Linear electromagnetic energy harvester system embedded on a vehicle suspension: From modeling to performance analysis

Although linear electromagnetic energy harvester (LEH) is a promising technique for converting energy in a vehicle suspension, due to the large displacements, one of the main drawbacks of the solutions inside the vehicle is still their size and complexity. To address this issue, this paper focuses on the design and fabrication of a fully embedded LEH without any modification of the suspension initial structure. After a determination of the electrical, mechanical and electromechanical parameters using a Finite Element analysis, the dynamic efficiency is highlighted with a global Bond Graph model. This formalism is well adapted to simulate energy transfers inside multiphysic systems and to reduce the computational time, whereas the finite element model is not exploitable for a complete suspension simulation. In order to validate the Bond Graph simulation results, an embedded prototype has been built and tested in a laboratory environment. The embedded LEH system delivers around 10 W for a solicitation of linear velocity of 1 m/s which is sufficient to power a classical electronic circuit which is in good correlation with the measured ones and significant power has been obtained

Modeling, simulation and implementation of an energy recovery system : application to a semi-active autonomous damper

Ce travail est consacré à l’étude et à la mise au point de récupérateurs d’énergie intégrés à une suspension automobile afin par exemple d’alimenter soit un microcontrôleur, soit des capteurs, soit de réaliser le contrôle santé des pièces ou encore de rendre l’amortisseur au sein d’une suspension d’un véhicule semi-actif autonome en fonction du niveau d’énergie disponible. Compte tenu des types de déplacement disponible dans la suspension, il est naturel de s’orienter vers des techniques électromagnétiques pour la récupération d’énergie liée aux grands déplacements et vers des techniques piézoélectriques pour les vibrations. L’utilisation de tels systèmes s’avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus pour les mettre en œuvre. En premier lieu, une parfaite connaissance des techniques de conversion piézoélectrique et électromagnétique est nécessaire. Dans ce but, le langage Bond Graph est utilisé et appliqué avec succès sur l’ensemble du système de suspension ainsi que sur les récupérateurs d’énergie en raison de sa capacité à traduire les effets physiques et les échanges énergétiques au sein de systèmes multiphysiques. D’autre part, des confrontations simulation/expérience sont réalisées en laboratoire sur chacun des récupérateurs d’énergie piézoélectrique et électromagnétique, afin de s’assurer du bon fonctionnement de ces systèmes lors de leurs intégrations dans un véhicule réel. Ainsi, des défauts de nature différente comme la force magnétique déformant le mouvement de translation de l’amortisseur, la mauvaise conduction des lignes de champ magnétique ou les endommagements du matériau piézoélectrique lors d’essais répétés, sont analysés dans les premiers démonstrateurs afin d'être ensuite corrigés. Enfin, un modèle global de suspension automobile intégrant simultanément les deux sous-systèmes de récupération d’énergie est étudié. Afin de compléter cette analyse, une modélisation du circuit de restitution et du stockage d’énergie est également proposée et permet une étude qualitative et quantitative des performances des systèmes de récupération d’énergie piézoélectrique et électromagnétique. Les résultats issus de ces modèles sont exploités dans le but de concevoir des récupérateurs d’énergie s’adaptant au mieux au domaine de l'automobile. Pour conclure, des tests sur route avec le récupérateur d’énergie piézoélectrique démontrent la validité de l’analyse théorique et la faisabilité des techniques développées.This work is devoted to the study and the development of energy harvesters integrated in an automobile suspension, for example to supply either a microcontroller or sensors, or to perform an health check of parts or render semi-active the shock absorber within a suspension of an autonomous vehicle according to the level of energy available. Given the types of displacement available in the suspension, it is natural to move towards electromagnetic techniques for energy recovery related to large displacements and to piezoelectric techniques for vibrations. However, the use of such systems is complex and a number of technical issues need to be addressed to implement them. First, a perfect knowledge of piezoelectric and electromagnetic conversion techniques is required. To this end, the Bond Graph language is used and successfully applied to the entire suspension system as well as energy harvesters because of its ability to translate physical effects and energy exchanges into multiphysics systems. Furthermore, simulation / experiment confrontations are carried out in the laboratory on each of the piezoelectric and electromagnetic energy harvesters, to ensure the proper functioning of these systems during their integration into a real vehicle. Thus, defects of different nature such as the magnetic force deforming the translation movement of the damper, the poor conduction of the magnetic field lines or the damage of the piezoelectric material during repeated tests, are analyzed in the first demonstrators in order to be corrected. Finally, a global model of automobile suspension simultaneously integrating the two subsystems of energy recovery is studied. To complete this analysis, a modeling of the circuit of restitution and energy storage is also proposed and allows a qualitative and quantitative study of the performances of piezoelectric and electromagnetic energy recovery systems. The results from these models are used to design energy recovery systems that best fit the automotive field. To conclude, road tests with the piezoelectric energy harvesters demonstrate the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the techniques developed

