Contexte

L’« Internet des objets » (IdO) fait référence à une tendance croissante à connecter à l’Internet, et donc entre eux, non seulement les personnes et les ordinateurs, mais aussi toute sorte d’objets. Comme exemple, prenez, si vous le voulez bien, des applications telles que des usines ou des projets de grandes infrastructures, où la connexion d’un plus grand nombre de capteurs (ou d’actionneurs) placés à un plus grand nombre d’endroits, peuvent augmenter l’efficacité, améliorer la sécurité, et permettre la mise œuvre de nouveaux modèles commerciaux inédits.

Traditionnellement, les différents types de capteurs étaient connectés à leurs alimentations par des fils. Cependant, aujourd’hui, des capteurs sans fil, fiables et assez robustes pour les environnements industriels, peuvent être mis en place et permettent d’éliminer les problèmes et les dépenses induits par l’installation de fils partout autour d’un site ; ils fonctionnent pendant des années à l’aide d’une petite pile, ou même récupèrent l’énergie émise par des sources telles que la lumière, les vibrations ou les gradients de température. De plus, l’utilisation d’une combinaison d’une pile rechargeable et de plusieurs sources d’énergie ambiantes est aussi possible. Enfin, dans certains cas où pour des raisons de sécurité intrinsèque, certaines piles rechargeables ne peuvent pas être rechargées par des fils, elles peuvent l’être par des techniques de transmission d’énergie sans fil.

Introduction

Les techniques de pointe de récupération de l’énergie (energy harvesting ou EH), prêtes à l’emploi, par exemple la récupération d’énergie de vibration et les cellules photovoltaïques d’intérieur, fournissent des niveaux de puissance de l’ordre du milliwatt dans les conditions normales de fonctionnement. Si de tels niveaux de puissance semblent plutôt limités, lorsque ces éléments de récupération fonctionnent pendant plusieurs années, les techniques de récupération de l’énergie deviennent comparables aux piles longue durée non rechargeables, à la fois en termes d’approvisionnement en énergie et en coût par unité d’énergie produite. De plus, les systèmes intégrant la récupération d’énergie vont normalement pouvoir se recharger après s’être déchargés, ce que les systèmes alimentés par des piles non rechargeables ne peuvent pas faire.

Toutefois, la plupart des installations utilisent une source d’énergie ambiante comme alimentation principale, mais elle est complétée par une pile qui prend le relais si la source d’énergie ambiante disparait ou est coupée. Cette pile peut être rechargeable ou non et ce choix se fait normalement en fonction de l’application finale. Il s’en suit que si le déploiement final permet d’accéder facilement pour changer une pile non rechargeable, et que le personnel de l’entretien est en mesure d’aller la changer immédiatement de manière rentable, alors cela se justifie économiquement. Cependant, si changer la pile est difficile et cher, alors l’utilisation de piles rechargeables est la solution à choisir du point de vue économique.

Même si le choix d’une pile rechargeable a été fait, la question de la méthode optimale de recharge reste à régler. Quelques-uns des facteurs influençant la décision à prendre sont :

1)    Est-ce qu’il y a une alimentation avec fils pour recharger la pile
2)    Est-ce qu’il y a suffisamment de puissance provenant des sources d’énergie ambiantes pour, à la fois, alimenter le réseau de capteurs sans fil (RCSF) et recharger la pile
3)    Est-ce que la transmission d’énergie sans fil est nécessaire pour recharger la pile à cause des besoins de sécurité intrinsèque en raison de la nature dangereuse de son déploiement

Des solutions d’EH et de recharge sans fil appropriées

Heureusement pour les concepteurs de systèmes d’une telle complexité, il existe un certain nombre de circuits intégrés de puissance assez performants et équipés pour permettre d’utiliser des niveaux de puissance récupérée aussi faibles dans les applications de technique portable. Linear Technology a récemment introduit deux produits dans cet objectif, le LTC3331 et le LTC4120.

Le premier est le LTC3331, un dispositif de récupération d’énergie qui allonge la durée de vie des piles (extender), représenté figure 1.

Figure 1. Augmentation de durée de vie de pile et récupération d'énergie LTC3331

Figure 1. Augmentation de durée de vie de pile et récupération d’énergie LTC3331

Le LTC3331 est une solution complète de régulation d’EH qui fournit jusqu’à 50mA de courant de sortie en continu pour allonger la durée de vie des piles quand une énergie de récupération est disponible. Il ne consomme pas de courant d’alimentation de la pile quand il fournit la puissance régulée issue de l’énergie récupérée à la charge, et ne consomme que 950nA de courant à vide lorsqu’il est alimenté par la pile. Le LTC3331 comporte une alimentation à EH haute tension, plus un convertisseur synchrone DC/DC abaisseur – élévateur alimenté par une pile rechargeable, qui génèrent une sortie unique en continu pour les applications de récupération d’énergie telles que celles rencontrées dans les RCSF.

