Extension de la durée de vie des batteries de nœuds de capteurs IoT avec la récupération d'énergie

Pour pouvoir capturer des données depuis des sites distants, les nœuds de capteurs développés pour l'Internet des objets (IoT) doivent pouvoir fonctionner aussi longtemps que possible sur une seule charge batterie. Dans un monde idéal, il n'y aurait pas de batterie du tout, car cela complique considérablement la gestion système, et exige des déplacements dans des zones difficiles et onéreuses à atteindre.

À la place, le système capturerait l'énergie depuis son environnement – par le biais de systèmes photovoltaïques, d'énergie RF, de pression, et de mouvements de fluide, d'air ou de chaleur. Par exemple, un compteur d'eau peut, en principe, subvenir à ses propres besoins grâce à l'énergie capturée depuis la matière qu'il est destiné à mesurer. Un capteur à montage mural peut récupérer de l'énergie depuis la lumière qui éclaire sa surface.

En pratique, le rendement énergétique des systèmes de capteurs électroniques est trop faible pour permettre de se reposer uniquement sur la capture d'énergie environnementale. Cependant, il est possible de maintenir la charge dans une batterie longue durée en utilisant autant d'énergie environnementale que possible, même si cela complique la conception du système résultant.

L'un des problèmes clés est que la puissance est difficile à capturer car elle passe soit à très basse tension, soit à haute tension mais avec des problèmes de phase complexes. En conséquence, des techniques spécialisées sont requises pour gérer les entrées, notamment pour fournir un convertisseur élévateur capable de gérer les sources basse tension haute impédance que de nombreux modules de récupération présentent au système. De plus, des circuits tels que des convertisseurs élévateurs peuvent introduire du bruit haute fréquence pouvant perturber les communications radio. Le système doit être capable de faire face à ces situations.

Une autre exigence, particulièrement dans le cas de générateurs thermoélectriques et photovoltaïques, consiste à prendre en charge la recherche de point de puissance maximale (MPPT). Chaque module photovoltaïque présente une courbe courant-tension (IV) caractéristique dépendant non seulement de la lumière incidente mais aussi de la température. La courbe détermine la tension à laquelle la récupération d'énergie maximum peut être atteinte. Le fait de s'écarter de cette tension peut réduire le courant collecté et donc l'énergie.

Figure 1 : Courbe IV pour le dispositif de récupération photovoltaïque.

La température affecte le rendement de sortie de crête d'un module également. Les hautes températures entraînent la chute de tension de sortie du module. En conséquence, même durant des périodes de soleil intense pendant lesquelles ils devraient atteindre un rendement de crête, les panneaux photovoltaïques peuvent souffrir de baisses dans le rendement de conversion si les circuits électroniques ne compensent pas pour la chute de tension associée. La recherche de point de puissance maximale (MPPT) permet aux composants électroniques de conversion de puissance de suivre les changements de conditions et de garantir que la tension la plus appropriée est toujours sélectionnée. Heureusement, le décalage dans le point de puissance maximale avec des changements dans l'éclairement est typiquement relativement faible, et le circuit de contrôle MPPT a seulement besoin d'analyser une partie relativement petite de la courbe IV.

Les dispositifs de récupération piézo-électriques affichent un comportement différent mais comparable : la tension en circuit ouvert est approximativement inversement proportionnelle au courant de court-circuit. Les éléments piézo-électriques peuvent être placés en série ou en parallèle pour développer une plage souhaitée de tensions pour la récupération. Typiquement, les dispositifs de récupération piézo-électriques produisent une puissance maximale lorsqu'ils fonctionnent à environ la moitié de la tension en circuit ouvert.

Figure 2 : Courbe IV pour un dispositif de récupération piézo-électrique.

Une autre considération niveau système est la gestion efficace de l'énergie récupérée, pour s'assurer que la batterie n'est pas accidentellement trop chargée et que le processus requis pour capturer et stocker l'énergie ne coûte pas plus en joules que la quantité pouvant être stockée. Très souvent, il convient de combiner une batterie avec un supercondensateur pour éviter les problèmes de charge depuis une source non fiable.

Plus facile en principe à contrôler qu'une batterie rechargeable, la basse tension des supercondensateurs implique qu'ils sont souvent déployés en série pour atteindre une tension compatible avec la plupart des composants électroniques systèmes. En série, la distribution de tension dans la pile de supercondensateurs est initialement une fonction de capacité. Toutefois, si la pile est maintenue à la même tension sur une période de temps, la distribution de tension change pour devenir une fonction de la résistance parallèle interne en raison des effets du courant de fuite.

Une technique de conception pour réduire le décalage de tension causé par le courant de fuite consiste à placer une résistance en parallèle avec chaque supercondensateur. Cela augmente toutefois la perte d'énergie, ce qui n'est pas un attribut souhaité pour les conceptions de récupération d'énergie. L'équilibrage de supercondensateur actif constitue une réponse plus efficace, et c'est l'une des fonctionnalités implémentées dans le LTC3331 de Linear Technology, l'un des nombreux dispositifs spécifiquement conçus pour gérer les problèmes causés par la combinaison de batteries et de récupération d'énergie. Leur disponibilité réduit le recours à l'implémentation de solutions discrètes pour les concepteurs de système.

