Faire fonctionner un système sur batteries.

Faire fonctionner un système sur batteries.

Pour peu que l'on ait des attentes compatibles avec les lois physiques qui régissent l'univers, il est parfaitement possible faire fonctionner sur batterie un système basé sur des modules Yoctopuce. On a déjà abordé le sujet à plusieurs reprises dans ce blog, mais cette semaine, on va faire un peu de théorie et approfondir un peu: comment calculer l'autonomie d'un système en fonction de sa batterie, comment fabriquer un système complètement indépendant du point de vue énergétique, quels sont les pièges à éviter...

Il y a deux scénarios d'utilisation de nos modules sur batterie. Le plus simple est l'enregistreur de données intégré. Le second, un peu plus cher mais plus efficace, consiste à y joindre un YoctoHub-Wireless.

Enregistreur de données intégré


Les senseurs Yoctopuce sont des modules USB, mais ils n'ont pas besoin d'une vraie connexion USB pour fonctionner. Il est possible de les configurer pour qu'ils commencent à enregistrer dans leur datalogger interne les données qu'ils mesurent et ce, dès qu'ils sont alimentés. Que se soit par un port USB, un chargeur ou une batterie USB importe peu.

Les capteurs Yoctopuce peuvent fonctionner sans vraie connexion USB
Les capteurs Yoctopuce peuvent fonctionner sans vraie connexion USB


Notez qu'il y a un petit compromis à faire lorsqu'on utilise un capteur en mode autonome: Les capteurs Yoctopuce ne disposant pas d'horloge en temps réel (RTC). Si le module n'est pas relié à un ordinateur, les premiers enregistrements seront datés du 1er janvier 1970 si le datalogger est vide, ou du lendemain du dernier enregistrement dans le cas contraire. Par ailleurs, l'horloge interne d'un capteur Yoctopuce n'est pas très précise lorsqu'il n'est pas raccordé à un ordinateur ou à un YoctoHub (compter 1% à 2% d'erreur).

Utilisation avec un YoctoHub-wireless


L'ajout d'un YoctoHub-Wireless-SR ou d'un YoctoHub-Wireless-g à un système sur batteries a plusieurs avantages, en plus de la connectivité réseau. En effet, ces hubs disposent d'une horloge en temps réel (RTC) qui leur permet de garder l'heure, même lorsqu'ils ne sont pas alimentés. Ils vont transmettre automatiquement l'heure à tous les capteurs Yoctopuce connectés, et ainsi les mesures seront correctement horodatées.

De plus le YoctoHub est capable de se mettre en sommeil à la demande, et de se réveiller tous seul selon un horaire établi. Lorsqu'il est en sommeil, tous les sous-modules sont éteints et seule l'horloge en temps réel du YoctHub est alimentée, ce qui descend la consommation à environ 15µA, autant dire rien. Donc si votre système peut se contenter d'une mesure toutes les quelques minutes, c'est un excellent moyen de faire baisser drastiquement sa consommation moyenne.

Quelle que soit l'option choisie, le problème du dimensionnement de l'alimentation électrique reste le même. Il y a deux paramètres d'alimentation à respecter: la tension d'alimentation et la consommation de courant.

Tension d'alimentation


Les produits Yoctopuce étant essentiellement des modules USB, ils sont conçus pour fonctionner à la tension du bus USB, c'est à dire 5V. Mais en fait, beaucoup d'entre eux sont constitués de composants qui fonctionnent en 3.3V, et la première chose que fait le module, c'est descendre la tension de 5V à 3.3V. C'est le cas par exemple du Yocto-Meteo, du Yocto-Temperature, des différentes versions du Yocto-Light etc. Cela signifie que ces modules peuvent très bien fonctionner avec 3 piles 1.5V en série, bien que le total ne soit que de 4.5V. Voici la tension par cellule pour les technologies de batteries les plus courantes, dont vous pouvez utiliser des multiples:

TechnologieTension par élément
Accu au Plomb2.1V
Accu NiCd1.2V
Accu NiMh1.2V
Accu Lithium polymère3.6V
Pile Alkaline1.5V
Pile bouton Lithium3V


Prenez garde à ne pas vous fier forcément à la tension de référence: la tension d'une batterie varie selon son utilisation. C'est particulièrement visible pour les piles, dont la tension baisse progressivement. Pour éviter ce problème, il faut viser plus haut que le minimum de 3.3V. Mais attention, les modules Yoctopuce ont beau ne pas être trop difficiles en termes de tension, ne dépassez pas les 5.5V: vous risqueriez d'endommager votre matériel.

