Café, nanoPower et blocs fonctionnels pour la nouvelle énergie intelligente

En 2011, l'énergie intelligente a suscité un fort engouement ! En Amérique du Nord, les fournisseurs d'énergie travaillaient d'arrache-pied à l'installation de compteurs intelligents. Au Brésil, l'ANEEL (Agence nationale de l'énergie électrique) a éveillé l'enthousiasme en exigeant que des compteurs intelligents soient installés dans l'ensemble du pays. En Europe, plusieurs fournisseurs d'énergie ont développé leurs propres méthodes de communications avec les compteurs intelligents.

Plusieurs entreprises ont contribué à cet engouement, en faisant la promotion de solutions de réseau domestique (HAN). Le futur laissait présager que des appareils de mesure d'énergie seraient installés sur chaque machine à laver, sèche-linge, réfrigérateur et même sur chaque ampoule ! Chaque appareil devait être en mesure de communiquer facilement avec le routeur domestique, par ZigBee, Bluetooth ou tout autre protocole de communication à consommation réduite et à courte portée.

Nous sommes désormais en 2017 et des compteurs intelligents ont été installés sur une grande partie du continent nord-américain et dans de nombreux pays d'Europe et d'Asie. Les fournisseurs surveillent la consommation d'énergie et ont éliminé le recours aux releveurs de compteurs qui parcouraient les quartiers à pied afin d'effectuer le relevé de chaque compteur manuellement. Néanmoins, la réussite globale de la mise en œuvre de l'énergie intelligente est quelque peu différente. L'idée d'une mesure d'énergie sur chaque ampoule ne s'est pas concrétisée, probablement en raison du coût élevé attribué à ces systèmes, en comparaison avec le coût énergétique d'une lampe. Cette réduction du coût énergétique est accentuée par les ampoules basse consommation, telles que les ampoules fluorescentes et les LED. Peut-être avons-nous tout simplement optimisé nos besoins en matière de données à certains niveaux de granularité. Il ne faut pas perdre espoir pour autant : même si l'énergie intelligente n'a pas connu le développement espéré, des avancées spectaculaires ont eu lieu et ont permis d'établir une nouvelle perspective d'avenir.

Le café en est un parfait exemple. Il y a dix ans, dans la plupart des foyers, ainsi que dans les restaurants, le café était préparé à l'aide d'un pot en verre ou en céramique, placé sur un brûleur. Ce brûleur consommait de l'énergie pour chauffer lentement le café et en gâchait le goût. C'est alors que quelqu'un a eu la brillante idée de mettre le café dans un récipient isotherme, qui permet simplement au café de garder sa propre chaleur. Cette étape avait pour effet de « déconnecter » le café, dans le sens où il n'était alors plus relié au réseau d'énergie. De plus, le café demande beaucoup moins d'énergie pour être préparé et son goût est bien meilleur. Ceci est un parfait exemple d'énergie intelligente !

L'exemple du café mène à d'autres concepts de systèmes techniques qui optimisent les performances tout en permettant de réaliser des économies d'énergie. Parmi ceux-là, l'une des avancées majeures est nanoPower. Le concept nanoPower décrit la consommation électrique de certains éléments en état de repos, c'est-à-dire lorsqu'ils ne fonctionnent pas, mais qu'ils ne sont pas complètement éteints. Des produits plus récents, qui tirent parti de la technologie de traitement analogique avancé CMOS, fonctionnent avec des courants en nano-ampère qui sont quasiment impossibles à mesurer. Les principales économies d'énergie proviennent d'abord du rapport cyclique de ces systèmes, puis de la décentralisation de l'architecture de consommation énergétique. Les trois exemples ci-dessous présentent des dispositifs et des circuits qui offrent les avantages de la technologie nanoPower.

