézoélectriques interfacés de manière non-linéaire. Pour ce faire, différentes approches seront envisagées, en considérant le processus de commutation comme un « auto-échantillonnage » du signal, ou en appliquant des théories d’analyse stochastique pour quantifier les performances du dispositif. Ainsi, plusieurs formes d’excitation appliquée au système pourront être analysées, permettant d’étudier la réponse du système sous des conditions plus réalistes. Toujours dans l’optique d’une implémentation réaliste, un autre objectif de cette thèse consistera à évaluer l’impact de la récupération d’énergie par couplage sismique sur la structure hôte, démontrant la nécessité d’envisager le système dans sa globalité afin de disposer de systèmes performants capables de convertir efficacement l’énergie vibratoire sous forme électrique pour un usage ultérieur. / A nonlinear interface consisting in a switching device has been proved to improve the piezoelectric harvester performance. Although existing works are usually done under single frequency excitation. practical cases are more likely broadband and random. In addition, the coupling effect due to the harvesting process is also an interesting issue to discuss. In terms of energy conversion process in seismic piezoelectric harvesters, mechanical interactions between host structure and harvester is an essential issue as well. The purpose of this work is to analysis seismic type piezoelectric harvesters from a practical perspective and to provide an optimal design of the latter. The broadband modeling based on the concepts of self-sampling and self-aliasing is described under broadband excitations for the nonlinear interface called "Periodic Switching Harvesting on Inductor" (PSHI). For this technique, the switching device is considered to be turned on at a fixed switching frequency. Then stochastic modeling is applied to have mathematical expressions that can describe broadband performance of the harvester with power spectral density (PSD) function of signals. As the switch is turned on at a given frequency, the modeling can be derived using cyclostationary theory. The effectiveness of stochastic modeling is validated with experimental measurements and time-domain iterative calculations, and the harvester performance under a band-limited noise excitation is discussed under bell-curved spectra excitations. An optimal switching frequency slightly less than twice the harvester resonant frequency is proved to have the optimal power output under the optimal resistive load. This switching frequency is however dependent on the electromechanical coupling factor of the harvester. Another part of this work discusses the interaction between the host structure and the harvester. The analysis is conducted with a Two-Degree-of-Freedom (TDOF) model. An energy conversion loop is therefore formed between the host structure and the harvester, within the harvester and the resistive load. The TDOF model is verified with Finite Element model and experimental work. An optimal mass ratio is proved to provide the maximal power output. The modeling is further applied to a practical self-powered Structural Health Monitoring system providing the best design of the harvester. A practical consideration of the broadband excitation is also introduced showing the effect of frequency detuning between the host structure and the harvester. Compared to constant force factor case, the harvester performance with a constant electromechanical coupling factor is surprisingly with very little decreases due to the mismatching of harvester and host structure resonant.

