Développement d'un module d'énergie pour Internet des Objets

Présentation générale

Description

Notre sujet est le suivant :

Les objets connectés sont en plein essor. Une des limitations à l'usage généralisés de ces nouvelles technologies est leur faible autonomie énergétique. En effet, il n'est pas imaginable de maintenir régulièrement les batteries d'un grand nombre d'objets dispersés dans l'environnement et parfois inaccessibles.

Pour augmenter la durée de vie des objets connectés, il est nécessaire de disposer de sources d'énergie compactes et performantes. Nous proposons de :

développer une source d'énergie composée d'une batterie et d'un supercondensateur
tester l'autonomie énergétique sur des scénarii "réalistes"
adjoindre une source de récupération d'énergie (solaire, magnétique, ...).

Le but de notre projet, comme le décrit assez bien son titre et l'explication ci-dessus, est de concevoir un module permettant le rechargement d'objets intelligents. Pour expliquer rapidement notre projet, il s'agit de permettre à un objet connecté (consommant peu de puissance) de pouvoir être complètement autonome en énergie. Afin de réaliser ce projet, nous allons développer un module composé d'un module solaire, d'une batterie et d'un super-condensateur qui permettra d'alimenter en continu l'objet connecté (un capteur par exemple) et d'utiliser soit le panneau solaire, soit le super-condensateur soit la batterie en fonction des demandes en énergie de l'objet. Bien évidemment il sera possible d'allier plusieurs de ces sources d'énergie en cas de demande importante d'énergie (importante par rapport au capteur).

Objectifs

Développer une source d'énergie composée d'une batterie et d'un super-condensateur ;
Tester l'autonomie énergétique sur des scénarii "réalistes" ;
Adjoindre une source de récupération d'énergie (solaire, magnétique, ...).
Déterminer les niveaux de puissances nécessaires
Déterminer quand utiliser une source d’énergie ou une autre ou les deux

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

Concernant notre positionnement par rapport à l'existant, nous pouvons dire que notre projet est tout aussi intéressant et audacieux que ceux de nos concurrents. En effet, à défaut d'équiper ce module d'alimentation sur un appareil bien précis le plus rapidement possible, notre module est, contrairement aux autres, adaptable en fonction des capteurs car de très nombreux capteurs nécessitent plus ou moins le même niveau de puissance pour fonctionner et nous pouvons, grâce aux 3 sources d'alimentations, gérer les différences de puissance et alimenter de très nombreux capteurs.

Analyse du premier concurrent

L’idée de rendre un capteur autonome en énergie étant une idée assez récente, notre projet possède assez peu de concurrents directs. Néanmoins il existe tout de même des projets ayant le même but. Le premier projet que nous allons présenter ici est un projet du consortium de recherche Guardian Angels. Ce consortium possède 28 partenaires du projet parmi lesquels figurent des laboratoires de recherche publics (CNRS, CEA, Cambridge…) et des laboratoires industriels ( ST Micro, Thales, IBM ou Intel). Leur but est de mettre au point des nouvelles générations de capteurs autonomes sans fils. Pour mettre au point ces capteurs, ils ont décidé d’intégrer dans un même dispositif le capteur, le processeur et la mémoire pour traiter les données recueillies, le système de communication sans fil et enfin la source d’énergie pour alimenter l’ensemble. Pour ce dernier point, ils devront travailler sur le développement de technologies photovoltaïques ou des batteries souples et plates pour stocker durablement de faibles quantités d’énergie ainsi que la conception de récupérateurs thermoélectriques ou piézoélectriques, capables de convertir les variations de température ou des vibrations issues de l’environnement en courant électrique.