Modélisation, simulation et mise en œuvre d’un système de récupération d’énergie. Application à un amortisseur semi-actif autonome

This work is devoted to the study and the development of energy harvesters integrated in an automobile suspension, for example to supply either a microcontroller or sensors, or to perform an health check of parts or render semi-active the shock absorber within a suspension of an autonomous vehicle according to the level of energy available. Given the types of displacement available in the suspension, it is natural to move towards electromagnetic techniques for energy recovery related to large displacements and to piezoelectric techniques for vibrations. However, the use of such systems is complex and a number of technical issues need to be addressed to implement them. First, a perfect knowledge of piezoelectric and electromagnetic conversion techniques is required. To this end, the Bond Graph language is used and successfully applied to the entire suspension system as well as energy harvesters because of its ability to translate physical effects and energy exchanges into multiphysics systems. Furthermore, simulation / experiment confrontations are carried out in the laboratory on each of the piezoelectric and electromagnetic energy harvesters, to ensure the proper functioning of these systems during their integration into a real vehicle. Thus, defects of different nature such as the magnetic force deforming the translation movement of the damper, the poor conduction of the magnetic field lines or the damage of the piezoelectric material during repeated tests, are analyzed in the first demonstrators in order to be corrected. Finally, a global model of automobile suspension simultaneously integrating the two subsystems of energy recovery is studied. To complete this analysis, a modeling of the circuit of restitution and energy storage is also proposed and allows a qualitative and quantitative study of the performances of piezoelectric and electromagnetic energy recovery systems. The results from these models are used to design energy recovery systems that best fit the automotive field. To conclude, road tests with the piezoelectric energy harvesters demonstrate the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the techniques developed.Ce travail est consacré à l’étude et à la mise au point de récupérateurs d’énergie intégrés à une suspension automobile afin par exemple d’alimenter soit un microcontrôleur, soit des capteurs, soit de réaliser le contrôle santé des pièces ou encore de rendre l’amortisseur au sein d’une suspension d’un véhicule semi-actif autonome en fonction du niveau d’énergie disponible. Compte tenu des types de déplacement disponible dans la suspension, il est naturel de s’orienter vers des techniques électromagnétiques pour la récupération d’énergie liée aux grands déplacements et vers des techniques piézoélectriques pour les vibrations. L’utilisation de tels systèmes s’avère cependant complexe et un certain nombre de points techniques doivent être résolus pour les mettre en œuvre. En premier lieu, une parfaite connaissance des techniques de conversion piézoélectrique et électromagnétique est nécessaire. Dans ce but, le langage Bond Graph est utilisé et appliqué avec succès sur l’ensemble du système de suspension ainsi que sur les récupérateurs d’énergie en raison de sa capacité à traduire les effets physiques et les échanges énergétiques au sein de systèmes multiphysiques. D’autre part, des confrontations simulation/expérience sont réalisées en laboratoire sur chacun des récupérateurs d’énergie piézoélectrique et électromagnétique, afin de s’assurer du bon fonctionnement de ces systèmes lors de leurs intégrations dans un véhicule réel. Ainsi, des défauts de nature différente comme la force magnétique déformant le mouvement de translation de l’amortisseur, la mauvaise conduction des lignes de champ magnétique ou les endommagements du matériau piézoélectrique lors d’essais répétés, sont analysés dans les premiers démonstrateurs afin d'être ensuite corrigés. Enfin, un modèle global de suspension automobile intégrant simultanément les deux sous-systèmes de récupération d’énergie est étudié. Afin de compléter cette analyse, une modélisation du circuit de restitution et du stockage d’énergie est également proposée et permet une étude qualitative et quantitative des performances des systèmes de récupération d’énergie piézoélectrique et électromagnétique. Les résultats issus de ces modèles sont exploités dans le but de concevoir des récupérateurs d’énergie s’adaptant au mieux au domaine de l'automobile. Pour conclure, des tests sur route avec le récupérateur d’énergie piézoélectrique démontrent la validité de l’analyse théorique et la faisabilité des techniques développées

DISPOSITIF DE SUSPENSION A DISPOSITIF ELECTROMAGNETIQUE INTEGRE DE RECUPERATION D'ENERGIE

L'invention concerne un dispositif de suspension d'un équipage mobile tel qu'au moins une roue par rapport à un châssis - notamment un châssis de véhicule - comprenant un amortisseur linéaire incorporant un dispositif de récupération d'énergie comprenant une pluralité de bobinages (33) logés à l'intérieur du corps (13) d'amortisseur, et un circuit électrique de liaison des différents bobinages (33) entre eux, et une succession d'aimants (43) permanents portés par la tige (16) d'amortisseur, ladite succession d'aimants (43) permanents et lesdits bobinages (33) étant agencés de telle sorte que le déplacement axial relatif de la tige (16) et des aimants (43) permanents dans les bobinages (33) induit une tension électrique dans ces derniers

