Non è un segreto che i dispositivi abilitati all'IoT stiano diventando sempre più comuni nelle case, nelle fabbriche e nelle aziende. Da dimensioni più piccole, a maggiore efficienza, minore consumo energetico e tempi di ricarica più rapidi, l'elenco delle richieste dei clienti per la prossima generazione di questi prodotti è lungo. In questo articolo scopri come la più recente tecnologia di gestione delle batterie di Analog Devices ti aiuta a ottimizzare le prestazioni dei dispositivi portatili del futuro.
Che cos'è l'IoT?
Questa particolare area di applicazione dell'IoT si presenta in molte forme diverse. In genere, si riferisce a un dispositivo elettronico intelligente connesso in rete, probabilmente alimentato a batteria, che invia dati precalcolati all'infrastruttura basata su cloud. Utilizza un mix di sistemi integrati come processori, circuiti integrati di comunicazione e sensori per raccogliere, rispondere e inviare dati a un punto centrale o a un altro nodo della rete. Potrebbe trattarsi di qualsiasi cosa, da un semplice sensore di temperatura che segnala la temperatura ambiente a un'area di monitoraggio centrale o a un dispositivo di monitoraggio che monitora lo stato di salute a lungo termine di apparecchiature di fabbrica molto costose.
In definitiva, questi dispositivi sono sviluppati per risolvere una sfida particolare, ad esempio automatizzando attività che normalmente richiederebbero l'intervento umano, come l'automazione domestica o degli edifici, migliorando l'usabilità e la longevità delle apparecchiature nel caso di applicazioni IoT industriali o, addirittura, migliorando la sicurezza di applicazioni di monitoraggio delle condizioni implementate in applicazioni basate su strutture come i ponti.
Applicazioni di esempio
Le aree di applicazione dei dispositivi IoT sono praticamente infinite, poiché ogni giorno vengono progettati nuovi dispositivi e casi d'uso. Le applicazioni basate su trasmettitori intelligenti raccolgono dati sull'ambiente in cui si trovano per prendere decisioni su come controllare il calore, attivare allarmi o automatizzare attività particolari. Inoltre, strumenti portatili come contatori del gas e sistemi di misurazione della qualità dell'aria forniscono misurazioni accurate attraverso il cloud a un centro di controllo. Un altro esempio di applicazione sono i sistemi di localizzazione GPS. Consentono il monitoraggio dei container e del bestiame, come le mucche, utilizzando etichette auricolari intelligenti. Questi rappresentano solo una piccola parte dei dispositivi connessi al cloud. Altre aree includono applicazioni sanitarie e di rilevamento delle infrastrutture portatili.
Un'area di crescita significativa è quella delle applicazioni IoT industriali, che fanno parte della quarta rivoluzione industriale in cui le fabbriche intelligenti sono al centro della scena. Esiste un'ampia gamma di applicazioni IoT che stanno cercando di automatizzare il più possibile le fabbriche, sia attraverso l'uso di veicoli a guida automatizzata (AGV), sensori intelligenti come tag RF o misuratori di pressione o altri sensori ambientali posizionati in tutta la fabbrica.
Dal punto di vista dell'ADI, l'IoT di alto livello si è concentrato su cinque aree principali:
- Salute intelligente: supporto di applicazioni di monitoraggio dei segni vitali, sia a livello clinico che di applicazioni consumo.
- Fabbriche intelligenti: focus sulla realizzazione dell'Industria 4.0, rendendo le fabbriche più reattive, più flessibili e più efficienti.
- Edifici/città intelligenti: utilizzo di sensori intelligenti per la sicurezza degli edifici, il rilevamento dell'occupazione dei parcheggi e il controllo termico ed elettrico.
- Agricoltura intelligente: utilizzo della tecnologia disponibile per automatizzare l'agricoltura e sfruttare le risorse in modo efficiente.
- Infrastruttura intelligente: utilizzo della nostra tecnologia di monitoraggio basata sulle condizioni per monitorare il movimento e lo stato di salute delle strutture.
Sfide di progettazione dell'IoT
Quali sono le principali sfide che un progettista deve affrontare in questo campo in costante crescita delle applicazioni IoT? La maggior parte di questi dispositivi, o nodi, vengono installati successivamente o in zone di difficile accesso, dove quindi è impossibile alimentarli. Ciò ovviamente significa che le loro uniche fonti di energia sono le batterie e/o la raccolta di energia.
La distribuzione dell'energia in impianti di grandi dimensioni può essere piuttosto costoso. Si consideri, ad esempio, di dover alimentare un nodo IoT remoto in una fabbrica. Poiché l'utilizzo di un nuovo cavo elettrico per alimentare questo dispositivo è costoso e richiede del tempo, l'alimentazione a batteria e la raccolta di energia sono praticamente le uniche opzioni di alimentazione possibili per alimentare questi nodi remoti.