Convertisseurs de tension


Pour plus de souplesse sur la tension de la batterie, on peut rajouter un composant électronique qui change la tension. Il existes deux familles de convertisseur:

Le régulateur linéaire (LDO)


Un LDO est un petit composant qui permet d'abaisser une tension. L'énergie excédentaire est transformée en chaleur, elle est donc perdue. C'est pourquoi on réserve cette technique pour les applications de faible puissance. C'est ce qui est utilisé dans les modules Yoctopuce pour abaisser la tension de 5V à 3.3V

Le convertisseur DC/DC


Un convertisseur DC/DC peut abaisser ou augmenter une tension. Contrairement au LDO, l'énergie est convertie. En théorie si vous avez 10V et 1A entrée, et que vous convertissez en 5V, vous pouvez espérer à peu près deux ampères en sortie. En pratique, ce n'est pas si magique: non seulement le convertisseur utilise pour son propre fonctionnement un peu de l'énergie qu'il est censé convertir mais une petite partie de l'énergie est aussi perdue sous forme de chaleur lors de la conversion. Un convertisseur avec une efficacité de 80-90% est considéré comme un très bon convertisseur. Un DC/DC est aussi beaucoup plus volumineux qu'un LDO. Ces petits inconvénients le réserve aux applications nécessitant plus de puissance.

Le LDO utilisé dans tous les modules Yoctopuce à coté du DC/DC utilisé pour fabriquer du 24V dans les Yocto-4-20mA-Rx
Le LDO utilisé dans tous les modules Yoctopuce à coté du DC/DC utilisé pour fabriquer du 24V dans les Yocto-4-20mA-Rx


Consommation de courant


La consommation varie d'un module à l'autre. Ce sont des modules USB, et l'économie de courant n'a pas été critère prioritaire de leur conception. Les modules les plus simples consomment environ 25mA, d'autres peuvent dans certains cas consommer jusqu'à 500mA. La bonne nouvelle, c'est que tous le modules Yoctopuce sont capables d'annoncer en temps réel le courant qu'ils consomment. Vous pouvez trouver cette information par exemple dans l'interface du VirtualHub.

Le VirtualHub affiche la consommation de chaque module
Le VirtualHub affiche la consommation de chaque module


Attention cependant, tous les modules Yoctopuce n'ont pas forcément une consommation constante: par exemple un Yocto-PowerRelay consomme à peu près 25mA dans l'état A et environ 65mA dans l'état B. Le Yocto-CO2 consomme environ 45mA mais une pointe de consommation à 200mA apparait toute les deux secondes, quand le module effectue une mesure.

Capacité d'une batterie


La capacité d'une batterie est généralement exprimé en Ah ou mAh (1Ah=1000mAh). Par exemple si une batterie annonce 3Ah, cela signifie qu'elle est capable de délivrer l'équivalent de 3A pendant une heure, ou 1.5A pendant deux heures ou encore 6A pendant une demi-heure. Donc si vous souhaitez alimenter un Yocto-Meteo qui consomme 25mA avec une batterie 5V de 1000mAh, vous allez tenir à peu près

1000mAh / 25mA = 40h


Attention, le courant maximum en ampères qu'une batterie est capable de délivrer n'est que vaguement corrélé à sa capacité, il dépend surtout de la technologie employée.

