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Estimer l’autonomie énergétique des objets connectés

2020-01-12

Pour les véhicules à moteur, l’autonomie avec un plein de carburant met en face la quantité de carburant dans le réservoir et le profil de conduite (vitesse, régime moteur, poids roulant et résistance de l’air), ainsi pour un réservoir, un poids roulant et une motorisation identiques, le principal facteur jouant sur l’autonomie reste la conduite.

Pour les objets connectés, le calcul de l’autonomie bien que plus complexe, obéit aux mêmes principes. En dehors du profil d’usage de l’objet connecté, variable par utilisateur, les complexités additionnelles viennent du caractère variable de la capacité du réservoir d’énergie (batterie ou condensateur) à la débiter en fonction température, et de la qualité du canal de communication. De ce fait, un calcul d’autonomie énergétique rigoureux en devient plus complexe mais pas insoluble.

Dans cet article, nous énumérons les principaux paramètres et leurs effets sur l’autonomie de l’objet connecté, sachant qu’elle sera optimale lorsque la configuration de l’ensemble de ces paramètres sera favorable. Ces paramètres sont :

Le profil d’usage ou l’ensemble des phases par lesquelles passe l’objet connecté (Activité/Connexion/Activation, veille, veille profonde) en un cycle. Il caractérise l’application dans ses conditions opérationnelles propres, et n’est donc ni généralisable, ni toujours conforme à celui indiquées par le fabricant du produit.

La température : c’est un des paramètres les plus importants puisque impactant directement les performances des unités de stockages d’énergie, en termes de capacité à débiter le courant, d’importance de leur courant de fuite par autodécharge, et de leur résistance interne (qui s’oppose au passage du courant). Par exemple la batterie SAFT LS14500 possède une capacité de 1,4 Ah à 20°C et de 0,6Ah à -40° sur un courant consommé identique de 50 mA en continu. Enfin pour les températures, très négatives au-delà de la question de l’autonomie réduite, c’est parfois celle de la capacité à débiter la puissance pour faire fonctionner le dispositif qui se pose.

La qualité de la liaison radio : Assez souvent lorsque les conditions de propagation du signal encore appelées qualité du canal, ne sont pas optimales en termes de rapport Signal sur bruit (SNR)[1], le dispositif émet une puissance plus élevée que celle qu’il aurait pu émettre en conditions optimales. Cette puissance est souvent la puissance maximale ce qui a un impact sur le réservoir d’énergie qu’il soit une batterie ou une super capacité. Par exemple dans une communication lorawan objet connecté-gateway en SF 12 (Spreading Factor), la puissance requise en raison de l’éloignement est plus élevée que lorsque l’objet connecté est très proche de la gateway où il communique en SF7. La proximité avec la gateway requiert moins de puissance à émettre et favorise la batterie.

L’unité de stockage d’énergie: Lorsque le rapport théorique entre l’énergie disponible et l’énergie nécessaire pour l’usage fait apparaitre respectivement une autonomie de plusieurs heures pour des surcapacités et de plusieurs années pour des batteries, il faut intégrer l’autodécharge de l’unité de stockage d’énergie, plus importante sur les batteries rechargeables que sur les batteries primaires, dans le calcul rigoureux de l’autonomie. De même lorsque l’unité de stockage d’énergie est une batterie, donc un dispositif à nombre de cycles de rechargement fini (de quelques centaines à quelques milliers de cycles), il faudra intégrer le cycle effectif dans la modélisation, le nombre de cycle de rechargement étant défini par le nombre de fois où l’on peut recharger une batterie rechargeable au-delà de 85% de sa capacité.

Un calcul d’autonomie rigoureux prend donc au moins ces paramètres en compte qu’il n’est toujours facile de se procurer. Néanmoins on peut quand même avec pragmatisme, réaliser des projections sérieuses d’autonomie. Cela passe par un profil de consommation réel et non estimé, à plusieurs températures d’utilisation si possible, à condition de propagation les pires en terme de consommation (par exemple en LORAWAN à SF12). Ensuite, sachant que sur un cycle global, quelle que soit les phases qui y sont incluses, nous aurons toujours une puissance consommée sur un certain temps, ce qui par définition est une énergie, qu’il suffit de diviser par l’énergie contenue dans l’unité de stockage d’énergie pour arriver à une estimation au 1er ordre de l’autonomie recherchée.

L’objectif de cet article n’est pas de dissuader à se lancer dans le formidable exercice de calcul de l’autonomie énergétique mais simplement d’expliquer que c’est un sujet complexe dans lequel la qualité et dans une certaine mesure la fiabilité de l’autonomie énergétique obtenue est toujours fonction des paramètres que l’on a pris en compte pris en compte. Ces paramètres vont du profil d’usage de l’objet alimenté, jusqu’aux performances électriques de l’unité de stockage d’énergie en passant par la prise en compte de la température de travail et de la qualité du canal de propagation.

Nous avons, chez GST, développé des méthodologies et outils permettant, moyennant un questionnaire auquel il faut répondre avec les valeurs des paramètres cités ci-dessus et/ou une prestation, de réaliser des projections d’autonomie énergétiques réalistes.

Mohamed FALL, Dr en électronique

[1] Un des paramètres pris en compte dans le calcul de la sensibilité

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