Modellazione circuitale multiphysics di cantilever piezoelettrici per il design del power management in sistemi di energy harvesting basati sulle vibrazioni

In recent years, the diffusion of the Internet of Things (IoT) has strongly prompt technologies for energy harvesting, which are essential for the realization of battery-less electronic devices. Designing such devices requires new analytical/numerical models capable of simulating the performance of the energy harvester. In this thesis work, an approach for the synthesis of multiphysics circuit models for the dynamic simulation of piezoelectric cantilevers is presented, based on Yang equivalent circuit and finite element analysis. Initially, an electromechanical FEM model was developed to evaluate the frequency response of a reference piezoelectric harvester. The results of the FEM analysis were then used to derive a lumped-parameter equivalent circuit, capable of accurately describing the dynamics of the harvester. Subsequently, the main power management systems were analysed and compared, coupled with the proposed model, with the aim of maximizing the harvested electrical energy. After identifying the best-performing system, a practical application case was simulated, considering a supercapacitor as an electrical load. The results show that a careful choice of the power management system can significantly improve the amount of energy stored in the supercapacitor. The practical implications of this thesis concern the design of wireless sensors and IoT systems.

Negli ultimi anni la diffusione dell’Internet of Things (IoT) ha dato un forte sviluppo alle tecnologie per l’energy harvesting, utili alla realizzazione di dispositivi elettronici battery-less. Il design di tali dispositivi richiede nuovi modelli analitici/numerici in grado di simulare le performance dell’energy harvester. In questo lavoro di tesi viene presentato un approccio per la sintesi di modelli circuitali multiphysics per la simulazione dinamica di cantilever piezoelettrici, basato sul circuito equivalente di Yang e l’analisi agli elementi finiti. Viene inizialmente sviluppato un modello FEM elettromeccanico per valutare la risposta in frequenza di un harvester piezoelettrico di riferimento. I risultati dell’analisi FEM vengono poi utilizzati per ricavare un circuitale equivalente a parametri concentrati, capace di descrivere con accuratezza la dinamica dell’energy harvester. Successivamente vengono analizzati e confrontati i principali sistemi di power management, accoppiati al modello proposto, con l’obiettivo di massimizzare l’energia elettrica recuperabile. Individuato il sistema più performante viene infine simulato un caso di interesse applicativo, considerando un supercondensatore come carico elettrico. I risultati dimostrano che una scelta accurata del sistema di power management possa migliorare significativamente la quantità di energia immagazzinata nel supercondensatore. Le implicazioni pratiche di questa tesi riguardano la progettazione di sensori wireless e sistemi IoT.