Les systèmes récupérateurs d’énergie deviennent économiquement rentables

[Tribune] Donald E. Paulus - Linear Technology Corporation

Le remplacement de l’alimentation secteur ou des piles par des capteurs récupérateurs d’énergie dépend des performances des circuits de gestion de l’alimentation avec lesquels ils sont interfacés. Or aujourd'hui, les avancées qui ont été réalisées permettent l’émergence de produits et de systèmes récupérateurs d’énergie économiquement viable.

Les lois de la thermodynamique ne sont pas près d’être détrônées. Cependant, des dispositifs capables de récupérer l’énergie ambiante et de la transformer en énergie utile arrivent de plus en plus souvent à nous en donner l’illusion. Les capteurs qui génèrent de l’énergie électrique à partir d’une source physique latente, comme la différence de températures (générateurs thermoélectriques, piles thermiques), les vibrations ou les contraintes mécaniques (capteurs piézoélectriques et électromécaniques) ou encore la lumière (cellules photovoltaïques) sont devenus viables pour de nombreuses applications, complétant et, dans bien des cas, remplaçant l’alimentation secteur et les batteries.Augmentation de la sûreté et de l’accessibilité, diminution des coûts de maintenance, amélioration de l’efficacité énergétique et de la flexibilité système…, tels sont quelques-uns des bénéfices que l’on peut tirer de la récupération d’énergie. Cette technologie alimente une grande variété de systèmes de mesure, de contrôle et de surveillance déportés, autonomes et sans fil, dans diverses applications comme les infrastructures de transport, l’automobile et l’avionique, les compteurs déportés, le contrôle de processus industriel et l’automatisation des bâtiments. Mais jusqu’où peut-on aller ?

Une technologie en rapide évolution

Sur le plan électrique, les capteurs d’énergie se classent en deux grandes catégories. La première délivre au circuit de conditionnement d’énergie une tension de sortie et une impédance relativement faibles. Les générateurs thermoélectriques (TEG) et les cellules solaires en sont des exemples. Le circuit de conditionnement d’énergie doit alors fonctionner à partir d’une tension d’entrée de l’ordre de quelques dizaines ou de quelques centaines de millivolts (1). La seconde catégorie de capteurs présente une tension et une impédance un peu plus élevées. Un capteur piézoélectrique par exemple génère typiquement une tension en circuit ouvert de 5 à 40 V, et un courant de court-circuit de 10 à 50 µA (2).Parallèlement aux progrès technologiques réalisés par les capteurs d’énergie, un catalyseur essentiel de leur adoption commerciale est la disponibilité de circuits de gestion d’alimentation adaptés. L’énergie ambiante et les niveaux d’énergie des capteurs pouvant être très faibles, un système de gestion d’alimentation doit présenter plusieurs attributs critiques pour être efficace. Tout d’abord, un courant de repos (circuit actif, sans charge) faible est un point clé de sa performance de récupération d’énergie. Avant que l’énergie en excès ne puisse être appliquée à l’application, la sortie du capteur doit fournir le courant de fonctionnement requis par le circuit de gestion d’énergie (3). Deuxièmement, l’extraction de quantités d’énergie utiles de ces capteurs demeure un défi, en raison du régime de fonctionnement à faible puissance. C’est pourquoi un objectif clé de conception est d’obtenir un haut rendement de conversion d’énergie pour une très large plage de conditions de charge (4). Troisièmement, la capacité à gérer et à stocker l’énergie récoltée est aussi critique que le rendement de conversion d’énergie. Ce qui est particulièrement vrai quand la source d’énergie n’est pas disponible en continu, ou dans les applications où les besoins en énergie concordent en moyenne avec le capteur d’énergie, mais comportent des appels de puissance crête dépassant les capacités du capteur. Citons par exemple les capteurs déportés ou les balises de suivi de stock, qui sont habituellement dans un mode veille à faible consommation puis se réveillent pour récupérer et transmettre des données de télémétrie, en générant un pic de consommation relativement élevé. Dans ce cas, les fonctions de gestion d’alimentation entre l’entrée primaire et un élément de stockage ou réservoir d’énergie sont précieuses. Il est particulièrement intéressant de pouvoir employer des supercondensateurs de stockage, pour leur haute densité d’énergie et leur charge de longue durée (5).Finalement, le dispositif de gestion d’alimentation doit pouvoir fournir des sorties régulées standard répondant aux besoins de tous les capteurs, convertisseurs de données, processeurs, émetteurs-récepteurs radio et autres circuits composant la charge de l’application. Et, bien sûr, des solutions bien intégrées optimiseront la fabricabilité, la fiabilité et la performance tout en simplifiant la conception et en accélérant le développement. Grâce à de nouveaux circuits de gestion d’énergie, conçus pour s’interfacer efficacement avec les capteurs et rendre l’énergie récupérée utilisable, de grandes avancées en performance ont été réalisées, ce qui aboutit à l’émergence de produits et systèmes alimentés par récupération d’énergie économiquement viables, dans un grand nombre de marchés très divers. La reconnaissance et l’accueil favorable réservé à ces nouveaux produits apporteront d’excellentes opportunités de croissance en 2010 et au-delà.Par Donald E. Paulus, Vice-président et directeur général, Produits Alimentations, de Linear Technology Corporation

Notes

(1) Le convertisseur, élévateur et gestionnaire d’alimentation LTC3108 fonctionne à partir d’entrées aussi faibles que 20 mV, ce qui l’adapte aux TEG réagissant à des différences de température de seulement 1 à 2°(2) Le convertisseur d’énergie piézoélectrique LTC3588 inclut un redresseur en pont double alternance à faibles pertes assurant une connexion optimum avec ce type de capteur. Sa tension d’entrée maximum de 20 V lui permet de fonctionner tout près du pic de transfert de puissance des capteurs piézoélectriques, avec des réservoirs de haute densité énergétique utilisant des condensateurs de 25 V de tension nominale.(3) Les circuits LTC3108 et LTC3588 présentent des courants de repos ultra faibles, allant de 6 µA à moins de 500 nA.(4) La topologie avancée de régulateur-abaisseur à découpage à hystérésis LTC3588 autorise un rendement approchant 90% pour une charge pouvant aller de 60 µA à 100 mA à 3,3 Vout – soit une plage de courant de charge de l’ordre de 1 à 3 en échelle logarithmique.(5) Le gestionnaire d’alimentation LTC3108 apporte cette possibilité en autonome aux systèmes thermiques ou solaires, en demandant un minimum de composants externes.