La capacité des accumulateurs est toujours spécifiée, et en général imprimée sur le boîtier. Par contre, c'est rarement le cas pour les piles. Vous trouverez parfois des valeurs indicatives sur le site du fabricant, ou sur Wikipedia, mais il faut se souvenir que la capacité d'une pile dépend de la vitesse à laquelle on la décharge: si on la décharge trop vite, elle aura une capacité total plus faible qu'attendu. Voici quelques exemples de capacités standard pour les piles les plus courantes:

Technologie et tailleNom IECCapacité
Alkaline AAALR031200mAh
Alkaline AALR62700mAh
Alkaline CLR148000mAh
Alkaline DLR2012000mAh
Lithium boutonCR2032225mAh
Alkaline SR44SR1154170mAh



Les batteries USB

A ce jour, la source de 5V indépendante la plus pratique et la plus facile à se procurer est une batterie USB. On en trouve dans tous les magasins qui vendent de téléphones et/ou des tablettes. Ces batteries mettent à disposition un ou plusieurs connecteur USB permettant d'alimenter divers appareils USB, et elle peuvent se recharger à l'aide d'un simple chargeur USB. Certaines ont même des capacité impressionnantes: plusieurs dizaines d'Ah. Attention toutefois il y a des pièges.

Batteries USB: il en existe de toutes les tailles et toutes les formes
Batteries USB: il en existe de toutes les tailles et toutes les formes


Extinction automatique


A la base, ces batteries USB sont destinées à recharger des téléphones ou des tablettes. Beaucoup d'entre elles ont un système qui les éteint complètement dès qu'elles détectent qu'ils n'y a plus de consommation significative. Cela sert a éviter que la batterie ne se vide toutes seule quand elle n'est pas utilisée. C'est très pratique pour éviter de retrouver avec une batterie toute vide au moment où en a le plus besoin, mais cela rend les inutilisable dans le scénario où on utilise la mise en sommeil du YoctoHub-Wireless-g/SR. Dès que le YoctoHub-Wireless se met en sommeil, la batterie s'éteint complètement, et le hub ne peut plus se réveiller.

Capacité réelle


Beaucoup de ces batteries USB sont en fait basées sur une seule cellule au lithium qui fournit du 3.6V et un convertisseur pour en faire du 5V. Mais les fabricants ont tendance à annoncer la capacité de la cellule sans tenir compte de l'effet du convertisseur. Vous pensez avoir acheté un batterie 5000mAh alors qu'au mieux, à 5V vous ne disposez que de:

5000mAh * (3.6V / 5V) * 90 % = 3240 mAh.



Energie Solaire


Si vous faites le calcul, faire fonctionner un capteur Yoctopuce pendant plusieurs mois sur batteries est un défi. Même en ne consommant que 25mA, pour fonctionner 3 mois, il faut

3 mois * 30 jours * 24h * 25mA = 54000 mAh


Cela commence à faire une grosse batterie. Par contre il existe des panneau solaires qui se terminent avec une petite prise USB qu'il suffit de brancher à votre batterie USB pour qu'elle se recharge toute seule dès qu'il fait soleil.

une batterie USB rechargée par panneau solaire.
une batterie USB rechargée par panneau solaire.


Cette technique, couplée au système de sommeil des YoctoHub-Wireless-g/SR, permet de construire des système solaires avec une consommation moyenne très faible et qui peuvent fonctionner indéfiniment avec un panneau solaire de taille modeste. Vérifiez cependant que la batterie que vous choisirez est capable de délivrer du courant pendant qu'elle se recharge.

Sécurité


Une dernière chose qu'il vaut mieux savoir. Les batteries au lithium ont une vilaine tendance à prendre feu dès qu'elles sont un peu malmenées: court-circuits, surchauffe, déformations... C'est pourquoi leur transport est sévèrement contrôlé: tout colis contenant une batterie au lithium doit être au moins déclaré comme tel. Il existe aussi de grosses limitations sur le transport par avion de ces batteries.

les colis contenant des batteries au lithium doivent être déclaré comme tels
les colis contenant des batteries au lithium doivent être déclaré comme tels


Même si vous ne comptez pas expédier votre système basé sur une batterie au lithium, avant de l'installer n'importe où, prenez le temps de réfléchir à ce qu'il risque de se passer si la batterie venait à prendre feu.

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