Prolungare la durata della batteria di sensori remoti tramite l’energy harvesting da sorgenti di energia termica

I sistemi di sensori, sia wireless che cablati, spesso sono presenti in ambienti ricchi di energia naturale, ideali per alimentare i sensori stessi. Ad esempio, con soluzioni per l’accumulazione di energia (energy harvesting), si può prolungare notevolmente la durata di batterie installate, specialmente quando la potenza richiesta è bassa, riducendo i costi di manutenzione a lungo termine e i tempi di fermo. Nonostante questi vantaggi, esistono vari ostacoli all’adozione di queste tecnologie; quello più grave è che le fonti di energia ambientale spesso sono intermittenti oppure insufficienti per alimentare continuamente il sistema di sensori, mentre l’alimentazione ottenuta con batterie principali è estremamente affidabile per l’intera durata nominale delle batterie stesse.

Introduzione

I progettisti potrebbero essere riluttanti all’aggiornamento dei loro sistemi ai fini dell’energy harvesting da fonti ambientali, specialmente quando è fondamentale un’integrazione senza alcun problema. Il convertitore LTC3107 è stato concepito per rispondere a questa esigenza permettendo di prolungare agevolmente la durata della batteria aggiungendo un circuito per l’energy harvesting a progetti preesistenti.  Impiegando LTC3107, un circuito per l’energy harvesting al punto di carico richiede uno spazio ridotto – quello sufficiente per il package DFN da 3mm x 3mm dell’integrato LTC3107 e alcuni componenti esterni.

Generando una tensione di uscita che segue quella della batteria principale installata, è possibile impiegare senza alcun problema LTC3107 per ottenere il contenimento dei costi possibile con l’energy harvesting da sorgenti di energia termica gratuita, in sistemi alimentati a batteria nuovi o preesistenti. Inoltre, LTC3107, unitamente a una piccola fonte di energia termica, può prolungare la durata della batteria, in alcuni casi fino alla sua scadenza, riducendo così i costi di manutenzione periodica dovuti alla sostituzione della batteria stessa. È stato concepito per completare la batteria o anche alimentare il carico autonomamente, secondo le condizioni di carico e l’energia accumulata disponibile.

Caratteristiche

Un’uscita digitale, BAT_OFF, indica se la batteria viene utilizzata o no per alimentare il carico in qualunque istante. Il sistema può così monitorare l’efficacia del circuito per l’energy harvesting e il duty cycle dell’utilizzo della batteria per generare rapporti sulla manutenzione. BAT_OFF viene portata internamente a livello alto a VOUT. La Figura 1 mostra un’applicazione tipica di un sensore wireless. Questo sistema è alimentato interamente da una batteria principale a bottone al litio da 3,0V CR3032 la cui capacità è di 500mA·h e che durerà circa otto mesi in condizioni di funzionamento continuo se la potenza media del sistema richiesta è pari a 250µW.

La Figura 2 mostra lo stesso sistema, che utilizza la stessa batteria ma a cui è stato aggiunto un circuito per l’energy harvesting termica basato sull’integrato LTC3107 per prolungare la durata della batteria stessa. La Figura 3 mostra l’ulteriore durata prevista per la batteria quando si aggiunge il circuito per l’energy harvesting termica, utilizzando un compatto (15mm × 15mm) generatore termoelettrico e un dissipatore da 24mm2 in funzione della temperatura della superficie di montaggio del generatore stesso (assumendo una temperatura ambiente di 23°C). In situazioni in cui la potenza termica accumulata è maggiore della potenza media richiesta dal carico, la batteria non viene mai utilizzata per alimentare il carico – infatti eroga solo 80 nA di corrente – così che la sua durata si avvicina a quella di una tipica batteria principale, ossia cinque – dieci anni.

In queste condizioni, la batteria viene impiegata solo come riferimento di tensione per LTC3107 allo scopo di ottenere il valore di regolazione prefissato per la tensione di uscita. È importante osservare che LTC3107 previene l’ingresso di qualsiasi corrente di carica nella batteria indipendentemente dalle condizioni di funzionamento. Ad esempio, considerando il sistema illustrato nella Figura 2, in cui il generatore termoelettrico è collegato a una sorgente termica per l’accumulazione di energia, come una tubazione tiepida o un macchinario a una temperatura di appena 12°C oltre quella ambiente, LTC3107 può alimentare il carico di 250µW interamente con energia accumulata, permettendo così di eliminare molte sostituzioni della batteria per la sua intera durata, come illustrato nella Figura 3. Le forme d’onda della Figura 4 mostrano la tensione della batteria e la tensione di uscita dell’LTC3107. Si può osservare che la tensione di uscita è regolata a circa 30mV sotto la tensione della batteria a vuoto – indipendentemente dal carico del sistema – e quindi rimane al valore per il quale il sistema è stato progettato.