Fare affidamento su un'alimentazione a batteria richiede un budget energetico rigoroso al fine di massimizzare la durata della batteria, il che ovviamente incide sul costo totale di proprietà del dispositivo. Un altro svantaggio dell'utilizzo delle batterie è la necessità di sostituirle una volta scaduta la loro vita utile. Al costo della batteria stessa si aggiunge poi l'elevato costo della manodopera necessaria per la sostituzione e l'eventuale smaltimento della batteria usata.
Un'altra considerazione da fare riguarda il costo e le dimensioni delle batterie: è molto facile sovraprogettare una batteria per essere certi che abbia una capacità sufficiente a soddisfare la durata di vita richiesta, che molto spesso è superiore a 10 anni. Tuttavia, una sovraprogettazione comporta un aumento dei costi e delle dimensioni, pertanto è estremamente importante non solo ottimizzare il budget energetico, ma anche ridurre al minimo il consumo energetico, ove possibile, in modo da installare la batteria più piccola possibile che soddisfi comunque i requisiti di progettazione.
L'energia nell'IoT
Ai fini di questa discussione sull'energia, le fonti di alimentazione delle applicazioni IoT possono essere suddivise in tre scenari:
- Dispositivi che utilizzano una batteria non ricaricabile (batteria primaria)
- Dispositivi che richiedono batterie ricaricabili
- Dispositivi che utilizzano la raccolta di energia per alimentare il sistema
Queste fonti possono essere utilizzate singolarmente o, in alternativa, combinate se l'applicazione lo richiede.
Applicazioni con batterie primarie
Sono già note diverse applicazioni che utilizzano batterie primarie, note anche come applicazioni con batterie non ricaricabili. Si tratta di applicazioni che richiedono un'alimentazione occasionale, ovvero il dispositivo viene acceso di tanto in tanto prima di tornare in modalità di sospensione profonda, dove consuma una quantità minima di energia. Il vantaggio principale di questa fonte di alimentazione è che fornisce un'elevata densità di energia e un design più semplice, non essendo necessario contenere i circuiti di carica/gestione della batteria, oltre a un costo inferiore, poiché le batterie sono più economiche e richiedono meno componenti elettronici. Queste batterie sono adatte ad applicazioni a basso costo e a basso consumo energetico. Poiché hanno una durata limitata, non sono adatte per le applicazioni che richiedono un consumo energetico leggermente superiore, poiché ciò comporterebbe un costo sia per la batteria sostitutiva che per il tecnico responsabile della sostituzione delle batterie.
Prendiamo l'esempio di una grande installazione IoT con molti nodi. Quando sul posto è presente un tecnico per sostituire la batteria di un dispositivo, molto spesso tutte le batterie vengono sostituite contemporaneamente per risparmiare sui costi di manodopera. Naturalmente, questo è uno spreco e non fa altro che aggravare il nostro problema globale dei rifiuti. Inoltre, le batterie non ricaricabili forniscono solo circa il 2% dell'energia utilizzata per produrle. Il 98% circa di energia sprecata le rende una fonte di energia estremamente antieconomica.
Ovviamente, trovano posto nelle applicazioni basate sull'IoT. Il loro costo iniziale relativamente basso le rende ideali per applicazioni a bassa potenza. Sono disponibili in vari tipi e dimensioni e non richiedono componenti elettronici aggiuntivi per la ricarica o la gestione, il che le rende una soluzione semplice.
Dal punto di vista della progettazione, la sfida principale da risolvere è sfruttare al massimo l'energia disponibile in queste piccole fonti di energia. A tal fine, dovrebbe essere dedicato molto tempo allo sviluppo di un piano di bilancio energetico per massimizzare la durata della batteria, che in genere è di 10 anni.
Per le applicazioni con batterie primarie, vale la pena prendere in considerazione due membri della nostra famiglia di prodotti nanopower: il contatore di coulomb nanopower LTC3337 e il regolatore buck nanopower LTC3336, mostrati nella Figura 1.
Figura 1. Circuito applicativo di LTC3337 e LTC3336.
L'LTC3336 è un convertitore CC-CC a bassa potenza che funziona con un ingresso fino a 15 V con livello di corrente d'uscita di picco programmabile. L'ingresso può arrivare fino a 2,5 V, il che lo rende ideale per applicazioni alimentate a batteria.
La corrente di riposo è eccezionalmente bassa a 65 nA e si regola senza carico. Per quanto riguarda i convertitori CC-CC, sono abbastanza facili da configurare e utilizzare in un nuovo design. La tensione d'uscita è programmata in base a come sono configurati i pin da OUT0 a OUT3.
