Utilisation de cellules solaires pour alimenter un ordinateur monocarte Raspberry Pi 3

Par Rédacteurs européens

Avec la contribution de Rédacteurs européens de Digi-Key

Les ordinateurs monocarte à bas coût tels que les derniers Raspberry Pi 3 sont de plus en plus utilisés dans les conceptions embarquées sans interface graphique pour les applications de surveillance et de contrôle. Le développement d'applications dans un langage de haut niveau sur une distribution Linux avec connectivité sans fil intégrée sur la carte offre de nouveaux moyens de développer et de fournir des applications innovantes.

L'alimentation de ces cartes a été relativement simplifiée grâce à des chargeurs de téléphone portable grand public de 5 V. Cependant, on note également un intérêt croissant pour l'utilisation de l'énergie produite grâce à l'environnement. Les concepteurs de systèmes bénéficient ainsi d'une plus grande flexibilité pour placer les cartes dans des endroits difficilement desservis par des lignes électriques. Les exigences d'alimentation de ces cartes font que les batteries rechargeables ne sont pas viables sans alimentation externe, qui peut être fournie à l'aide de cellules solaires.

L'utilisation de cellules solaires pour alimenter des ordinateurs monocarte embarqués se présente comme une solution de plus en plus viable pour les systèmes qui ne nécessitent pas d'écran. La combinaison de la baisse de la consommation énergétique des dispositifs sur les cartes et de l'augmentation du rendement des cellules solaires et des puces de gestion de la puissance offre la possibilité d'utiliser les cellules pour alimenter directement la carte et pour effectuer la charge lente d'un sous-système de batterie. La batterie peut ainsi assurer l'alimentation de l'ordinateur monocarte et des liaisons de communications pendant des mois, voire des années.

L'ordinateur Raspberry Pi 3 de Raspberry Pi constitue un élément clé de cette évolution, car il intègre des fonctionnalités Wi-Fi et Bluetooth sur sa carte, avec un processeur ARM® Cortex®-A53 à quatre cœurs de 1,2 GHz. Cela permet d'éviter la consommation énergétique plus importante liée à l'utilisation d'un adaptateur sans fil via le port USB. La carte est spécifiée pour fonctionner à un courant maximal de 2,4 A pour prendre en charge des périphériques sur les ports USB.

La consommation de la carte est de 31 mA en repos et passe à 580 mA en condition de charge pour le processeur et la mémoire. L'autre charge de courant concerne le contrôleur USB SMSCLAN9514, qui utilise 74 mA en mode veille. Le courant de 594 mA pour la connexion Ethernet n'est pas significatif, car l'alimentation peut être fournie avec un câble Ethernet.

Image de la carte Raspberry Pi 3 de Seeed Technology

Figure 1 : La carte Raspberry Pi 3 de Raspberry Pi intègre la connectivité sans fil.

La consommation énergétique de la connexion sans fil dépend du rapport cyclique défini, et elle doit être planifiée pour démarrer après la carte principale pour éviter une exigence de courant de crête trop élevée.

Cela détermine l'exigence de puissance de démarrage d'environ 700 mA à 900 mA, et d'un courant de repos d'environ 150 mA qui doit être pris en charge par une source de récupération d'énergie.

Cette énergie peut être fournie par une série de panneaux comme le MIKROE-651 de MikroElektronika. Ces panneaux fournissent une sortie de 4 V à 100 mA, ce qui permet d'utiliser jusqu'à neuf panneaux mesurant chacun 70 mm x 65 mm en parallèle pour fournir le courant de démarrage. Alternativement, le dispositif AM-5902 de Panasonic, mesurant 150 mm x 37 mm, délivre jusqu'à 60 mA, ce qui ne nécessite que trois panneaux pour répondre aux exigences d'alimentation de repos.

Image du panneau solaire AM-5902 de Panasonic

Figure 2 : Panneau solaire AM-5902 de Panasonic.

Si deux de ces panneaux permettent de fournir l'alimentation de repos, cela démontre la nécessité d'une batterie rechargeable de secours et d'un sous-système de gestion de l'alimentation. Ces panneaux peuvent alors être utilisés pour effectuer la charge lente de la batterie pour prendre en charge les pics d'utilisation de la carte lors de la collecte de données ou de l'envoi de ces données vers une passerelle.

Le sous-système de batterie rechargeable peut être géré par un dispositif comme le bq25504 de Texas Instruments. Ce dispositif permet de charger la batterie et d'éviter que celle-ci ne se décharge en cas de baisse de l'alimentation de courant des cellules, mais également de gérer les sources fluctuantes, comme les dispositifs de récupération d'énergie.

Pour fournir la tension de 5 V requise par l'ordinateur monocarte, deux panneaux solaires sont connectés en parallèle et reliés à une batterie rechargeable pour fournir le courant requis.

Cela nécessite un convertisseur à découpage élévateur ou abaisseur et un chargeur de batterie, en plus de la batterie. Le convertisseur permet à la batterie de capturer toute l'énergie provenant des panneaux en reliant une inductance à une source d'alimentation, ce qui permet l'accumulation de courant d'inductance qui stocke l'énergie dans l'inductance. Dans le deuxième cycle, un changement du trajet du courant permet à l'inductance de transférer l'énergie accumulée vers la charge. La tension de charge peut être supérieure ou inférieure à celle de la source d'alimentation de l'inductance.