Analyse du second concurrent

Le travail présenté ici a été réalisé dans le cadre du projet de recherche SACER (Système Autonome Communicant Embarqué en Réseau). Il s’agit d’un projet du Pôle de Compétitivité Mondial Aerospace Valley financé par le Fonds Unique Interministériel et OSEO. Le porteur du projet est la société Datus Sud-Ouest. Les partenaires sont Airbus, Cril Technology, Delta Technologies Sud-Ouest, Epsilon Ingenierie, Intespace et le LAAS-CNRS. L’objectif est de développer « un système autonome multicapteur par réseau sans fil pour acquérir des données physiques (ex. température, pression, vibration), faire (sic) des traitements locaux, les mémoriser et les transmettre de façon sécurisée au système maître ». Il est prévu de développer un prototype opérationnel pour valider les concepts du système SACER et tester les technologies proposées. Le projet a démarré en 2007 pour une durée de quatre ans. Le domaine d’application est double : il s’agit d’instrumenter d’une part (Intespace) des satellites dans le cadre de tests dans des « simulateurs d’espace », et d’autre part (Airbus) des avions lors d’essais en vol.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Ce projet est très intéressant car il est fort possible que des entreprises l'utilisent ou l'utiliseront dans les années à venir. En effet, imaginons qu'un capteur si situe dans un endroit très difficile d'accès comme dans le désert. Il est donc impossible ou très compliqué d'alimenter ce dernier à cause des conditions climatiques rudes mais aussi de son isolement géographique. Il est donc nécessaire de pouvoir alimenter, d'une manière ou d'une autre ce capteur afin qu'il puisse fonctionner correctement. Nous proposons donc d'équiper ce capteur de notre module d'alimentation qui permettra de l'alimenter en continu et d'utiliser l'énergie solaire (très présente dans les zones citées) afin de recharger soit le super-condensateur et/ou la batterie au même moment. Bien évidemment le module solaire est également connecté au capteur et peut donc servir d'alimentation lorsque ce dernier n'utilise pas beaucoup de puissance. En effet, notre module solaire, même exposé au soleil ne pourra pas sortir une très grande quantité d'énergie et ne peut donc pas être l'unique composant à alimenter le capteur. Le but de notre module est, de gérer la demande en énergie, d'allier les différentes sources d'énergies afin de transmettre celle nécessaire à son bon fonctionnement. Illustrons ceci avec l'exemple suivant : le capteur reçoit une requête TCP/IP, il sera obligé d'y répondre et cette réponse nécessitera beaucoup d'énergie. L'idée est donc d'utiliser l'énergie produite par le module solaire ainsi que l'énergie stocké dans la batterie et le super-condensateur pour l'alimenter. Une fois cette requête terminée, le super-condensateur ou la batterie peut continuer de l'alimenter pendant que le panneau solaire recharge le second module non utilisé.

Réponse à la question difficile

Notre question difficile portait sur le fait de bien cerner notre projet ainsi que sur la façon d'utiliser le module car celle-ci n'était pas assez précise. Il était donc nécessaire de bien fixer le nombre de chemin d'énergie possibles. En effet, il faut choisir un capteur et se baser sur sa consommation de puissance afin de pouvoir fixer une plage de fonctionnement sur laquelle nous travaillerons avec notre module. Il nous faut également savoir dans quelle(s) circonstance(s) et comment est ce que nous voulons gérer l'alimentation simultanée de deux sources.

Les principaux chemins d'énergies sont :

Le panneau solaire peut alimenter la batterie, le super-condensateur ainsi que directement le capteur.

La batterie peut alimenter le capteur ainsi que le super-condensateur.

Le super-condensateur peut alimenter le capteur et recharger la batterie.

Le capteur, comme dit précédemment pourra tre alimenté (en 3.3V) par la batterie, le super-condensateur ainsi que le panneau solaire.

Il sera également possible d'associer 2 sources d'énergies pour alimenter un composant. Par exemple, le capteur pourra être alimenté par le panneau solaire ainsi que par la batterie en même. Néanmoins, il ne sera pas possible de ne pas alimenter le capteur, donc la batterie ne pourra pas être recharger grâce au panneau solaire et le super-condensateur en même temps (de même pour le super-condensateur).

Tous les chemins d'énergies pourront être contrôlés soit manuellement (par des jumpers) soit de façon automatisée en fonction de la puissance voulue par le capteur.

Préparation du projet

Cahier des charges

Le cahier des charges n'est pas très précis, ce qui nous donne beaucoup de liberté et donc par conséquent des décisions importantes et réfléchies à prendre. En effet, le but du projet est de permettre à un "capteur" (sous entendu un ensemble d'équipements) d'être indépendant énergétiquement. Pour ce faire, nous devons utiliser un module solaire, un super-condensateur ainsi qu'une batterie (à dimensionner durant le projet). Il nous également était imposer une tension comprise entre 3 et 5 V ainsi que quelques dizaines de milli-ampères à la sortie de l'équipement afin de pouvoir alimenter correctement le "capteur".

