Electrical characterization and modeling of benthic microbial fuel cells for energy harvesting

National audienceMicrobial fuel cell (MFC) is a promising energy harvester for supplying sensors in seafloors where solar, thermal and vibration sources are inadequate. Extensive efforts focus improvement of MFC biological and electrochemical capabilities while the electrical perspectives are poorly developed in literature. In order to promote MFC as energy scavenger, this paper explains the methods used to electrically characterize the specific MFC for seafloor conditions and the way to model its steady state operation close to the maximum power point. The method is applied to a compost-fed MCF delivering 5.7µW at 0.14V optimal output voltage. This work is the first step to efficiently apprehend the elaboration of an electrical harvesting interface

Modélisation électrique d'une pile microbienne sédimentaire et extraction de son énergie par un flyback en mode discontinue

National audienceLa récupération d'énergie ambiante est une solution efficace et respectueuse de l'écosystème pour alimenter de manière autonome des noeuds de capteurs, promouvant ainsi leur déploiement dans différents environnements. La pile microbienne benthique (SMFC) est un système récupérant l'énergie de la biomasse sédimentaire à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries présentes naturellement dans le milieu. Un prototype a été conçu en laboratoire et modélisé électriquement. Bien que prometteuse comme source d'énergie long terme pour des capteurs marins, ses niveaux de puissance (autour de 100µW) et de tension (0,6V en circuit ouvert) nous engage à mener une réflexion sur la conception de son interface électronique de récupération. Cette étape est cruciale pour extraire le maximum d'énergie et élever sa tension au minimum requis par le capteur (quelques volts). Afin de contrôler l'impédance d'entrée et le gain en tension indépendamment, cet article présente un convertisseur flyback en mode de conduction discontinue. A l'aide d'un modèle complet du flyback validé expérimentalement, nous avons étudié l'origine de chaque perte afin de parvenir à un compromis nous permettant de concevoir efficacement un flyback, pour des transferts de puissance n'excédant pas la centaine de µW. Nous avons ainsi pu mettre en évidence la prédominance des pertes dues à l'hystérésis du matériau magnétique utilisé pour les inductances couplées ainsi que celles engendrées par la commande du commutateur. En suivant cette méthode, nous avons pu concevoir un prototype optimisé atteignant 71% de rendement pour une source d'énergie délivrant 90µW

Lithium-ion battery SoH estimation based on incremental capacity peak tracking at several current levels for online application

In this paper, an extension to high C-rates of State of Health (SoH) diagnostic methods based on Incremental Capacity (IC) peak tracking is proposed. A set of eleven NCA Lithium-ion batteries who went under different ageing protocol is used. Charge and discharge cycles are performed at C/20, C/10, C/5 and C/2, and then used for IC analysis. Correlations between the variations of IC peaks and SoH are presented and modelized, and shown to be accurate estimators for all tested C-rates

An Incremental Capacity Parametric Model Based on Logistic Equations for Battery State Estimation and Monitoring

An incremental capacity parametric model for batteries is proposed. The model is based on Verhulst’s logistic equations and distributions in order to describe incremental capacity peaks. The model performance is compared with polynomial models and is demonstrated on a commercial lithium-ion cell. Experimental data features low-current discharges performed at temperatures ranging from −20 °C to 55 °C. The results demonstrate several advantages of the model compared to empirical models. The proposed model enables a clear description of the geometric features of incremental capacity peaks. It also doubles as an open circuit voltage model as the voltage curve can be fully recovered from parameterization on incremental capacity curves. The study of temperature sensitivity show that peak geometric parameters can be modelled as a function of temperature. An example of practical application is then displayed by using the model to estimate battery state-of-charge from voltage and temperature measurements. This example can expand to other practical applications for battery management systems such as state-of-health monitoring