Les détecteurs de fumée ont été parmi les premiers dispositifs Internet des objets (IoT). Ils fonctionnent environ 10 ans avec une même batterie, qui nécessite rarement d'être changée, et fonctionne même durant les coupures de courant. La Figure 1 montre un détecteur de fumée moderne typique, composé d'une batterie, de plusieurs convertisseurs CC/CC, d'un microcontrôleur, d'une communication RF, d'un capteur (dont l'architecture peut varier) et d'un vibreur piézo. Le tableau de la Figure 1 donne un exemple des valeurs de consommation électrique pour chaque bloc, basées sur des composants modernes. Dans le cas des détecteurs de fumée optiques, les courants de crête pour faire fonctionner les LED seront compris dans la plage de courants mA, mais les courants moyens chutent, étant donné que les LED sont généralement mises sous tension relativement rarement. Dans la plupart des alarmes, les circuits actifs peuvent échantillonner l'air seulement 0,05 % du temps, ce qui signifie qu'ils fonctionnent en mode repos 99,95 % du temps. En excluant le circuit RF, qui peut avoir un rapport cyclique complètement différent, les circuits principaux en mode pleine puissance consommeraient 12,6 mA. Pendant les périodes de repos, le circuit principal consommerait 5,5 µA. Ainsi, la consommation électrique moyenne par seconde du circuit actif est 12,6 mA x 0,0005 = 6,3 µA, ce qui correspond à une consommation électrique moyenne de 11,8 µA. Dès lors, tout courant de repos qui dépasse un µA affecte l'autonomie de la batterie du système. Dans la plage de consommation électrique de l'ordre de 10 µA, chaque µA supplémentaire de courant détériore l'autonomie de la batterie de 1500 mAh par an.

Figure 1 : Un détecteur de fumée moderne typique fonctionne en mode repos la plupart du temps, ce qui signifie que plus la consommation électrique est basse, plus l'autonomie de la batterie est bonne.

Un autre avantage de nanoPower est sa capacité à couper les circuits dans le système. Dans ce type d'architecture, les composants critiques, tels que la surveillance des batteries et les horloges temps réel restent activés, tandis que ceux qui consomment le plus d'énergie, tels que le microcontrôleur et les circuits RF, se désactivent ou passent dans le mode qui consomme le moins d'énergie. Le circuit de la Figure 2 montre un comparateur à fenêtres nanoPower surveillant la tension d'une batterie. Le comparateur donne l'alarme uniquement lorsque la batterie passe au-dessus ou en dessus des tensions autorisées, fournissant une fonction de sécurité très utile et prolongeant la durée de vie de la batterie. Le microcontrôleur du système n'a pas besoin de fonctionner, à moins qu'il reçoive une alarme du comparateur, qui s’exécute à un courant typique de 900 nA. Ce qui rend cette architecture d'énergie intelligente, avant tout, est le fait qu'elle conserve un maximum d'énergie, tout en excluant les circuits spécifiques pour les fonctions qui doivent rester continuellement sous tension.

Figure 2 : Comparateur à fenêtres nanoPower surveillant la tension d'une batterie.

Le dernier exemple montre une alimentation électrique provenant d'une prise murale ou d'une batterie, généralement qualifiée d'alimentation à diode ORing. Dans de telles alimentations, les bons concepteurs placent une diode Schottky en série avec l'alimentation de la batterie afin de limiter les chutes de tension, d'où une perte de puissance sur l'ensemble de la diode, tout en protégeant le circuit (Figure 3). Par exemple, le nouveau MAX40200 de Maxim ne perd que 85 mV lorsqu'il transporte un courant de 1 A, et 43 mV lorsqu'il transporte 500 mA. Ces performances sont deux à quatre fois supérieures à une diode Schottky typique, permettant à nouveau d'économiser des dizaines, voire des centaines de milliwatts de l'alimentation par batterie, de manière intelligente.

Figure 3 : Le MAX40200 ne perd que 85 mV lorsqu'il transporte un courant de 1 A.

Quel est le lien entre tout cela et le café ? Tout comme le café, l'architecture change. De nombreux sous-systèmes fonctionnent essentiellement en se déconnectant du processeur central et en s'enregistrant régulièrement, ce qui permet de réduire considérablement la consommation d'énergie au passage. Le traitement avancé et l'architecture analogique permettent de réduire le niveau de consommation énergétique de ces blocs à un niveau sans précédent. Le nouveau mouvement d'énergie intelligente va au-delà de la communication et de la mesure énergétiques. La nouvelle énergie intelligente consiste en une architecture système intelligente, associée à des composants avancés pour améliorer la durée de vie et la fiabilité de la batterie du système, tout en déverrouillant de nouvelles applications.