On comprends donc que la détermination de la taille de la carte ainsi que son contenu est libre et nécessite par conséquent une justification précise pour toutes les décisions prises.

Choix techniques : matériel et logiciel

L'objectif de notre projet étant de réaliser une carte, nous aurions pu utiliser des logiciels de simulation pour vérifier que les différents chemins d'énergies de la carte sont corrects. Cependant, comme nous utilisons des composants éléctroniques déja fait nous ne pouvons pas réaliser les simulations de la carte avec un logiciels comme Pspice. Nous allons donc determminer les différentes courants et tensions presents sur chacun des chemins d'énergie afin d'adapter au mieux les composants à utiliser. nous routerons ensuite la carte grâce aux dimensions des composants données dans les datasheets afin de ne pas avoir d'erreurs lors du perçage puis nous les souderons. Nous utiliserons donc un seul logiciel pour le routage des composants (surement kicad ou Altium).

Concernant le choix du matériel nous allons utiliser ceci :

1 Module solaire

1 Batterie

1 Convertisseur Boost

2 Diode de Schottky de redressement

1 Convertisseur Buck-Boost

2 Supercondensateur 2,7V - 50F

10 Jumpers

1 Module MPPT

20 Pin connection mâle

10 Transistor npn commandé en tension

Liste des tâches à effectuer

Etape 1 :

Dimensionnement de la carte à l'aide de documents scientifiques.

Etape 2 :

Réalisation de la carte en CMS (avec quelques composants traversants).

Etape 3 :

Début des tests. Amélioration et correction des problèmes.

Etape 4 :

Finalisation du projet.

Calendrier prévisionnel

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8
Wiki	2	1	1	2	4	2	3		1
Analyse du projet	3	7	6	5
Dimensionnement de la carte			2	3	4	5
Routage de la carte					6	2	4	6	6
Réalisation + tests

Analyse du projet

Lors de cette première semaine de projet, nous avons commencé par faire des recherches sur internet avoir d'avoir plus d'informations sur le fonctionnement des modules de nos concurrents et de nous en inspirer. Nous sommes donc parvenu un trouver un projet très similaire au nôtre. Il s'agit d'une thèse réalisée par madame Dariga Meekhun dont le projet est : "Réalisation d'un système de conversion et de gestion de l'énergie d’un système photovoltaïque pour l’alimentation des réseaux de capteurs sans fil autonomes pour l’application aéronautique ".

Suite à la lecture rapide du rapport de thèse(présent dans la bibliographie), nous avons trouvé une architecture ressemblant sur quelques point à ce que nous devons faire. L'architecture est la suivant :

Architecture module

Comme on peut remarquer ici, le panneau solaire charge les supercondensateurs et l’accumulateur. Ils alimentent le nœud du réseau de capteurs sans fil en passant par un régulateur Buck-Boost délivrant en sortie une tension de 3.3V. Quand la tension aux bornes des supercondensateurs descend en dessous de 1,53 V, un multiplexeur change la voie qui permet d’alimenter le réseau des capteurs sans fil par l’accumulateur. Un convertisseur Boost est utilisé pour élever la tension du panneau solaire afin de continuer à charger les supercondensateurs lorsque l’éclairement diminue. Cela permet de charger les supercondensateurs et les accumulateurs à leur maximum sans tenir compte de l’intensité lumineuse du soleil. Pour ce système, les composants électroniques utilisés sont autoalimentés soit par le panneau photovoltaïque, soit par la batterie ou les supercondensateurs ce qui signifie qu’ils ne nécessitent aucune alimentation externe.

Dimensionnement de la carte

Grâce à nos recherches, nous sommes arrivés à déterminer la tension d'entrée (supérieure à 5V en cas de pertes) nécessaire au système ainsi que sa tension de sortie (3-5V).

