Ce n'est un secret pour personne : les appareils compatibles IoT sont de plus en plus courants dans les foyers, les usines et les entreprises. Depuis le plus petit format, jusqu'à la meilleure efficacité, en passant par une diminution de la consommation de courant et des temps de charge plus rapides, la liste des demandes des clients est longue pour la prochaine génération de ces produits. Dans cet article, découvrez comment la dernière technologie de gestion de batterie d'Analog Devices vous aide à optimiser les performances des appareils portables de demain.
Qu'est-ce que l'IoT ?
Ce domaine d'application particulier de l'IoT se présente sous différentes formes. Il fait généralement référence à un appareil électronique intelligent connecté au réseau, probablement alimenté par batterie et qui envoie des données précalculées à l'infrastructure basée sur le cloud. Il utilise un mélange de systèmes intégrés tels que des processeurs, des circuits intégrés de communication et des capteurs pour collecter, réagir et renvoyer des données à un point central ou à un autre nœud du réseau. Cela peut être n'importe quoi, comme un simple capteur de température qui renvoie la température de la pièce à une centrale de surveillance, ou un dispositif de surveillance d'intégrité de machine qui surveille l'état de santé à long terme d'un équipement d'usine très onéreux.
En fin de compte, ces dispositifs sont développés pour résoudre un défi particulier, par exemple, automatiser des tâches qui nécessiteraient généralement une intervention humaine, comme l'automatisation de la maison ou des bâtiments, améliorer la convivialité et la longévité des équipements dans le cas des applications industrielles de l'IoT, voire même améliorer la sécurité d'applications de surveillance conditionnelle mises en œuvre dans les applications basées sur la structure telles que les ponts.
Exemples d'application
Les domaines d'application des dispositifs IoT sont pratiquement sans fin, puisque de nouveaux appareils et cas d'utilisation naissent chaque jour. Les applications basées sur des émetteurs intelligents collectent des données sur l'environnement dans lequel elles se trouvent pour prendre des décisions concernant le contrôle de la chaleur, le déclenchement d'alarmes ou l'automatisation de tâches particulières. De plus, des instruments portables tels que des compteurs de gaz et des systèmes de mesure de qualité de l'air fournissent des mesures précises à un centre de contrôle via le cloud. Les systèmes de suivi GPS constituent un autre exemple d'application. Ils permettent de suivre des conteneurs maritimes ainsi que du bétail tel que les vaches grâce à des étiquettes auriculaires intelligentes. Ceux-ci ne représentent qu'un minuscule échantillon des appareils connectés au cloud. Citons aussi les domaines incluant les applications de détection d'infrastructure et de santé portables.
Les applications IoT industrielles, qui font partie de la quatrième révolution industrielle dans laquelle les usines intelligentes occupent le devant de la scène, constituent un domaine en pleine croissance. L'éventail des applications IoT qui tentent à tout prix d'automatiser l'usine autant que possible est extrêmement large, que ce soit par le biais de véhicules à guidage automatique (AGV), de capteurs intelligents tels que les balises RF ou les appareils de mesure de pression, voire d'autres capteurs environnementaux dispersés aux quatre coins de l'usine.
Du point de vue d'ADI, l'IoT de haut niveau s'est concentré sur cinq domaines principaux :
- Santé intelligente : prise en charge d'applications de surveillance des signes vitaux, tant au niveau clinique que pour les applications grand public.
- Usines intelligentes : focus sur la construction de l'Industrie 4.0 en rendant les usines plus réactives, plus flexibles et plus rationalisées.
- Bâtiments intelligents/villes intelligentes : utilisation de la détection intelligente pour la sécurité des bâtiments, la détection de l'occupation des places de stationnement, ainsi que le contrôle thermique et électrique.
- Agriculture intelligente : exploitation de la technologie disponible pour automatiser l'agriculture et utiliser efficacement les ressources.
- Infrastructure intelligente : exploitation de notre technologie de surveillance basée sur l'état pour surveiller les mouvements et l'état des structures.
Défis de conception de l'IoT
Quels sont les principaux défis que doit relever le concepteur dans ce domaine d'applications IoT en constante croissance ? La majorité de ces appareils, ou nœuds, sont installés après coup ou dans des zones difficiles d'accès, là où il est impossible d'acheminer la moindre alimentation électrique. Cela signifie que leurs uniques sources d'alimentation sont les batteries et/ou la récupération d'énergie.
Le déplacement de l'énergie dans des grandes infrastructures peut être assez coûteux. Par exemple, alimenter un nœud IoT distant dans une usine. L'acheminement d'un nouveau câble électrique pour alimenter cet appareil étant à la fois coûteux et fastidieux, l'alimentation sur batterie et la récupération d'énergie sont pratiquement les seules autres options d'alimentation possibles pour ces nœuds distants.