Figure 3 : Application typique pour le LTC3331, montrant la connexion de l'équilibreur de supercondensateur à droite.

L'équilibreur de supercondensateur actif dans le LTC3331 fonctionne avec deux dispositifs utilisant la broche BAL pour exécuter la fonction. Le contrôleur dans le LTC3331 génère et absorbe activement jusqu'à 10 mA pour réguler la tension de la broche BAL à la moitié de la tension de sortie du dispositif. L'équilibreur consomme 150 nA. Si l'équilibrage n'est pas requis ou s'il consomme trop d'énergie pour l'application, il peut être désactivé et le courant de repos réduit à zéro en reliant la broche BAL à la masse avec la broche SCAP, qui est normalement reliée à Vout si elle est active.

Le cœur de conceptions comme le LTC3331 est un convertisseur CC/CC abaisseur/élévateur ou élévateur conçu pour fonctionner avec des dispositifs de récupération d'énergie standard. Ce convertisseur est couplé aux composants électroniques de contrôle qui contrôlent si le convertisseur élévateur est actif. Le contrôleur peut également exécuter des calculs MPPT. Le LTC3331, par exemple, fonctionne avec des sources photovoltaïques ou piézo-électriques, et il convient aux systèmes sans fil dans lesquels la consommation moyenne est très faible mais exige des rafales de puissance supérieures lorsque des données doivent être transférées à une passerelle ou un concentrateur. L'énergie est absorbée du supercondensateur et potentiellement également de la batterie, selon la quantité d'énergie récupérée depuis la dernière communication.

Avec le LTC3331, lorsque de l'énergie récupérable est disponible, elle est transférée via un pont redresseur où elle s'accumule sur un condensateur d'entrée. Un circuit de verrouillage en cas de sous-tension fonctionnant à faible courant de repos permet à la tension sur le condensateur d'augmenter vers un seuil programmé. Une fois le seuil dépassé, le convertisseur abaisseur s'active et transfère l'énergie au rail de sortie. Si la tension sur le condensateur d'entrée tombe en dessous d'un seuil descendant – généralement défini à un point différent du seuil montant pour éviter l'oscillation non désirée – le condensateur abaisseur se désactive et le condensateur abaisseur/élévateur s'active pour gérer la charge de l'entrée batterie bien que l'énergie continue à être récupérée dans le supercondensateur.

L'ADP5090 produit par Analog Devices fournit un condensateur élévateur pour les sources solaires et thermoélectriques basse tension, fonctionnant à partir de tensions de seulement 380 mV. Il offre une interface vers un supercondensateur ou une batterie de secours, ainsi qu'une prise en charge pour MPPT.

Figure 4 : Schéma d'application pour l'ADP5090 avec connexion de condensateur pour stockage de paramètres MPPT (CBP) à gauche.

Le contrôle MPPT est maintenu à l'aide d'un condensateur externe devant être sélectionné pour une faible fuite car l'entrée du dispositif de récupération est échantillonnée par le circuit de commande environ toutes les 19 secondes. Si la tension du condensateur chute, cela réduit l'efficacité du contrôleur MPPT. Les céramiques à faible fuite C0G ou X7R 10 nF offrent des niveaux de performances appropriés. Pour prendre en charge de très faibles tensions de récupération, l'ADP5090 intègre une pompe à charge pour permettre au convertisseur élévateur de démarrer à partir de très faibles tensions d'entrée. Des circuits additionnels vérifient si la tension est trop faible au point que même l'exécution du convertisseur élévateur pour essayer de récupérer l'énergie disponible viderait la batterie.

Pour les applications sans fil dans lesquelles les composants RF électroniques peuvent être très sensibles au bruit particulièrement à fonctionnement basse puissance, le convertisseur élévateur à découpage peut être temporairement arrêté sous contrôle matériel ou logiciel externe, en passant la broche DIS_SW à l'état haut.

Le bq25504 de Texas Instruments est une autre option. Le dispositif est capable de démarrer à froid depuis une entrée fournie par le dispositif de récupération d'énergie de 330 mV, et il prend en charge, en fonctionnement, des tensions de seulement 80 mV. Cette entrée alimente un convertisseur élévateur s'exécutant à un courant de repos de 330 nA. Bien que le bq25504 n'inclut pas de contrôle direct sur une batterie de secours, il surveille les tensions maximum et minimum contre les conditions de sous-tension et de surtension programmables par l'utilisateur pour prévenir les dommages pouvant être causés à l'élément de stockage. Pour aider à la gestion de l'énergie, le dispositif contrôle un indicateur de "batterie OK" pour signaler à un microprocesseur relié lorsque la tension sur un condensateur ou une batterie de stockage d'énergie tombe en dessous d'un seuil critique prédéfini. Cela vise à déclencher la réduction des courants de charge pour empêcher que le système ne passe en condition de sous-tension.

En offrant un moyen de combiner batteries et puissance récupérée, des solutions telles que le LTC3331, l'ADP5090 et le bq25504 simplifient l'implémentation des nœuds de capteurs IoT pouvant survivre pendant de très longues périodes sur une seule charge.