Suite à cela, nous avons cherché les composants nécessaires pour alimenter la batterie et le super-condensateur qui est à déterminer également. La batterie choisie est une batterie rechargeable composée de 3 cellules de 1.2V, donc une tension à ses bornes de 3.6V. Notre choix s'est porté sur cette batterie pour plusieurs raisons. Tout d'abord, cette batterie est en Nickel Metal Hybride (Ni-MH), ce qui fait d'elle une batterie très robuste et donc pratique pour notre utilisation. Nous rappelons que notre système est destiné à être utilisé dans des endroits difficiles d'accès et où les conditions météorologiques sont difficiles d'où la nécessité d'avoir des composants supportant des fortes ou basses températures.

Batterie

Comme on peut le voir ci-dessous, notre batterie est capable de se charger uniquement à des températures positives. Elle n'est utilisable en température négative que pour le stockage ou le déchargement. En effet, il est impossible de charger la batterie à des températures négatives.

Temperature

La seconde raison pour laquelle nous avons choisit cette batterie est sa méthode de charge qui a des caractéristiques satisfaisantes pour notre utilisation.

Méthode de charge

On s'aperçoit qu'il y a trois méthodes de charge différentes. Les valeurs apportés sur les méthodes accélérée et rapide sont vrai pour une température ambiante de 20°C. Elles sont alors susceptible de changer en fonction du milieu d'utilisation du montage. Le second module de stockage d’énergie est le supercondensateur avec les caractéristiques suivantes :

Supercondensateur

Au contraire de la batterie, le supercondensateur peut s'utiliser dans des milieux à températures négatives ou positives. C'est là qu’intervient la technologie des condensateurs et supercondensateurs grâce à leurs différences par rapport aux batteries. Charge et décharge peuvent se faire à très grande vitesse.

Caractéristiques du supercondensateur

Malheureusement leur densité d'énergie reste faible par rapport à celle d’accumulateurs. On peut noter deux points forts pour le choix de ce composant :

- Pas de dégradation apparente aux températures extrêmes

- Performance indépendante de la température

Afin d'alimenter le montage et de recharger les 2 modules de stockages d'énergie nous avons choisi un module photovoltaïque avec des cellules solaires monocristallines de Silicium. Le taux d'efficacité de panneaux solaires monocristallins sont typiquement de 15-20 %. De plus, les panneaux solaires monocristallins de silicium sont à faible encombrement et ont une durée de vie plus élevée.

panneau

Les caractéristiques d’un panneau dépendent de l'éclairement et de la température. Selon la technologie du générateur photovoltaïque (cristallin, amorphe, Triple jonction, etc...), les variations des paramètres courants seront différentes.

Caractéristiques du panneau solaire

Il est à noter que nous utilisons ce montage pour alimenter un composant à basse consommation de puissance d'où le choix d'un panneau avec les caractéristiques précédentes. Les pertes avec le panneau solaire sont conséquentes donc pour remédier à cela il sera connecté avec un hacheur élévateur afin de répondre aux besoins des modules de stockages d'énergie.

Un transistor bipolaire peut-être assimilé à un interrupteur commandé. Pour autoriser le passage du courant du collecteur à l’émetteur, il faut appliquer une tension relativement positive à la base.

Transistor

Les transistors seront commandés en tension grâce à un circuit de commande (le circuit de commande n'est pas géré dans notre projet). La tension appliquée à la base doit être supérieure d’au moins 0,6 V à celle appliquée à l’émetteur. Le collecteur doit être plus positif que l’émetteur.

Caractéristiques du transistor NPN

On rajoutera à la base une résistance de base pour le bon fonctionnement du système

Schéma fonctionnement transistor en interrupteur

La connexion directe entre le panneau photovoltaïque et la charge est très répandue en raison de sa simplicité de mise en œuvre, ainsi que de son coût minimal dû fondamentalement à l’absence d’électronique à l’exception d’une diode anti- retour nécessaire pour éviter un éventuel retour du courant.

Diode

La puissance fournie par le module photovoltaïque est fixée par l’intersection entre la caractéristique courant-tension (I-V) du GPV et celle de la charge. Le transfert de puissance ne pourra donc pas rester optimisé lorsque les caractéristiques fluctuent.

Schéma fonctionnement de la diode

Malheureusement cette configuration n’offre aucun paramètre de ‘réglage’.

Caractéristiques de la diode

Nous avons décidé de mettre une diode de Schottky. Nous avons choisi cette diode car elle correspond parfaitement à notre usage. Elle peut supporter jusqu'à un courant de retour égale à 200mA. Comme on peut le constater, la diode est capable de dissiper une puissance de 350mW.

