Quand et comment utiliser la récupération d'énergie pour alimenter l'IoT massif

Le déploiement de la 5G entraîne une explosion du nombre de réseaux de capteurs sans fil pour l'Industrie 4.0, d'applications de logistique intelligente, de villes intelligentes, d'agriculture intelligente et d'autres applications d'IoT massif. Ce faisant, il offre aux concepteurs une occasion unique de repenser de nombreux aspects des architectures réseau, notamment grâce à de nouveaux paradigmes d'alimentation.

La mise à disposition d'une alimentation fiable et évolutive pour des milliards de nœuds sans fil est un problème délicat. S'il n'est pas résolu, le déploiement de l'IoT massif sera entravé. La simple utilisation d'un plus grand nombre de batteries ne suffira pas. Dans un nombre croissant de cas, il sera nécessaire de compléter l'utilisation des batteries avec d'autres systèmes ou de les éliminer. À leur place, diverses formes de récupération d'énergie seront requises pour alimenter des composants majeurs de l'IoT massif. Heureusement pour les concepteurs, les technologies de récupération d'énergie continuent à progresser, ce qui en fait une alternative de plus en plus attractive pour l'alimentation des dispositifs de l'IoT massif.

Cet article examine brièvement les défis posés par l'alimentation de milliards de nœuds sans fil de l'IoT massif et certains facteurs à prendre en compte pour déterminer si la récupération d'énergie peut représenter une solution viable. Il passe ensuite en revue les circuits intégrés de gestion de l'alimentation avec récupération d'énergie d'EM Microelectronic et de Nowi, ainsi que les environnements de développement permettant d'accélérer l'évaluation de la récupération d'énergie dans l'IoT massif.

Il existe cinq facteurs à prendre en compte pour décider de l'alimentation des nœuds d'IoT massif :

• Débit de données
• Portée de transmission
• Latence
• Environnement de fonctionnement
• Impact environnemental et gestion/logistique

Le débit de données, la portée et la latence ont un impact sur les besoins en alimentation moyens et de crête du nœud, et dépendent du protocole de communication sans fil utilisé. Par exemple, lors de l'utilisation du protocole Bluetooth Low Energy, un panneau photovoltaïque (PV) carré de 10 centimètres (cm) de côté peut prendre en charge des transmissions périodiques de paquets de données aux fréquences approximatives suivantes :

• Toutes les 100 millisecondes (ms) avec les niveaux d'éclairage intérieur que l'on trouve dans les magasins
• Toutes les 200 ms avec les niveaux d'éclairage des environnements typiques de bureau
• Toutes les 2 secondes (s) avec les niveaux d'éclairage des entrepôts et des usines

L'environnement de fonctionnement a également un impact sur la pertinence du choix des batteries et sur leur coût. Dans les environnements relativement favorables comme les magasins de vente au détail ou les bureaux, des batteries moins coûteuses peuvent offrir des durées de vie raisonnables, ce qui rend la récupération d'énergie relativement plus chère. Si le nœud sans fil est déployé dans un environnement industriel difficile ou en extérieur, la composition chimique de la batterie devra être plus coûteuse, ce qui rendra la récupération d'énergie plus attractive.

L'impact environnemental et les problèmes de gestion entrent également en jeu. Les batteries primaires ont une durée de vie limitée, ce qui augmente le nombre de remplacements de batteries nécessaires et donc les coûts de maintenance et de gestion/logistique, entraînant ainsi un impact environnemental négatif lié à l'élimination des batteries. Pour résoudre ces nombreux problèmes, les concepteurs ont le choix entre plusieurs architectures d'alimentation à récupération d'énergie :

• Alimentation par batterie primaire avec récupération d'énergie supplémentaire pour prolonger la durée de vie de la batterie, conservant les avantages de l'alimentation par batterie tout en réduisant les impacts négatifs
• Batterie rechargeable combinée à la récupération d'énergie pour étendre la durée de vie et éliminer le remplacement de la batterie
• Condensateurs ou supercondensateurs combinés à la récupération d'énergie pour un système sans batterie et une durée de vie étendue