Récupération d'énergie à partir de piles à combustible microbiennes benthiques

Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter.La récupération d'énergie ambiante est une solution prometteuse pour alimenter de manière autonome des noeuds de capteurs en remplacement des batteries chimiques. Néanmoins, dans certains milieux tels que les fonds océaniques, l’absence de radiations lumineuses, de vibrations mécaniques ou de gradients de température suffisants interdit le recours à la récupération d’énergie conventionnelle. La pile microbienne benthique (BMFC pour Benthic Microbial Fuel Cell), est un système permettant de valoriser électriquement l’énergie stockée dans les sédiments à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries qui y sont naturellement présentes. La BMFC ouvre ainsi la voie à la récupération d’énergie en milieu marin et promet un apport d’énergie théoriquement illimitée du fait du renouvellement constant de l’écosystème. Les niveaux de puissance (autour de 5 µW/cm² d’électrode) et de tension (environ 0,6 V en circuit ouvert) engagent à mener une réflexion sur la conception d’une interface électronique de récupération afin d’extraire le maximum d'énergie et élever sa tension au minimum requis par une électronique conventionnelle utilisée dans les capteurs environnementaux (quelques volts).Le premier chapitre de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Les BMFCs sont confectionnées avec des électrodes d’au minimum 20 cm² afin de générer une puissance « brute » d’environ 100 µW. Plusieurs piles sont caractérisées électriquement, mettant en valeur un point de puissance maximal (MPP) puis permettant de quantifier les puissances délivrées suivant les configurations (notamment lors d’une connexion en parallèle de BMFCs). Les variabilités dont sont sujettes les BMFCs se divisent en deux catégories : les premières sur le long terme (après plusieurs heures) et les secondes sur le court terme (inférieur à la seconde). La puissance au MPP peut ainsi varier de plus ou moins une décade en quelques semaines et lors d’une polarisation AC, la BMFC révèle un régime transitoire (dont l’origine sera déterminée au chapitre suivant).Le deuxième chapitre s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique de la pile en vue de concevoir de manière appropriée le circuit de récupération pour le dédier à une BMFC centimétrique dans son environnement naturel. Dans un premier temps, la BMFC est caractérisée dans le domaine « statique ». Dans un second temps, la BMFC est caractérisée dans le domaine « dynamique » (d’une microseconde à une heure) par spectroscopie d’impédance. Le modèle met ainsi en lumière deux branches RC parallèles auxquelles sont associées deux constantes de temps. Ce modèle dynamique est directement corrélé aux variabilités court-terme évoquées au chapitre 1.A l’aide du modèle « statique » équivalent d’une BMFC, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum d’énergie et maximiser le rendement de conversion aux chapitres 3 et 4. Le choix se porte sur le convertisseur hacheur à liaison indirecte isolée, dit flyback, en mode de conduction discontinue (MCD). Une étude de l’influence des différents paramètres a montré l’importance de travailler avec des valeurs d’inductance supérieures à plusieurs mH pour limiter la fréquence de découpage à quelques kHz et ainsi éviter une augmentation des pertes par commutation engendrées par l’oscillateur et le transistor de puissance. Un modèle prédisant les pertes du flyback, validé expérimentalement, a également permis de mettre en évidence la prédominance des pertes dues à l'hystérésis du matériau magnétique des inductances couplées. Cette observation a permis de proposer une fabrication sur mesure d’inductances couplées. En utilisant une électronique discrète, un convertisseur flyback a été conçu atteignant 82% de rendement pour une BMFC délivrant 90 µW. L’utilisation d’inductances couplées à l’air a également été étudiée, permettant d’atteindre un rendement de 62%, inférieur au rendement précédent en partie du fait de son inductance de fuite. Pour finir, l’analyse est étendue à des puissances trois fois plus faibles. Un rendement de 64% a ainsi été atteint à 30 µW.Un dernier chapitre s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC (présentées au chapitre 1). Du fait de son comportement commuté, le convertisseur flyback impose un courant AC en sortie de la BMFC susceptible d’engendrer des pertes dites « dynamiques » supplémentaires au sein de la BMFC. Ces pertes représentent environ la moitié de la puissance délivrée au flyback. Elles deviennent néanmoins négligeables lors de l’ajout d’une capacité de découplage de quelques µF en sortie de la BMFC. Dans un second temps, l’intérêt du suivi du MPP est discuté dans le cas de nos BMFCs. Cette stratégie d’extraction ne permet pas de maximiser le rendement de conversion du flyback. Une BMFC de 20 cm² d’électrode a ainsi démontré pouvoir délivrer suffisamment d’énergie (95 µW) pour alimenter un capteur environnemental qui, toutes les 4 s, mesure la température ambiante et l’accélération et transmet ces données par protocole bluetooth à un récepteur