Diode

Nous devons donc faire en sorte que le courant issue du panneau solaire (qui rentre dans la diode) multiplié par la tension aux bornes de cette diode soit inférieur à 350mW (P=U*I). Ici notre panneau solaire sort au maximum un courant de 100mA et donc la différence de tension au borne de la diode doit être inférieure à 3.5V ce qui est le cas ici. En effet, en faisant la loi des mailles nous obtenons une tension de l'ordre de 0.5V (dépend de la tension fournis par le panneau solaire).

La commande appelée MPPT (de l’anglais Maximum Power Point Tracking) qui recherche automatiquement le point de puissance maximum (PPM) du générateur.

Module MPPT

Afin de nous simplifier la tâche nous avons choisi un module qui implémante déjà la fonction de MPPT mais également d'un hacheur buck-boost et de recharge de batterie.

Caractéristiques du module MPPT

(caractérisitque du module)

Réalisation

Routage

La liste des composants nécessaire pour la réalisation de la carte étant définie, nous allons pouvoir commencer la partie réalisation qui est la partie la plus intéressante et aussi compliquée du projet. Avant de commencer à réaliser la carte, il est nécessaire de faire le circuit imprimé de la carte (PCB). Afin de réaliser ceci, nous avons décidé d'utiliser Altium Designer. Les composants utilisés étant des composants "spéciaux", il était donc nécessaire de les crée sur Altium ou de trouver une bibliothèque les possédant. Par chance, Altium fournit des bibliothèque par constructeur., nous avons donc pu trouver la grande majorité des composants que nous avons commandé. Nous allons donc vous présenter plus en détail les composants que nous avons décidé de mettre pour réaliser le circuit imprimé.

Pour le panneau, nous avons simplement décidé de mettre de mettre un Header à 2 entrées car le panneau solaire n'est pas un composant qui sera soudé sur la carte mais juste connecté. En mettant un header, nous laissons à l'utilisateur le choix du panneau solaire. Nous avons pris un Header avec 2 entrées car le panneau solaire nous délivre une tension continue, nous avons donc juste besoin d'une liaison pour l'alimentation continue et une seconde connecté à la masse du circuit.

Concernant le module permettant la fonction MPPT, hacheur et chargeur de batterie, nous n'avons pas pu le trouver dans la bibliothèque Mouser fournie par Altium. Néanmoins, nous sommes parvenu à le trouver sur internet comme vous pouvez voir ci-dessous.

Schema fournit sur la Datasheet

Schema trouvé

Nous allons maintenant voir en détails quels sont les composants à associer a ce module afin de l'utiliser de manière optimale. Sur la data-sheet du constructeur, nous avons accès aux diffèrentes équations du système ainsi qu'un schéma de fonctionnement typique.

Equations du système

Intéressons nous maintenant à la capacité Cin. Comme on peut remarquer sur la figure ci-dessous, qu'avec une valeur de capacité égale a 4.7uF, la tension Voc est rapidement atteinte que permet donc d'utiliser cette capacité dans la plupart des applications. Cette capacité à un but très simple. l'énergie extraite de la source de tension (ici le panneau solaire), et stockée dans la capacité Cin, est transférée à la charge par le convertisseur DC-DC à travers la bobine.

The default C1 = 4.7uF F capacitance covers the most typical application cases. The energy extracted from the harvested source, and stored in the input capacitance, is transferred to the load by the DC-DC converter though the inductor. The energy extracted by the inductor depends by the sink current: the higher input currents cause higher voltage drop on the input capacitance and this may result a problem for low voltage (< 1 V) and high energy (> 20 mA) sources. In such application cases the input capacitance has to be increased or, alternatively the L1 inductance has to be reduced. The SPV1050 performances might be further improved by reducing the time constant (e.g. reducing input capacitance)

at very low input power.

Capacité Cin

schéma typique d'utilisation

Concernant le convertisseur DC-DC que nous plaçons en sortie de la carte afin d'avoir une tension de 3.3V en sortie, la data-sheet nous fournit un exemple d'utilisation typique. Nous avons donc choisis de prendre cette exemple pour la réalisation de notre carte. L'exemple est le suivant.