Il dispositivo fornito insieme all'LTC3336 è l'LTC3337, un monitor dello stato di salute della batteria primaria nanopower e un contatore di coulomb. Si tratta di un altro dispositivo facile da utilizzare con un nuovo design: è sufficiente configurare i pin IPK in base alla corrente di picco richiesta, che è compresa tra 5 mA e 100 mA. È necessario eseguire alcuni calcoli in base alla batteria selezionata, quindi immettere la capacità di uscita consigliata in base alla corrente di picco selezionata, indicata nella scheda tecnica.
In definitiva, si tratta di un perfetto abbinamento di dispositivi per applicazioni IoT con un budget energetico limitato. Questi dispositivi possono monitorare accuratamente l'energia consumata dalla batteria primaria e convertire in modo efficiente l'uscita in una tensione di sistema utilizzabile.
Applicazioni con batterie ricaricabili
Passiamo ora alle applicazioni ricaricabili. Sono una buona scelta per applicazioni IoT a potenza più elevata o con consumo più elevato, dove la sostituzione frequente della batteria primaria non è un'opzione. Un'applicazione con batteria ricaricabile è più costosa da implementare a causa del costo iniziale delle batterie e del circuito di ricarica, ma nelle applicazioni con consumo più elevato in cui le batterie si scaricano e ricaricano di frequente, questo costo è giustificato e si ammortizza rapidamente.
A seconda della chimica utilizzata, un'applicazione con batteria ricaricabile può avere un'energia iniziale inferiore rispetto a una cella primaria, ma a lungo termine è l'opzione più efficiente e, nel complesso, la migliore che genera meno rifiuti. A seconda del fabbisogno energetico, l'accumulo di energia tramite condensatori o supercondensatori è un'altra soluzione, ma più a breve termine.
La ricarica della batteria prevede diverse modalità e profili speciali diversi a seconda della chimica utilizzata. Ad esempio, il profilo di carica di una batteria agli ioni di litio è mostrato nella Figura 2. In basso è riportata la tensione della batteria, mentre la corrente di carica è riportata sull'asse verticale.
Figura 2. Corrente di carica rispetto alla tensione della batteria.
Quando la batteria è molto scarica, come mostrato a sinistra nella Figura 2, il caricabatterie deve essere sufficientemente intelligente da metterla in modalità di precarica per aumentare lentamente la tensione della batteria fino a un livello sicuro prima di passare alla modalità di corrente costante.
Nella modalità di corrente costante, il caricabatterie spinge la corrente programmata nella batteria finché la tensione della batteria non raggiunge la tensione fluttuante programmata.
La tensione e la corrente programmata sono entrambe definite dal tipo di batteria utilizzata: la corrente di carica è limitata dalla velocità C e dal tempo di carica richiesto, mentre la tensione fluttuante si basa su ciò che è sicuro per la batteria. I progettisti di sistema possono ridurre leggermente la tensione fluttuante per migliorare la durata della batteria, se richiesto dal sistema. Come tutto ciò che riguarda l'energia, è una questione di compromessi.
Quando viene raggiunta la tensione fluttuante, si può osservare che la corrente di carica scende a zero e questa tensione viene mantenuta per una durata basata sull'algoritmo di terminazione.
Nella Figura 3 viene mostrato un grafico diverso per un'applicazione a 3 celle che rappresenta il comportamento nel tempo. La tensione della batteria è mostrata in rosso e la corrente di carica in blu. Inizia in modalità di corrente costante, raggiungendo un picco di 2 A finché la tensione della batteria non raggiunge la soglia di tensione costante di 12,6 V. Il caricabatterie mantiene questa tensione per il periodo di tempo definito dal timer di terminazione, in questo caso una finestra di 4 ore. Questo periodo di tempo può essere programmato su molti caricabatterie.
Figura 3 Tensione/corrente di carica in funzione del tempo.
Nella Figura 4 viene mostrato un esempio di caricabatterie buck versatile, l'LTC4162, che può fornire una corrente di carica fino a 3,2 A ed è adatto per un'ampia gamma di applicazioni, come strumenti portatili e applicazioni che richiedono batterie più grandi o batterie a celle multiple. Può essere utilizzato anche per caricare da fonti solari.
Figura 4. Il caricabatterie buck LTC4162 da 3,2 A.
Applicazioni di raccolta di energia
La raccolta di energia può essere un'altra opzione da considerare quando si ha a che fare con le applicazioni IoT e le fonti di energia. Naturalmente il progettista dell'impianto deve considerare diversi aspetti, ma il fascino dell'energia gratuita non può essere sottovalutato, soprattutto per le applicazioni dove i requisiti di potenza non sono eccessivi e dove l'installazione deve essere eseguita senza interventi manuali, vale a dire che nessun tecnico può accedervi.