La dépendance à l'égard de l'alimentation sur batterie impose de respecter un budget énergétique rigoureux afin de maximiser la durée de vie de la batterie, ce qui a bien entendu un impact sur le coût total de possession de l'appareil. Un autre inconvénient de l'utilisation de batteries est la nécessité de les remplacer une fois leur durée de vie expirée. Au coût de la batterie proprement dite vient alors s'ajouter le coût élevé de la main d'œuvre nécessaire pour le remplacement et la mise au rebut éventuelle de la batterie usagée.
Outre son coût, la taille de la batterie est un autre aspect à prendre en compte ; il est très facile de surdimensionner la batterie afin d'être sûr que sa capacité répondra à l'exigence de durée de vie, qui est très souvent supérieure à 10 ans. Cependant, le surdimensionnement implique une augmentation de coût et de taille ; il est donc extrêmement important non seulement d'optimiser le budget énergétique, mais aussi de minimiser la consommation d'énergie dans la mesure du possible de manière à installer la plus petite batterie possible qui répond toujours à vos besoins de conception.
L'énergie dans l'IoT
Dans le cadre de cette discussion sur l'alimentation, les sources d'alimentation d'applications IoT peuvent être réparties selon trois scénarios :
- Appareils fonctionnant sur batterie non rechargeable (batterie principale)
- Appareils nécessitant des batteries rechargeables
- Appareils qui utilisent la récupération d'énergie pour alimenter le système en tension
Ces sources peuvent être utilisées individuellement ou être combinées si l'application l'exige.
Applications sur batterie principale
Vous connaissez tous différentes applications sur batterie principale, aussi appelées applications fonctionnant sur batterie non rechargeable. Ce sont des applications qui ne nécessitent qu'une alimentation occasionnelle, c'est-à-dire que l'appareil est mis sous tension de temps en temps avant de replonger en veille profonde où il consomme une énergie minimale. Le principal avantage de cette source d'alimentation est qu'elle offre une densité d'énergie élevée et une conception plus simple, puisque vous n'avez pas besoin d'adapter les circuits de charge/gestion de la batterie, ainsi qu'un coût inférieur, car les batteries sont moins chères et nécessitent moins d'électronique. Elles conviennent bien aux applications à faible coût et à faible consommation d'énergie, mais comme elles ont une durée de vie limitée, elles ne conviennent pas aux applications qui nécessitent une consommation d'énergie un peu plus élevée, ce qui entraîne un coût à la fois pour une batterie de remplacement et pour le technicien chargé de remplacer les batteries.
Prenons l'exemple d'une grande installation IoT avec de nombreux nœuds. Comme un technicien est présent sur place pour remplacer la batterie d'un appareil, très souvent, toutes les batteries sont remplacées en même temps afin d'économiser des coûts de main-d'œuvre. Bien sûr, cela constitue un gaspillage et ne fait qu'aggraver notre problème global de déchets. De plus, les batteries non rechargeables ne fournissent qu'environ 2 % de l'énergie utilisée pour les fabriquer au départ. Les 98 % environ d'énergie gaspillée en font une source d'énergie extrêmement peu économique.
Il est évident qu'elles ont leur place dans les applications basées sur l'IoT. Leur coût initial relativement faible les rend idéales pour les applications à faible consommation. Il existe des charges de différents types et différentes tailles et comme elle ne nécessitent que peu d'électronique supplémentaire pour la charge ou la gestion, elles constituent une solution facile.
Du point de vue de la conception, le principal défi à résoudre est d'exploiter au maximum l'énergie disponible dans ces petites sources d'alimentation. À cette fin, beaucoup de temps doit être consacré à l'élaboration d'un plan de budget énergétique afin de maximiser la durée de vie de la batterie, qui est généralement de 10 ans.
Pour les applications de batterie principale, deux éléments de notre famille de produits nanopower méritent d'être pris en compte : le compteur de coulombs nanopower LTC3337 et le régulateur nanopower LTC3336, illustrés à la figure 1.
Figure 1. Circuit d'application LTC3337 et LTC3336.
Le LTC3336 est un convertisseur CC/CC basse consommation fonctionnant sur une entrée de 15 V maximum avec un niveau de crête de courant de sortie programmable. L'entrée peu descendre jusqu'à 2,5 V, ce qui est parfait pour les applications alimentées sur batterie.
