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Augmenter la durée de vie des batteries pour un IoT plus simple et plus écologique John Perry

La technologie de l’Internet des objets (IoT) a permis de réduire les facteurs de forme et la consommation électrique. Un grand nombre de nouvelles applications alimentées par batterie ont ainsi pu voir le jour au fil des évolutions techniques. Parmi ces nouvelles applications, nous pouvons par exemple citer l’utilisation, dans le domaine de l’agriculture intelligente, de capteurs d’humidité du sol qui peuvent être relevés à distance grâce à une technologie sans fil. Ces capteurs sans fil permettent aux agriculteurs d’augmenter leur rendement tout en rendant leurs exploitations plus respectueuses de l’environnement. Dans les très grands sites de stockage, les opérateurs des entrepôts s’appuient entre autres sur les relevés ponctuels de capteurs de température sans fil pour maintenir les conditions d’exploitation adaptées aux types de marchandises qui y sont stockées. Malgré le grand intérêt que présentent ces innovations, c’est justement ce qui les rend exploitables qui constitue aussi leur point faible, à savoir le fait d’être alimentées par batterie. Sans cette technologie sans fil, il serait en effet impossible d’installer des capteurs dans certains endroits car trop distants ou isolés et généralement dépourvus de source d’électricité fixe. Or, y installer un circuit électrique serait bien trop coûteux.

Figure 1: les circuits intégrés « Battery Life Booster » prolongent la durée de vie des applications alimentées par une pile bouton et qui nécessitent un courant élevé ainsi que des charges d’impulsion de courte durée (Source : Nexperia)

Le recours à un système par impulsion permet de réduire la tension de la batterie

Les variables environnementales comme la température, la pression et l’humidité de l’air évoluent généralement très lentement. Il n’est donc pas indispensable de les mesurer à une grande fréquence – une fois toutes les quelques heures suffit généralement. De même, les caméras de vidéosurveillance n’ont souvent besoin de se déclencher qu’en cas de mouvement dans leur périmètre de surveillance. Ces appareils peuvent donc passer la plupart de leur temps de service en mode veille et n’en sortir que de temps en temps pour enregistrer et transmettre un flux vidéo. L’avantage d’un appareil en veille prolongée est qu’il ne consomme que très peu d’électricité (de l’ordre de quelques micro-ampères) et peut donc être alimenté par des piles boutons primaires au lithium (de type CR2032) ou des batteries au lithium-chlorure de thionyle (de type LS14250) pendant plusieurs années. Les batteries primaires (c’est-à-dire non rechargeables) au lithium ont une densité énergétique élevée et une longue durée de conservation.

Elles supportent très bien la veille prolongée. Ce sont plutôt les quelques pics d’activité périodiques (mode pulsé) qui peuvent poser problème, lorsque le microcontrôleur, le capteur et le système de transmission sans fil (LoRa, Wi-Fi, Zigbee) de l’appareil fonctionnent tous en pleine charge. D’une durée de quelques millisecondes seulement, ces pics représentent une consommation de quelques centièmes à quelques dizaines de milliampères. Or, de tels pics de consommation mettent les piles boutons à rude épreuve. Les fabricants de piles boutons estiment la durée de vie de leurs produits en fonction d’un mode de consommation courant, avec des charges relativement faibles (<1-3 mA). À la longue, ce mode d’utilisation avec de brèves impulsions à courant élevé détériore la capacité globale de la batterie (et par conséquent sa durée de vie) et provoque en outre une chute de tension significative en cas de charge importante (voir figure 2), ce qui peut rendre la batterie trop faible pour l’application qu’elle doit alimenter.

Figure 2: courbe dynamique des chutes de tension qui endommagent les batteries primaires (Source : Nexperia)

Le circuit intégré intelligent « booster de batterie » maintient un niveau de tension constant

Les nouveaux modèles de circuits intégrés NBM7100A/B et NBM5100A/B de Nexperia sont des dispositifs de gestion de la batterie capables de multiplier par 10 la durée de vie d’une pile bouton au Lithium classique tout en augmentant le courant de sortie de crête disponible pour obtenir une charge d’impulsion jusqu’à 25 fois supérieure. Ces circuits intégrés sont dotés de deux étages de conversion CC-CC à haut rendement et d’un algorithme d’apprentissage intelligent. Le premier étage de conversion transfère l’énergie de la batterie vers un élément de stockage capacitif à faible débit. Le deuxième étage utilise l’énergie stockée pour fournir une sortie de courant régulée (programmable de 1,8 V à 3,6 V) à impulsion élevée (jusqu’à 200 mA). L’algorithme d’apprentissage intelligent surveille l’énergie utilisée pendant les cycles d’impulsion de charge répétitifs et optimise la conversion CC-CC du premier étage afin de réduire à un minimum la charge résiduelle dans le condensateur de stockage. Ainsi, en mode veille, lorsqu’ils n’effectuent donc pas de cycle de conversion d’énergie, ces circuits intégrés affichent une consommation inférieure à 50 nA.

Figure 3: évolution de la tension en fonction de la fréquence d’impulsions (Source : Nexperia)

La protection contre les baisses de tension inhibe les cycles de charge des condensateurs de stockage lorsque la batterie arrive en fin de vie et que sa tension est faible et son temps de récupération chimique plus long. Un indicateur de « batterie faible » alerte le système lorsque la batterie atteint sa limite de fonctionnement. Les fonctions de contrôle et de configuration du microcontrôleur sont assurées par une interface série, à savoir I2C pour les versions « A » et SPI pour les versions « B » du microcontrôleur. Outre la charge de courant, les températures extrêmes ont elles aussi des effets négatifs sur les performances et la durée de vie de la batterie. Grâce à leur plage de températures de fonctionnement étendue (de -40 à 85°C), les circuits intégrés de la gamme NBM sont aussi bien adaptés aux applications industrielles en intérieur qu’à une utilisation en extérieur dans des conditions difficiles et imprévisibles. Grâce à leur technique innovante de gestion de l’énergie à deux étages, leur algorithme d’apprentissage intelligent et leur faible consommation électrique en mode veille, les modèles NBM5100A/B et NBM7100A/B contribuent à prolonger la durée de vie de la batterie dans les applications IoT sans fil tout en réduisant les coûts de maintenance associés au remplacement des batteries.

Avantages pour l’environnement

Prolonger la durée de vie des batteries permet de réduire considérablement la quantité de déchets que représentent les piles usagées produites par les applications IoT et autres applications à faible consommation d’énergie (comme les clés avec commande d’ouverture à distance). Un autre avantage est que les piles boutons deviennent dès lors un mode d’alimentation viable pour les applications qui ne pouvaient jusqu’alors fonctionner qu’avec des piles de type AA ou AAA.



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John Perry

John Perry a rejoint Nexperia en avril 2022. Il jouit de plus de 20 ans d’expérience dans l’industrie des semi-conducteurs en tant qu’ingénieur système et directeur du marketing stratégique. Perry est ingénieur produit au sein de la filiale Analog and Logic Business Group de Nexperia, où il dirige l’ingénierie de produits pour les circuits intégrés de gestion de batterie.


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