La récupération d'énergie par élément piézoélectrique est une technique prometteuse pour les futurs systèmes électroniques nomades autoalimentés. L'objet de ce travail est d’analyser des approches simples et agiles d’optimisation de la puissance produite par un générateur piézoélectrique. D'abord le problème de l’optimisation de l’impédance de charge d’un générateur piézoélectrique sismique est posé. Une analyse du schéma équivalent global de ce générateur a été menée sur la base du schéma de Mason. Il est démontré que la puissance extraite avec une charge complexe adaptée puisse être constante quelle que soit la fréquence et que de plus elle est égale à la puissance extraite avec la charge résistive adaptée du même système sans pertes. Il est montré toutefois que la sensibilité de cette adaptation à la valeur de la réactance de la charge la rend difficilement réaliste pour une application pratique. Une autre solution pour améliorer l’énergie extraite est de considérer un réseau de générateurs positionnés en différents endroits d’une structure. Des simulations sont proposées dans une configuration de récupération d’énergie de type directe sur une plaque encastrée. Les générateurs piézoélectriques, associés à la technique SSHI, ont été reliés selon différentes configurations. Les résultats attestent que l’énergie produite ne dépend pas de façon critique de la manière dont sont connectés les éléments. Toutefois l’utilisation d’un seul circuit SSHI pour l’ensemble du réseau dégrade l’énergie extraite du fait des interactions entre les trop nombreuses commutations. Enfin une nouvelle approche non-linéaire est étudiée qui permet l’optimisation de l’énergie extraite tout en gardant une grande simplicité et des possibilités d’auto alimentation. Cette technique appelée S3H pour « Synchronized Serial Switch Harvesting » n’utilise pas d’inductance et consiste en un simple interrupteur en série avec l’élément piézoélectrique. La puissance récupérée est le double de celle extraite par les méthodes conventionnelles et reste totalement invariante sur une large gamme de résistances de charge. / Piezoelectric energy harvesting is a promising technique for battery-less miniature electronic devices. The object of this work is to evaluate simple and robust approaches to optimize the extracted power. First, a lightweight equivalent circuit derived from the Mason equivalent circuit is proposed. It’s a comprehensive circuit, which is suitable for piezoelectric seismic energy harvester investigation and power optimization. The optimal charge impedance for both the resistive load and complex load are given and analyzed. When complex load type can be implemented, the power output is constant at any excitation frequency with constant acceleration excitation. This power output is exactly the maximum power that can be extracted with matched resistive load without losses. However, this wide bandwidth optimization is not practical due to the high sensitivity the reactive component mismatch. Another approach to improve power extraction is the capability to implement a network of piezoelectric generators harvesting on various frequency nodes and different locations on a host structure. Simulations are conducted in the case of direct harvesting on a planar structure excited by a force pulse. These distributed harvesters, equipped with nonlinear technique SSHI (Synchronized Switching Harvesting on Inductor) devices, were connected in parallel, series, independently and other complex forms. The comparison results showed that the energy output didn’t depend on the storage capacitor connection method. However, only one set of SSHI circuit for a whole distributed harvesters system degrades the energy scavenging capability due to switching conflict. Finally a novel non-linear approach is proposed to allow optimization of the extracted energy while keeping simplicity and standalone capability. This circuit named S3H for “ Synchronized Serial Switch Harvesting” does not rely on any inductor and is constructed with a simple switch. The power harvested is more than twice the conventional technique one on a wide band of resistive load.

This study focuses on utilizing an energy harvesting system in which a dedicated Radio Frequency (RF) power source transmits RF power via rebar in a reinforced concrete column. The RF power is received and decoupled by a receiver, and is then rectified, boosted, and stored as electrical energy in a supercapacitor, later to be used to make measurements, process data, and communicate to the source via rebar. Two design attempts are presented in this study: (a) one uses single line conduction at 2.4 GHz for RF power transfer; (b) the other uses a more conventional two-line conduction at 8.0 kHz for RF power transfer. Both designs were unsuccessful: (a) the 2.4 GHz attempt demonstrated that no detectable RF power propagated through the concrete medium; (b) the 8.0 kHz attempt demonstrated that too much of the RF power was attenuated through the concrete medium for the energy harvesting circuitry work properly. A potential third design approach is posited in the conclusion of this study. In addition to investigating power transfer designs, a study on the energy harvesting circuitry was performed. A Two-Stage Dickson Multiplier was utilized in conjunction with a Texas Instruments BQ25504 Ultra-Low Power Energy Harvesting Circuit. For these two components to function best, it was shown that the BQ25504’s input filtering capacitor needed to be on the same order of magnitude as the charging capacitors of the Two-Stage Dickson Multiplier, otherwise, if the filtering capacitor was comparatively too large, it would short the output of the Two-Stage Dickson Multiplier. With that said, the lowest power input observed was at 7.83 dBm, but with lower input powers expected to be achievable. Nevertheless, since the second design attempt showed power losses were too significant, it was deemed that at present, unless the power transfer design were improved, then contemporary commercial off the shelf energy harvesting approaches are insufficient.