Schéma de la puce de gestion de l'alimentation bq25504 de Texas Instruments

Figure 3 : Connexion de la puce de gestion de l'alimentation bq25504 à une batterie et à des panneaux solaires.

Toutefois, le raccordement de l'inductance directement à un panneau solaire est inefficace. C'est pourquoi il faut utiliser un condensateur. En surveillant la tension au niveau du condensateur, le convertisseur à découpage peut être activé lorsque la sortie du panneau se trouve à sa valeur maximale. Le condensateur recueille également l'énergie provenant des cellules lorsque la tension de sortie n'est pas suffisamment élevée pour démarrer le convertisseur. Toute l'énergie peut ainsi être recueillie et stockée.

Cela signifie que le convertisseur fonctionne en rafales lorsque le condensateur présente une charge suffisante, ce qui permet une charge rapide de la batterie. Toutefois, il peut être difficile de mettre fin à une charge rapide, car il n'y a aucune indication de l'arrivée de la prochaine rafale.

Une approche consiste à surveiller la tension de sortie avec un autre comparateur, en désactivant la commutation lorsque la tension atteint une limite élevée et en l'activant lorsque la tension baisse en dessous d'un niveau prédéterminé.

Le bq25504 a été spécialement conçu pour effectuer une acquisition et une gestion efficaces de la sortie des cellules solaires à l'aide d'un chargeur et d'un convertisseur élévateur haut rendement. Le dispositif commence avec un chargeur/convertisseur élévateur CC/CC qui n'a besoin que de quelques microwatts de puissance des cellules pour commencer à fonctionner et extraire ensuite efficacement du courant.

La Figure 3 montre un circuit typique, qui consiste à raccorder un panneau solaire au bq25504 et à un sous-système de batterie pour collecter le courant afin d'alimenter la carte. Le bq25504 utilise une sortie de surveillance de batterie qui peut être raccordée aux broches E/S à usage général de la carte Raspberry Pi 3. Le bq25504 est monté sur une carte d'évaluation illustrée à la Figure 4, qui peut être utilisée pour fournir la liaison entre les cellules solaires et la batterie.

Lorsque la sortie du convertisseur élévateur, VSTOR, atteint 1,8 V pour alimenter le convertisseur, le convertisseur élévateur principal peut alors extraire efficacement le courant des cellules solaires. Il commence à partir d'une tension VIN_DC de 330 mV typique et, une fois que la sortie VSTOR atteint 1,8 V, il peut continuer la récupération d'énergie à VIN_DC ≃ 120 mV. Le convertisseur abaisseur PFM intégré est également alimenté à partir de VSTOR et, en supposant qu'une alimentation d'entrée suffisante est disponible, il fournit jusqu'à 100 mA à partir de la broche VOUT.

Image de la carte d'évaluation bq25504 de Texas Instruments

Figure 4 : La carte d'évaluation bq25504 peut être utilisée pour alimenter une carte Raspberry Pi 3 à partir de cellules solaires.

Un élément clé du convertisseur est la recherche du point de puissance maximale (MPP) des cellules solaires. Ce point MPP varie en fonction de la quantité de lumière sur le panneau et de la température, et implémente un réseau d'échantillonnage de recherche de point de puissance maximale (MPPT) programmable pour optimiser le transfert d'énergie vers le dispositif. Le bq25504 effectue toutes les 16 secondes un échantillonnage périodique de la tension d'entrée du circuit ouvert en désactivant le convertisseur élévateur pendant 256 ms. Il stocke alors le rapport MPP programmé de la tension OC sur le condensateur de référence externe (C2) à VREF_SAMP. Les cellules solaires se trouvent généralement au niveau de leur point MPP lorsqu'elles sont chargées à environ 80 % de leur tension de sortie. Lorsque la batterie présente une tension inférieure à la tension maximale programmée par l'utilisateur (VBAT_OV), le chargeur élévateur charge les cellules solaires jusqu'à ce que la tension VIN_DC atteigne la tension MPP. Le chargeur élévateur peut alors réguler la tension d'entrée du convertisseur jusqu'à ce que la sortie atteigne VBAT_OV, en transférant la quantité maximale de puissance à la batterie. Cette puissance est ensuite utilisée pour fournir l'alimentation requise par la carte.

Conclusion

La connexion d'un ordinateur monocarte de 5 V avec connectivité sans fil intégrée, comme le Raspberry Pi 3, à une cellule solaire nécessite une batterie intermédiaire et un sous-système de gestion de l'alimentation pour fournir le courant constant requis. L'utilisation d'un dispositif tel que le bq25504 fournit la recherche du point de puissance maximale permettant de s'assurer que la charge de la batterie est optimisée, et fournit une ligne de contrôle à la carte. La carte peut ainsi être utilisée dans des zones sans électricité et continuer à envoyer des données au réseau.

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