La récupération d'énergie débloque 1 000 milliards de capteurs IoT sans batterie

Le défi de l'alimentation de l'IoT

Les dispositifs de détection IoT sans fil peuvent être placés sur, dans ou près des personnes, des équipements, des infrastructures et de notre environnement. Cela nous donne de nouveaux outils pour relever les défis les plus urgents de notre monde du 21e siècle : changement climatique, énergie propre, alimentation sûre, et surtout, prendre soin de la santé et du bien-être d'une population vieillissante. Cependant, pour y parvenir, nous devons combler le « fossé de l'alimentation de l'IoT ». C'est-à-dire que les solutions doivent fonctionner sur des batteries qui survivent aux appareils IoT qu'elles alimentent.

Cet article explore la contribution cruciale que les solutions alimentées par la récupération d'énergie (EH) peuvent apporter à l'IoT. Sur les 1 000 milliards de capteurs qui pourraient être déployés dans les prochaines années, une grande majorité sera de type sans fil à ultra-faible consommation (ULP). Ce sont aussi les meilleurs candidats pour la récupération d'énergie, qui peut soit compléter l'alimentation externe, soit servir de source d'énergie indépendante.

L'approche que nous adoptons pour alimenter l'IoT est cruciale pour permettre tant de technologies qui transforment notre monde chaque jour. Par exemple, les véhicules connectés et autonomes (CAV) dépendront d'une détection fiable et omniprésente avec une connectivité à haut et bas débit, ce qui nécessite une densité de puissance accrue et une réduction du poids — deux choses que les réseaux de capteurs sans fil auto-alimentés supportent.

Coût

Une valeur ajoutée majeure de la récupération d'énergie est de fournir ou compléter l'énergie du système au point de consommation en capturant l'énergie ambiante dans l'environnement d'exploitation. La justification et le succès des implémentations EH, particulièrement en termes de coût total de possession, dépendent fortement de la méthode de calcul du retour sur investissement. Par exemple, ajouter 3 à 5 $ à la nomenclature d'un système pour des capacités EH peut sembler fou comparé à une pile bouton jetable coûtant environ 0,25 $ en volume. Même en négligeant les facteurs environnementaux et de durabilité, il y a beaucoup à considérer dans l'analyse financière. Si cette pile doit un jour être remplacée, les coûts de main-d'œuvre et de logistique d'accès peuvent anéantir les économies de la pile bouton d'ordres de grandeur — sans parler si cette pile se trouve dans un environnement difficile et/ou inaccessible, comme un mur en béton, un plafond haut, un corps humain ou un puits de pétrole profond.

Énergie ambiante

La récupération d'énergie implique l'utilisation d'énergies ambiantes disponibles — chaleur, vibrations, lumière — comme sources d'alimentation. Il existe un point optimal, d'environ un microwatt à quelques centaines de microwatts, où il y a un « double impact » : une réduction significative de la charge sur la source d'alimentation existante et une viabilité accrue pour l'utilisation d'énergies ambiantes provenant de capteurs de taille raisonnable. Cela peut augmenter significativement la durée de vie de la batterie, dans certains cas menant même à une autonomie énergétique complète. (Ceci est discuté dans une récente publication de l'UE et illustré dans la Figure 1. ⁱ)

Un défi majeur lié à l'intégration de la récupération d'énergie dans la conception système est la gestion de sources d'énergie qui peuvent être sporadiques. Elles nécessitent des dispositifs/circuits de stockage d'énergie et de gestion de puissance pour capturer l'énergie et la rendre disponible pour une utilisation ultérieure. Non seulement il y a des efforts d'ingénierie uniques pour répondre à l'extraction de puissance depuis la récupération ambiante, mais beaucoup de ces besoins peuvent être différents pour chaque méthode de récupération. En d'autres termes, la capture d'énergie brute depuis le transducteur EH et les besoins de conversion/gestion/régulation de puissance sont différents pour le photovoltaïque (PV) que pour les générateurs thermoélectriques (TEG) ou la récupération vibratoire. Même l'alimentation de différentes saveurs de cellules PV peut varier considérablement selon la technologie. L'approche générale tend à être dictée par la nature de l'énergie brute récupérée, qu'elle soit DC (PV, TEG) ou AC (vibratoire, triboélectrique, RF).

Les cellules PV convertissent directement l'énergie lumineuse du soleil et/ou de sources artificielles, tandis qu'un TEG extrait l'énergie d'un différentiel de température pour générer de l'énergie électrique. Les sources vibratoires (électrodynamiques ou piézoélectriques) et triboélectriques proviennent du mouvement physique. La capture RF implique généralement l'utilisation d'une antenne redresseuse (rectenna) et d'un réseau d'adaptation, puis, comme c'est courant, l'alimentation dans un bloc de conversion DC/DC.

Une solution système optimale avec récupération d'énergie peut nécessiter un suivi du point de puissance maximum (MPPT) et/ou une adaptation d'impédance soigneusement contrôlée pour réaliser pleinement son potentiel énergétique maximal. De plus, de nombreuses énergies ambiantes sont à des niveaux de puissance et de tension très faibles. La plupart des circuits intégrés de gestion de puissance (PMIC) disponibles dans le commerce sont incapables de convertir des énergies inférieures à 10 µW et 100 mV en électricité utilisable. Un exemple d'efforts menés par la communauté de recherche pour résoudre ce problème est la plateforme MISCHIEF développée par le Tyndall National Institute (Cork, Irlande). MISCHIEF est un PMIC innovant à haut rendement et faible courant de repos, capable de gérer une gamme sans précédent d'énergies ambiantes, particulièrement dans le domaine sous 10 µW qui étaient jusqu'ici inutilisables. Il est modulaire et hautement configurable, ce qui permet d'ajouter facilement de nouveaux blocs de circuit et/ou d'ajuster les plages de consignes. Il dispose également d'une interface numérique lui permettant d'interagir avec d'autres composants pour ajuster dynamiquement leur mode de fonctionnement (veille, attente, détection, transmission, traitement). Cela minimise leur consommation d'énergie tout en répondant aux besoins de l'application.

Le stockage d'énergie est critique pour les sources d'énergie intermittentes, car il fournit un tampon pour gérer les pics de demande, de sorte que la source d'alimentation en amont n'ait à fournir que les besoins en état stable du système au lieu des demandes de puissance de pointe au pire des cas.

Créer un écosystème de récupération d'énergie

Les contributeurs aux communautés IoT alimenté et récupération d'énergie — développeurs, fabricants de matériaux et dispositifs, ainsi qu'installateurs, intégrateurs et utilisateurs finaux — ont tendance à travailler dans des environnements cloisonnés. Cependant, pour que la récupération d'énergie pénètre avec succès les applications grand public, les spécialistes des transducteurs EH devront travailler en étroite collaboration avec les spécialistes de la gestion de puissance et du stockage d'énergie, sans parler des nombreux autres fournisseurs de composants système à faible consommation et des utilisateurs finaux. Cela est particulièrement vrai pour beaucoup des applications de réseaux de capteurs à faible puissance sur lesquelles cet article se concentre.

Références :

• i. EnABLES Research Infrastructure Position Paper
• ii. EnerHarv
• iii. PSMA Energy Harvesting Forum
• iv. M. Hayes et B. Zahnstecher, « The Virtuous Circle of 5G, IoT and Energy Harvesting », in IEEE Power Electronics Magazine, vol. 8, no. 3, sept. 2021