Le courant de repos est exceptionnellement faible, de l'ordre de 65 nA, et la régulation, sans charge. Les convertisseurs CC/CC sont assez faciles à configurer et à utiliser dans une nouvelle conception. La tension de sortie est programmée sur base de la manière dont les broches OUT0 à OUT3 sont fixées.
Le compagnon du LTC3336 est le LTC3337, un moniteur d'état de santé à batterie principale nanopower doté d'un compteur de coulombs. Il s'agit d'un autre appareil facile à utiliser dans une nouvelle conception : il suffit de configurer les broches IPK en fonction du courant de crête requis, qui se situe entre 5 mA et 100 mA. Effectuez ensuite quelques calculs sur base de la batterie sélectionnée, puis générez la sortie recommandée sur base du courant de crête sélectionné, qui est mentionné dans la fiche de données.
Enfin, c'est une combinaison de dispositifs parfaite pour les applications IoT à budget énergétique limité. Ces appareils peuvent surveiller avec précision l'énergie consommée par la batterie principale et convertir efficacement la sortie en tension système exploitable.
Applications de batterie rechargeable
Parlons à présent des applications rechargeables. Elles constituent un bon choix pour les applications IoT à puissance plus élevée ou à consommation plus élevée où la fréquence de remplacement de la batterie principale n'est pas une option. Une application sur batterie rechargeable est plus onéreuse à mettre en œuvre à cause du coût initial des batteries et du circuit de charge, mais dans des applications énergivores où les batteries sont fréquemment déchargées et chargées, ce coût est justifié et vite rentabilisé.
Selon la chimie utilisée, une application de batterie rechargeable peut avoir une énergie initiale inférieure à celle d'une cellule primaire, mais à plus long terme, c'est l'option la plus efficace et, dans l'ensemble, celle qui génère le moins de gaspillage. Selon les besoins en énergie, le stockage sur condensateur ou super-condensateur constitue une autre solution, mais plus pour le court terme.
La charge de la batterie implique plusieurs modes et profils spéciaux différents en fonction de la chimie utilisée. Le profil de charge d'une batterie lithium-ion est illustré à la Figure 2. La tension de batterie est représentée sur l'axe horizontal et le courant de charge, sur l'axe vertical.
Figure 2. Courant de charge vs tension de batterie
Lorsque la batterie est gravement déchargée, comme à gauche de la figure 2, le chargeur doit être suffisamment intelligent pour la mettre en mode précharge afin d'augmenter lentement la tension de la batterie jusqu'à un niveau sûr avant de passer en mode courant constant.
En mode courant constant, le chargeur pousse le courant programmé dans la batterie jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne la tension flottante programmée.
La tension et le courant programmés sont tous deux définis par le type de batterie utilisé — le courant de charge est limité par le taux C et le temps de charge requis tandis que la tension flottante est basée sur ce qui est sûr pour la batterie. Les concepteurs de système peuvent réduire légèrement la tension flottante pour améliorer l'autonomie de la batterie si le système l'exige - comme pour tout ce qui concerne l'énergie, tout est une question de compromis.
Lorsque la tension flottante est atteinte, on constate que le courant de charge tombe à zéro et cette tension est maintenue pendant une durée basée sur l'algorithme de terminaison.
La figure 3 fournit un graphique différent pour une application à 3 cellules qui représente le comportement dans le temps. La tension de la batterie est indiquée en rouge et le courant de charge, en bleu. Elle démarre en mode courant constant, plafonnant à 2 A jusqu'à ce que la tension de la batterie atteigne le seuil de tension constante de 12,6 V. Le chargeur maintient cette tension pendant la durée définie par la minuterie de terminaison, dans ce cas, une fenêtre de 4 heures. Cette durée peut être programmée sur de nombreux chargeurs.
Figure 3. Tension/courant de charge vs temps.
La figure 4 illustre un bel exemple de chargeur de batterie polyvalent, le LTC4162, pouvant fournir un courant de charge allant jusqu'à 3,2 A et convenant à de nombreuses applications telles que les instruments portables et les applications qui nécessitent des batteries plus grandes ou des batteries à cellules multiples. Il peut aussi assurer des charges à partir de sources solaires.
Figure 4. LTC4162, chargeur de batterie de 3,2 A.
Applications de récupération d'énergie
La récupération d'énergie peut constituer une autre source d'alimentation des applications IoT. Bien entendu, le concepteur de système doit prendre en compte plusieurs aspects, mais l'attrait de l'énergie gratuite ne peut pas être sous-estimé, en particulier pour les applications qui n'ont pas de besoins en énergie trop critiques et où l'installation doit se faire sans intervention, c'est-à-dire qu'aucun technicien ne peut y accéder.
