Récupération d`énergie mécanique par

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Université Joseph Fourier Grenoble I
N° ISBN
978-2-84813-123-8
THESE
Pour obtenir le grade de
Docteur de L’Université Joseph Fourier
Spécialité : « Génie Electrique »
Préparée au Laboratoire Capteur Actionneur et Récupération d’Energie (CEA-LETI-LCARE)
Dans le cadre de l’Ecole Doctorale
Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du signal
Présentée et soutenue publiquement par
Claire Jean-Mistral
Le 8 Octobre 2008
Titre :
Récupération d’énergie mécanique par polymères
électroactifs pour microsystèmes autonomes
communicants
Directeur de thèse :
M. Skandar Basrour
Jury
M. Daniel GUYOMAR Examinateur
M. Bertrand NOGAREDE Rapporteur
M. François COSTA Rapporteur
M. Laurent TABOUROT Examinateur
M. Skandar BASROUR Directeur de thèse
M. Jean-Jacques CHAILLOUT Co-encadrant
M. Chris VAN HOOF
Invité

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Remerciements
Cette thèse a été réalisée au CEA (Commissariat à l’Energie Atomique) de Grenoble, au sein du
laboratoire Capteur Actionneur et Récupération d’Energie (LCARE), rattaché au service
Microsystèmes et Objets Communicants (SMOC) du département Système de l’Information et de la
Santé (DSIS) du LETI (Laboratoire d’Electronique, de Technologie et d’Instrumentation). Je tiens à
remercier M. Roland BLANPAIN, chef du service, et M. Jean-Michel LEGER, chef du laboratoire,
pour m’avoir donné la possibilité de travailler durant ces trois années de thèse sur ce sujet passionnant.
Je tiens également à remercier mon directeur de thèse M. Skandar BASROUR et mon encadrant M.
Jean-Jacques CHAILLOUT pour leurs implications durant cette thèse et leurs soutiens permanents. Je
remercie tout particulièrement M. Ghislain DESPESSE pour les nombreux échanges scientifiques, les
conseils prodigués et pistes envisagées tout au long de ces travaux.
Je remercie chaleureusement M. Laurent TABOUROT, Mme Pascale BALLAND et M. Pierre
VACHER du laboratoire SYMME de l’Université de Savoie au sein duquel les essais mécaniques ont
été réalisés. Je les remercie pour leurs explications techniques, leurs aides et leurs enthousiasmes.
Je remercie tout aussi chaleureusement M. Alain SYLVESTRE du G2Elab, groupe matériaux
diélectriques, pour m’avoir permis de réaliser tous les tests électriques et pour avoir pris le temps de
m’expliquer certains phénomènes physiques. Je remercie aussi tous les doctorants de ce laboratoire qui
m’ont laissé des créneaux sur un planning surchargé et m’ont donné les petites astuces pour des tests
réussis.
Je tiens à remercier particulièrement les membres du jury pour le temps et l’intérêt porté à ces
travaux : M. Bertrand NOGAREDE (professeur à l’ENSEEIHT, Toulouse) et M. François COSTA
(professeur à l’IUFM, Créteil) pour avoir accepté d’être rapporteur de mes travaux, M. Daniel
GUYOMAR (professeur à l’INSA, Lyon) et M. Laurent TABOUROT (professeur à U. de Savoie,
Annecy), ainsi que Chris VAN HOOF (IMEC, Belgique) invité.
Je remercie aussi toutes les personnes qui m’ont aidé au cours de ces trois années, en particulier M.
Fabien FORMOSA pour les discussions sur les modèles mécaniques, M. Jean-Louis DERLON qui a
toujours trouvé le matériel et les outils dont j’avais besoin.
Un grand merci à toute l’équipe des antennistes et électroniciens pour les repas de midi animés et
conviviaux.
Enfin et pas des moindres, je remercie mes parents, mon petit frère et mes amis proches pour leur
soutien, confiance et intérêt tout au long de ce travail. J’exprime du fond du cœur mon amour et ma
reconnaissance envers mon compagnon Khalil à qui j’ai fait voir les montagnes russes au cours de
cette thèse. MERCI!

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Résumé :
Le but de ce travail de thèse est d’explorer la potentialité des polymères électroactifs pour une
application de récupération d’énergie mécanique ambiante.
Les polymères électroactifs incluent la famille électronique (piézoélectrique, diélectrique…) et la
famille ionique (IPMC, ionic gels…). Grâce à un état de l’art complet, six types de polymères ont été
sélectionnés, modélisés analytiquement (couplage électromécanique) et caractérisés. De cette première
partie comparative ressortent les polymères diélectriques à la forte densité d’énergie récupérable
(1.5J.g
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).
La seconde partie de ce travail de thèse concerne la mise en place d’un modèle analytique électro-
mécano-thermique le plus fiable possible et adaptable à tous types de structures et de sollicitations.
Pour ce faire, une large campagne de mesures électriques et mécaniques a été opérée afin de
déterminer finement le comportement physique du matériau, les variations des paramètres intrinsèques
et les pertes associées. Ce modèle analytique est validé par une série de tests sur des cas simples de
structures.
La dernière partie de ce travail de thèse concerne le développement d’une application novatrice : la
récupération d’énergie mécanique au niveau du genou lors de la marche humaine. Le convertisseur a
été dimensionné grâce au modèle développé, puis testé in situ. Finalement, des pistes pour la gestion
électrique autonome de l’application sont proposées.
Mots-clés :
Polymères électroactifs, Polymères diélectriques, Récupération d’énergie mécanique, Conversion
électromécanique, Caractérisation électrique et mécanique, Vêtements intelligents
Abstract:
Electroactive polymers are studied and compared to create an innovating mechanical scavenging
application.
Electroactives polymers include electronic (piezoelectric, dielectric…) and ionic (IPMC, gels…)
polymers. Thanks to a complete state of art, six polymers have been chosen, characterised and
analytically modelled. This comparative study reveals dielectric polymers which have a very
important energy density (1.5J.g
-1
).
Then, a detailed electromechanical analytic modelling for dielectric polymer has been realized. This
modelling is based on an electric and mechanical characterization of the polymer, and takes care of the
parameters variation. Adaptable to any structure and solicitation, this modelling is validated by first
simple measurements.
Finally, an innovating application is developed: scavenging mechanical energy during human motion
in the level of knee. A prototype has been designed thanks to the analytical modelling, and tested in
situ. Ways to create power management is opened.
Keywords:
Electroactive polymers, Dielectric polymers, Mechanical scavenging energy, Electromechanical
generator, Electric and mechanical characterization, E-textile