Démonstrateur de "Quart de véhicule" à l'échelle 1/5

National audienceLa société SOBEN, à Cahors, spécialiste en amortisseurs automobiles et aéronautiques de hautes performances, a développé un démonstrateur " Quart de Véhicule " à l'échelle 1/5ème destiné à l'enseignement supérieur tel que les universités et les écoles d'ingénieurs. L'optimisation des suspensions est l'un des défis actuels dont les constructeurs automobiles doivent répondre en proposant des solutions innovantes et performantes incluant l'électronique dans leurs conceptions. De part ses nombreuses fonctionnalités, ce démonstrateur va permettre aux étudiants de traiter de nombreux sujets d'études multi-domaines mêlant l'automatique, la mécanique, mais aussi la gestion et la récupération d'énergie au travers d'un récupérateur d'énergie externe

Modeling of an Electromechanical Energy Harvesting System using an Linear Movement

National audienceThe complexity of today's vehicles is constantly increasing with new devices enhancing safety or comfort. Unfortunately, these new devices need energy to operate and sometimes their installation and, more precisely, their wiring is difficult because of moving parts or it complicates maintenance activities. This abstract presents the design, modeling and bench experiments of an energy recovery system that can be easily integrated in a car suspension. This work is the result of the collaboration between SOBEN company and ESTIA Recherche

MODELING OF AN ELECTROMECHANICAL ENERGY HARVESTING SYSTEM INTEGRATED IN CAR DAMPERS

International audienceThe complexity of today's vehicles is constantly increasing with new devices enhancing safety or comfort. Unfortunately, these new devices need energy to operate and sometimes their installation and more precisely their wiring is difficult because of moving parts or it complicates maintenance activities. This is the case for the anti-lock braking system (ABS). These systems require energy to power the sensors that allow them to measure the rotating speed of the wheels, but the sensors must be installed on the un-sprung mass side. This article presents an energy recovery system that can be easily integrated in a conventional shock absorber. This work is the result of a collaboration between the company SOBEN and ESTIA Recherche

From functional analysis to energy harvesting system design: application to car suspension

In the context of global energy demand increase, working on energy efficiency is essential. This paper deals with energy harvesting on car suspensions. In order to have a real added value, some criteria must be considered: the need to design a system that would be easily integrated into cars, the possibility to locally use the recovered energy to add new functionalities that can improve the security or the comfort of the car, and the necessity to not degrade and, if possible, to improve (semi-active or active dampers) the performances of the suspension. From the mechanical point of view, the functional analysis is used to define and to characterize the main suspension parts, to investigate the connexions and the energy flows and to identify the key elements for energy recovery. Then, quarter car and half car models implemented with Matlab/Simulink software are presented in order to evaluate the quantity of energy that could be recovered. Three locations are presented and evaluated. Simulations results will finally give an overview on the implementation opportunities

Nom propre et écritures de soi

L'autobiographie, sous ses divers avatars, a connu une expansion sans précédent, au point de devenir le registre dominant de la littérature d'aujourd'hui. Ses frontières génériques sont plus incertaines que jamais et la distance du sujet à lui-même implique un questionnement qui touche inévitablement le nom. Par ailleurs, à côté de la linguistique du nom propre, très productive ces dernières années, les travaux sur l'écriture de soi se sont multipliés dans le sillage d'une nouvelle phénoménologie de l'identité. Le nom propre s'est ainsi retrouvé au cœur de la réflexion sur les limites de la fiction et de la non-fiction. Voici qu'il apparaît, à l'égal du sujet ou de la vérité qu'il aurait fonction d'attester, comme une catégorie instable, sujette au doute et aux manipulations. L'être et l'identité sont désormais devenus friables. Le moment est donc venu de mettre à l'épreuve le modèle canonique proposé par l'école formaliste et sa confiance dans l'autorité du nom propre

From functional analysis to energy harvesting system design: application to car suspension

International audienceIn the context of global energy demand increase, working on energy efficiency is essential. This paper deals with energy harvesting on car suspensions. In order to have a real added value, some criteria must be considered: the need to design a system that would be easily integrated into cars, the possibility to locally use the recovered energy to add new functionalities that can improve the security or the comfort of the car, and the necessity to not degrade and, if possible, to improve (semi-active or active dampers) the performances of the suspension. From the mechanical point of view, the functional analysis is used to define and to characterize the main suspension parts, to investigate the connexions and the energy flows and to identify the key elements for energy recovery. Then, quarter car and half car models implemented with Matlab/Simulink software are presented in order to evaluate the quantity of energy that could be recovered. Three locations are presented and evaluated. Simulations results will finally give an overview on the implementation opportunities