Esistono molte fonti di energia diverse e non è necessario utilizzarle all'aperto per trarne vantaggio. È possibile raccogliere energia solare, piezoelettrica o vibrazionale, nonché energia termoelettrica e persino energia RF (sebbene il livello di potenza sia molto basso).
Nella Figura 5 viene mostrato un livello energetico approssimativo per diversi metodi di raccolta dell'energia.
Figura 5. Fonti energetiche e livelli approssimativi disponibili per diverse applicazioni.
Per quanto riguarda gli svantaggi, il costo iniziale è più elevato rispetto ad altre fonti energetiche discusse in precedenza, poiché è necessario un elemento di raccolta come un pannello solare, un ricevitore piezoelettrico o un elemento Peltier, nonché il circuito integrato di conversione dell'energia e i componenti di attivazione associati.
Un altro svantaggio è la dimensione complessiva della soluzione, soprattutto se paragonata a una fonte di alimentazione come una pila a bottone. È difficile ottenere una soluzione di piccole dimensioni con un raccoglitore di energia e un circuito integrato di conversione.
In termini di efficienza, può essere difficile gestire bassi livelli di energia. Questo perché molte delle fonti di alimentazione sono a corrente alternata, pertanto devono essere rettificate. A questo scopo vengono utilizzati i diodi. Il progettista deve affrontare la perdita di energia derivante dalle loro proprietà intrinseche. Questo impatto può essere mitigato aumentando la tensione in entrata, ma ciò non è sempre possibile.
I dispositivi citati più frequentemente nelle discussioni sulla raccolta di energia appartengono alla famiglia di prodotti ADP509x e all'LTC3108, che può ospitare un'ampia gamma di fonti di raccolta di energia con percorsi di alimentazione multipli e opzioni di gestione del carico programmabili che offrono la massima flessibilità di progettazione. È possibile utilizzare numerose fonti di energia per alimentare l'ADP509x, ma anche per estrarre energia da tale fonte di alimentazione per caricare una batteria o alimentare un carico del sistema. Per alimentare il nodo IoT è possibile utilizzare qualsiasi cosa, dall'energia solare, sia interna che esterna, ai generatori termoelettrici per estrarre energia termica dal calore corporeo in applicazioni indossabili o dal calore del motore. Un'altra opzione è quella di raccogliere energia da una fonte piezoelettrica, che incrementa la flessibilità ed è perfetta, ad esempio, per estrarre energia da un motore in funzione.
Figura 6: Diagramma a blocchi dell'ADP5090 in un'applicazione di raccolta.
Un altro dispositivo che può essere alimentato da una sorgente piezoelettrica è l'ADP5304, che funziona con una corrente di quiescenza molto bassa (di solito 260 nA senza carico), rendendolo ideale per applicazioni di raccolta di energia a bassa potenza. La scheda tecnica contiene un tipico circuito di applicazione di raccolta di energia (vedere Figura 7), alimentato da una sorgente piezoelettrica e utilizzato per alimentare un ADC o un circuito integrato RF.
Figura 7. Circuito di applicazione della sorgente piezoelettrica ADP5304.
Gestione dell'energia
La gestione dell'energia è un altro aspetto da affrontare in qualsiasi discussione di applicazioni con un budget energetico limitato. Si inizia sviluppando un calcolo del bilancio energetico dell'applicazione prima di considerare diverse soluzioni di gestione energetica. Questo passaggio essenziale aiuta i progettisti di sistema a comprendere i componenti chiave utilizzati nel sistema e la quantità di energia di cui hanno bisogno. Ciò influisce sulla loro decisione di scegliere come metodo di alimentazione una batteria primaria, una batteria ricaricabile, un sistema di raccolta di energia o una combinazione di questi.
La frequenza con cui il dispositivo IoT raccoglie un segnale e lo rimanda al sistema centrale o al cloud è un altro dettaglio importante per la gestione dell'energia, poiché ha un grande impatto sul consumo energetico complessivo. Una tecnica comune consiste nell'utilizzare l'energia in modo ciclico o nell'allungare il ritardo tra la riattivazione del dispositivo e la raccolta e/o l'invio dei dati.
Anche l'utilizzo della modalità di sospensione su ciascuno dei dispositivi elettronici (se disponibile) è utile per tentare di gestire il consumo energetico del sistema.
Conclusione
Come per tutte le applicazioni elettroniche, è importante prendere in considerazione come primo aspetto la parte del circuito relativa alla gestione dell'energia. Ciò è ancora più importante nelle applicazioni con vincoli di potenza come l'IoT. Lo sviluppo di un budget energetico nelle prime fasi del processo può aiutare il progettista di sistema a identificare il percorso più efficiente e i dispositivi appropriati che rispondono alle sfide poste da queste applicazioni, ottenendo al tempo stesso un'elevata efficienza energetica in una soluzione di piccole dimensioni.