Il existe de nombreuses sources d'énergie différentes, et il n'est pas nécessaire de les utiliser à l'extérieur pour en tirer parti. L'énergie solaire, piézoélectrique ou vibratoire, ainsi que l'énergie thermoélectrique et même l'énergie FR peuvent être stockées (bien que le niveau de puissance soit très bas).
La figure 5 fournit un niveau d'énergie approximatif pour différentes méthodes de récupération.
Figure 5. Sources d'énergie et niveaux approximatifs disponibles pour diverses applications.
En ce qui concerne les inconvénients, le coût initial est plus élevé que celui des autres sources d'énergie évoquées précédemment, car vous avez besoin d'un élément de récupération tel qu'un panneau solaire, un récepteur piézoélectrique ou un élément Peltier, ainsi que du circuit intégré de conversion d'énergie et des composants d'activation associés.
Un autre inconvénient est la taille globale de la solution, en particulier lorsqu'on la compare à une source d'énergie telle qu'une pile bouton. Il est difficile d'obtenir une solution de taille compacte avec un collecteur d'énergie et un CI de conversion.
En termes d'efficacité, il peut être difficile de gérer des niveaux d'énergie faibles. En effet, la plupart des sources d'alimentation sont en courant alternatif et doivent donc être rectifiées. À cette fin, des diodes sont utilisées. Le concepteur doit faire face à la perte d'énergie résultant de leurs propriétés inhérentes. Cet impact peut être atténué en augmentant la tension d'entrée, mais cela n'est pas toujours possible.
Les dispositifs les plus fréquemment cités dans les discussions sur la récupération d'énergie appartiennent à la famille de produits ADP509x, mais il y aussi le LTC3108, qui peut accueillir une large gamme de sources de collecte d'énergie avec des chemins d'alimentation multiples et des options de gestion de la charge programmables offrant la plus grande souplesse de conception. Une multitude de sources d'énergie peuvent être utilisées pour alimenter l'ADP509x, mais également pour extraire l'énergie de cette source d'alimentation en vue de charger une batterie ou d'alimenter une charge système. Tout ce qui va du solaire (à la fois intérieur et extérieur) jusqu'aux générateurs thermoélectriques pour extraire l'énergie thermique de la chaleur corporelle dans les applications portables ou la chaleur du moteur peut être utilisé pour alimenter le nœud IoT. Une autre option consiste à récupérer l'énergie d'une source piézoélectrique, qui multiplie la flexibilité, et est parfaite pour extraire l'énergie d'un moteur qui tourne, par exemple.
Figure 6. Schéma fonctionnel de l'ADP5090 dans une application de récupération.
Un autre appareil capable d'être alimenté à partir d'une source piézoélectrique est l'ADP5304 ; il fonctionne avec un très faible courant de repos (260 nA typique sans charge) et est donc idéal pour les applications de récupération d'énergie à faible consommation. La fiche de données contient un circuit type d'application de récupération d'énergie (voir la figure 7), alimenté à partir d'une source piézoélectrique et servant à alimenter un ADC ou un CI à RF.
Figure 7. Circuit d'application de source piézoélectrique ADP5304.
Gestion d'énergie
La gestion de l'énergie est un autre aspect à aborder dans toute discussion relative aux applications dont le budget énergétique est limité. Cela commence par l'élaboration d'un calcul du bilan énergétique de l'application avant d'envisager différentes solutions de gestion de l'énergie. Cette étape essentielle aide les concepteurs de systèmes à comprendre les composants clés utilisés dans le système et la quantité d'énergie dont ils ont besoin. Cela influe sur leur décision de choisir une batterie principale, une batterie rechargeable, une récupération d'énergie ou une combinaison de ces éléments comme méthode d'alimentation électrique.
La fréquence à laquelle le dispositif IoT collecte un signal et le renvoie au système central ou sur le cloud est un autre détail important pour la gestion d'énergie, car il a un impact important sur la consommation d'énergie globale. Une technique courante consiste à utiliser l'énergie de manière cyclique ou à allonger le délai entre le réveil de l'appareil et la collecte et/ou l'envoi de données.
L'utilisation des modes veille sur chacun des appareils électroniques (si disponibles) est également utile pour tenter de gérer la consommation d'énergie du système.
Conclusion
Comme pour toutes les applications électroniques, il est important de prendre en compte le plus tôt possible la partie du circuit relative à la gestion de l'énergie. Ceci est encore plus important dans les applications à consommation limitée telles que l'IoT. L'élaboration d'un bilan énergétique dès le début du processus peut aider le concepteur du système à identifier le chemin le plus efficace et les dispositifs appropriés qui répondent aux défis posés par ces applications tout en atteignant une efficacité énergétique élevée dans une solution de petite taille.