L’alimentation en EH du LTC3331, constituée d’un circuit redresseur en pont, compatible avec des entrées AC ou DC, et d’un convertisseur synchrone abaisseur à haut rendement, récupère l’énergie émise par des sources piézoélectriques (AC), solaires (CC) ou magnétiques (AC). Un shunt de 10mA permet de recharger la pile simplement à l’aide de l’énergie récupérée, et une fonction de déconnexion de pile déchargée protège la pile d’une décharge profonde. La pile rechargeable alimente un convertisseur synchrone mixte, fonctionnant entre 1,8V et 5,5V à l’entrée, utilisé quand l’énergie récupérée n’est pas disponible pour réguler la sortie, que la tension d’entrée soit supérieure, inférieure ou égale à la tension de sortie. Le chargeur de pile du LTC3331 présente un gestionnaire de puissance très important, ce qui ne doit pas être négligé lorsqu’il s’agit de microalimentations. Le LTC3331 incorpore une commande logique du chargeur de la pile, de telle façon qu’il ne charge la pile que lorsque l’approvisionnement en énergie récupérée est excédentaire. Sans cette fonction logique, la source d’énergie récupérée serait coincée au démarrage à un point de fonctionnement non optimal, et ne pourrait pas alimenter, comme prévu, l’application pendant son démarrage. Le LTC3331 effectue automatiquement la transition vers la pile quand la source d’énergie récupérée n’est plus disponible. Ceci présent l’avantage supplémentaire d’allonger la durée de fonctionnement du RCSF alimenté par pile de 10 à 20 ans, si une source d’énergie EH appropriée est disponible au moins pendant la moitié du temps, et encore plus si la source d’énergie EH est présente encore plus fréquemment. Un compensateur à supercondensateurs est aussi intégré pour accroître le stockage de l’énergie en sortie. En plus des options de récupération d’énergie qui se multiplient constamment, l’IdO bénéficie également des techniques améliorées de recharge sans fil parce que la recharge sans fil rend possible la recharge de pile quand il n’est pas facile de toucher physiquement la pile.

Le LTC4120 est le second circuit introduit récemment pour ces applications ; c’est un récepteur de puissance et chargeur de pile sans fil, qui intègre aussi une technique brevetée de PowerbyProxi (un partenaire technologique de Linear). La technique brevetée de contrôle d’harmonisation dynamique (Dynamic Harmonization Control ou DHC) de PowerbyProxi permet une recharge sans contact à haut rendement, sans problème de surcontrainte thermique ou électrique dans le récepteur. Cette technique permet de transmettre jusqu’à 2W sur une distance de 1,0cm maximum. Cependant, pour une pile rechargeable unique au lithium (Li-Ion), la tension de charge maximum de 4,2V et le courant de charge maximum de 400mA limitent cette valeur à 1,7W. De même, le maximum de 2W limite les piles Li-ion série 2 (tension de charge maximum de 8,4V) à 240mA de courant de charge.

Les caractéristiques de puissance, de rendement, de plage de fonctionnement et d’encombrement déterminent les performances du système ; ainsi le système d’alimentation sans fil basé sur le LTC4120 a été conçu pour recevoir jusqu’à 2W au niveau de la pile, jusqu’à une distance de 1,0cm, lorsqu’il est utilisé avec l’une des options de transmission. Les calculs de rendement varient énormément en fonction de la technique et des composants utilisés. Habituellement, la pile reçoit 45%-55% de la puissance d’entrée DC qui alimente l’émetteur dans un système basé sur le LTC4120.

La technique brevetée de réglage DHC de PowerbyProxi, intégrée dans le LTC4120, présente des avantages importants par rapport aux autres solutions d’alimentation sans fil. En réponse aux changements d’environnement et de charge, le DHC fait varier de façon dynamique la fréquence de résonance du circuit oscillant final sur le récepteur. Le DHC atteint un rendement de transmission de puissance plus élevé, ce qui permet d’utiliser des récepteurs plus petits, tout en offrant une portée de transmission plus grande. Contrairement aux autres technologies de transmission de puissance sans fil, le DHC permet une gestion intrinsèque du niveau de puissance de par l’existence du champ d’énergie inductive, éliminant la nécessité d’un canal de communication séparé pour valider les récepteurs ou pour gérer les variations de charge pendant le cycle de recharge de la pile.

Il est clair que le DHC résout un problème fondamental de tous les systèmes d’alimentation sans fil. Chaque système doit être conçu pour recevoir une certaine quantité de puissance à une distance de transmission maximum donnée. Chaque système doit aussi être conçu pour survivre à vide à une distance de transmission minimum. Les alternatives concurrentes résolvent ce problème avec un système de communication numérique compliqué, qui accroît la complexité et entraîne des coûts supplémentaires, en limitant la distance de transmission de la puissance. Le système d’alimentation sans fil basé sur le LTC4120 résout ce problème en incorporant la technologie DHC de PowerbyProxi.

Figure 2. Schéma d'application du LTC4120 illustrant un circuit complet de recharge de pile sans fil

Figure 2. Schéma d’application du LTC4120 illustrant un circuit complet de recharge de pile sans fil

Conclusion

Bien que les applications RCSF industrielles avec des systèmes de récupération d’énergie sans fil présentent une large gamme de niveaux de puissance, de quelques microwatts à plus d’un watt, il existe des circuits de conversion de puissance prêts à l’emploi pour le concepteur de système.

Heureusement, le dispositif d’augmentation de durée de vie de pile et de récupération d’énergie LTC3331, ainsi que le chargeur de pile sans fil LTC4120, sont équipés pour un large éventail d’applications basse à moyenne puissance, permettant l’explosion d’une nouvelle catégorie dénommée l’Internet des objets.

Tony Armstrong Directeur du marketing produit (Produits de puissance)
Linear Technology Corporation