Contrôleur de récupération d'énergie et circuit intégré de gestion de l'alimentation

Pour les applications qui peuvent bénéficier d'un circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC) et d'un contrôleur de récupération d'énergie combinés, les concepteurs peuvent se tourner vers l'EM8500 d'EM Microelectronic. Ce PMIC offre une conversion optimale d'énergie (MPPT) pour la source de récupération d'énergie et quatre tensions de sortie indépendantes pour diverses fonctions système (Figure 1). Il peut communiquer avec différentes technologies de récupération d'énergie, notamment les générateurs thermoélectriques (TEG) et les cellules photovoltaïques dans la plage des microwatts (µW) aux milliwatts (mW). L'EM8500 peut être utilisé en combinaison avec des batteries primaires ou secondaires, des condensateurs conventionnels ou des supercondensateurs. Le modèle EM8500-A001-LF24B+ est fourni en boîtier QFN de 4 mm x 4 mm à 24 broches.

Figure 1 : Le PMIC EM8500 inclut une conversion optimale d'énergie pour la source de récupération d'énergie et fournit quatre tensions de sortie pour le système. (Source de l'image : EM Microelectronic)

Kit de développement EM8500

Les concepteurs peuvent utiliser le kit de développement EMDVK8500 pour configurer et évaluer l'EM8500 (Figure 2). Ce kit de développement inclut le logiciel nécessaire pour configurer l'EM8500 et les outils pour mesurer les performances de la solution obtenue.

Figure 2 : L'EMDVK8500 permet de configurer le PMIC EM8500 et de mesurer les performances de la solution obtenue. (Source de l'image : EM Microelectronic)

Circuit intégré de contrôleur de récupération d'énergie et carte d'évaluation

Pour les conceptions qui ne nécessitent pas de solution complète de gestion de l'alimentation, le NH2D0245 de Nowi est un contrôleur de récupération d'énergie compact et hautes performances avec MPPT pour les applications basse consommation, en boîtier QFN de 3 mm x 3 mm à 16 sorties (Figure 3). Le NH2D0245 peut être utilisé avec diverses sources de récupération d'énergie, notamment photovoltaïques, inductives et piézoélectriques, ainsi qu'avec des dispositifs de stockage d'énergie comme des batteries rechargeables ou des supercondensateurs. L'algorithme MPPT fonctionne indépendamment du système de récupération d'énergie spécifique et peut détecter le point de puissance maximum avec un intervalle de 1 s, ce qui optimise le rendement dans les environnements dynamiques.

Figure 3 : Le contrôleur de récupération d'énergie NH2D0245 inclut la conversion MPPT et est fourni en boîtier QFN miniature de 3 mm2. (Source de l'image : Nowi)

La carte d'évaluation NH2D0245 est conçue pour accélérer les tests des performances et des fonctionnalités du NH2D0245 (Figure 4). Pour utiliser cette carte d'évaluation, un récupérateur d'énergie, une batterie ou un supercondensateur, ainsi que des multimètres sont nécessaires. En cas d'utilisation d'un récupérateur d'énergie avec une sortie en courant alternatif (CA), comme un récupérateur piézoélectrique, un redresseur doit être ajouté entre le récupérateur d'énergie et l'entrée en courant continu (CC) de la carte d'évaluation.

Figure 4 : La carte d'évaluation NH2D0245 peut accélérer les tests de fonctionnalités et de performances du contrôleur de récupération d'énergie. (Source de l'image : Nowi)

Conclusion

Le déploiement de l'IoT massif rendu possible par la 5G offrira aux concepteurs des défis passionnants et des occasions de repenser la façon dont sont alimentés les nœuds sans fil. Différents facteurs techniques, environnementaux et économiques doivent être pris en compte pour déterminer l'architecture d'alimentation optimale pour chaque application. Il sera nécessaire d'utiliser plusieurs approches basées sur la récupération d'énergie pour améliorer les capacités des batteries. Dans de nombreux cas, la récupération d'énergie sera combinée avec des batteries primaires ou secondaires, des condensateurs conventionnels ou des supercondensateurs.