Energy harvesting from benthic microbial fuel cells

La récupération d'énergie ambiante est une solution efficace et respectueuse de l'écosystème pour alimenter de manière autonome des nœuds de capteurs. La pile microbienne benthique (BMFC) est un système récupérant l'énergie de la biomasse sédimentaire à l'aide du métabolisme électro-actif des bactéries présentes naturellement dans le milieu. Bien que prometteuse comme source d'énergie long terme pour des capteurs marins, ses niveaux de puissance (autour de 100 µW) et de tension (0,6 V en circuit ouvert) nous engage à mener une réflexion sur la conception de son interface électronique de récupération. La première partie de cette thèse détaille la conception de BMFCs de taille centimétrique faites en laboratoire en maintenant des conditions proches du milieu naturel. Une seconde partie s’intéresse à caractériser et modéliser le comportement électrique des BMFCs dans le domaine statique puis dynamique, en vue de concevoir le circuit de récupération de manière appropriée. A l’aide du modèle électrique statique, une interface de récupération est définie et optimisée de manière à extraire le maximum de puissance et maximiser le rendement de conversion. Le choix se porte sur le convertisseur flyback en mode de conduction discontinue. A l’aide d’un modèle prédisant les pertes du flyback validé expérimentalement, une étude portée sur la fréquence de découpage, le rapport cyclique et le choix des inductances couplées a permis d’atteindre un rendement de 82% et 64% pour une BMFC délivrant respectivement 90 µW et 30 µW. Une dernière partie s’intéresse à optimiser l’interface de récupération en prenant en compte les différentes variabilités de la BMFC. Notamment, l’intérêt du suivi du MPP est discuté et l’influence du comportement commuté du flyback sur les pertes dynamiques supplémentaires au sein de la BMFC est analysée grâce au modèle électrique dynamique de la BMFC déduit au second chapitre.Harvesting energy in the surrounding environment is an advantageous alternative to conventional batteries for powering autonomously remote sensors in addition to processing in an eco-friendly way. Many researches currently focus on harvesting energy from solar, thermal and vibrational sources scavenged in environments near the sensor. Less analyzed in the literature, the benthic microbial fuel cell (BMFC) is an emerging harvesting technology that exploits the waste materials in the seafloors. The catalysis properties of bacteria into a couple of redox reactions convert chemical energy from the sediment into electrical energy. Although promising as a long-term energy source for marine sensors, its power levels (around 100 μW) and voltage (0.6 V in open circuit) commit us to reflect on the design of its electronic harvesting interface. The first chapter of this thesis details the design of lab-made cm2-BMFC while maintaining conditions close to the natural environment. A second chapter focuses on characterizing and modeling the electrical behavior of BMFCs in the static and dynamic domains. Thanks to the static electric model, a harvesting electrical interface is defined and optimized to extract the maximum power and maximize the conversion efficiency. The flyback converter in discontinuous conduction mode is chosen. By using a model predicting the losses of the experimentally validated flyback, we studied the choice of the switching frequency, the duty cycle and the coupled inductances. We reached an efficiency of 82% and 64% for a BMFC delivering respectively 90 μW and 30 μW. A final chapter focuses on optimizing the harvesting interface by taking into account the different variabilities of the BMFC. In particular, the interest of the MPP monitoring is discussed and the influence of the flyback switched behavior on the additional dynamic losses within the BMFC is analyzed thanks to the dynamic electrical model of the BMFC deduced in the second chapter

Strategies of Maximum Power Point Tracking for Sub-mW Benthic Microbial Fuel Cells

International audienceBenthic microbial fuel cells (MFCs) are promising alternatives to conventional batteries for powering underwater low-power sensors. Regarding performances (10's W at 100's mV for cm 2-scale electrodes), an electrical interface is required to maximize the harvested energy and boost the voltage. Because the MFCs electrical behavior fluctuates, it is common to refer to maximum power point tracking (MPPT). Using a sub-mW flyback converter, this paper compares the benefit of different MPPT strategies: either by maximizing the energy at the converter input or at the converter output , or by fixing the MFC operating point at its nominal maximum power point. A practical flyback has been validated and experimentally tested for these MPPT options showing a gain in efficiency in certain configurations. The results allow determining a power budget for MPPT controllers that should not exceed this gain. Eventually, considering typical MFC fluctuations, avoiding any MPPT controller by fixing the converter operating parameters may offer better performances for sub-mW harvesters

100 µW Coreless Flyback Converter for microbial fuel cells energy harvesting

International audience—The microbial fuel cells (MFCs) are emerging energy harvesters that are promising for the autonomous supply of seafloors remote sensors. Regarding the low voltage and power level delivered by MFC an electrical interface is required to condition the sensors needs. The flyback in discontinuous conduction mode appears to be the best candidate to extract the maximum power delivered by the MFC, to electrically isolate the sensor from the source and to boost the voltage to the one required by the energy buffering. Our work highlighted the significant impact of the magnetic core loss of coupled inductances on the power efficiency decrease, mainly due to the hysteresis and magnetic saturation even at µ-scale energy transfer. In this paper, we propose to remove the magnetic core to suppress these previously mentioned losses. The low density harvested power (100 µW for 10th cm² electrodes) and low-size constraint i.e. m 2-scale in seafloors remote sensors application allow to use 0.5 m 2 air-core inductance. By plugging a 20-cm 2 MFC delivering a maximum power of 90 µW at 0.3 V, the proposed air-core based flyback achieved 60% efficiency experimentally. This figure correctly matches simulations in which a model of the coreless coupled inductances, extracted from experimental characterizations, is used. This work is the first to validate the concept of a flyback with coreless coupled inductances harvesting 10th of µWs

A 50 μW Microbial Fuel Cell Isolated Energy Harvesting Interface Based on Air Coupled Inductors

International audienc