Figura 1. Schema semplificato di un tipico sistema che impiega un sensore wireless alimentato a batteria

Figura 1: schema semplificato di un tipico sistema che impiega un sensore wireless alimentato a batteria

 

Figura 2. Sistema con sensore wireless dotato di batteria e del circuito per l’energy harvesting termica basato su LTC3107

Figura 2: sistema con sensore wireless dotato di batteria e del circuito per l’energy harvesting termica basato su LTC3107

 

Figura 3: la durata della batteria può essere prolungata di anni impiegando un circuito per l’energy harvesting termica

 

In queste condizioni, l’uscita BAT_OFF rimane al livello alto, indicando che la batteria non viene impiegata per alimentare il carico (Si noti che in queste figure, il carico resistivo della sonda dell’oscilloscopio ha ridotto la tensione a livello alto BAT_OFF sotto VOUT a causa del partitore resistivo formato dalla sonda e dal resistore di pull-up interno all’integrato LTC3107.) Se il carico applicato è eccessivo per il circuito per l’energy harvesting, viene utilizzata la batteria per mantenere costante la tensione di uscita e fornire la potenza di uscita richiesta dal carico. In questi casi, il circuito per l’energy harvesting eroga la massima percentuale possibile della corrente di carico per ridurre al minimo la corrente erogata dalla batteria e massimizzare la durata della batteria stessa.

Il segnale BAT_OFF rimane a livello basso anche se parte della corrente di carico viene fornita dal circuito per l’energy harvesting. Le forme d’onda corrispondenti a questa condizione sono illustrate nella Figura 5. Si noti che in queste condizioni, VOUT è regolata dall’LTC3107 a circa 220mV sotto la tensione effettiva della batteria. Se il carico è dinamico, passando da valori bassi a valori alti, il segnale BAT_OFF potrebbe oscillare tra valori alti e bassi, indicando quando il circuito per l’energy harvesting è in grado di alimentare il carico e quando è necessaria la batteria. Ciò è illustrato dalle forme d’onda della Figura 6, dove le transizioni corrispondono a una variazione del carico a gradino.  Per prolungare ulteriormente la durata della batteria, LTC3107 può immagazzinare l’energia accumulata in eccesso in un condensatore di elevata capacità al pin VSTORE durante condizioni di carico leggero per assicurare VOUT durante periodi di carico pesante. Per facilitare l’uso di supercondensatori, che in genere hanno una tensione massima nominale di 5V, la tensione su VSTORE è fissata internamente con un circuito di clamping a un massimo di 4,48V. Questa funzione di immagazzinamento dell’energia riduce o elimina la scarica della batteria durante periodi di carico maggiore utilizzando automaticamente l’energia immagazzinata per mantenere costante VOUT prima di richiedere potenza dalla batteria. Ciò è illustrato dalle forme d’onda della Figura 7, dove si può vedere che la tensione VSTORE, prodotta caricando l’apposito condensatore durante un periodo di carico leggero, diminuisce durante un periodo di carico maggiore mentre l’energia viene trasferita al carico stesso. Si può anche osservare che VOUT non diminuisce e che il segnale BAT_OFF rimane a livello alto, indicando che non si è utilizzata la batteria per mantenere l’uscita costante, anche durante il transitorio del carico.

In situazioni in cui non è disponibile energia accumulata e si è esaurita l’energia immagazzinata, la potenza di uscita viene fornita interamente dalla batteria, esattamente com’era il caso in assenza del circuito per l’energy harvesting, e VOUT viene regolata a 220mV sotto la tensione della batteria. In questo caso, il circuito per l’energy harvesting rimane inattivo, aggiungendo un carico di soli 6µA alla batteria. In questo scenario, le forme d’onda del circuito per l’energy harvesting sarebbero identiche a quelle della Figura 5. Per proteggere la batteria contro cortocircuiti su VOUT, la corrente da VBATT a VOUT è limitata a 30mA – 100mA. Quindi, impiegando la batteria si possono alimentare carichi in stato stazionario di almeno 30mA. Se necessario, è possibile alimentare carichi transitori maggiori per brevi periodi con l’ausilio di un condensatore di disaccoppiamento su VOUT. La corrente di uscita nello stato stazionario prodotta dal circuito per l’energy harvesting dipende da numerosi fattori, ma è limitata principalmente dalla differenza di temperatura che può essere applicata ai capi del generatore termoelettrico. Si noti che la dipendenza funzionale non è solo dalla temperatura della superficie di montaggio del generatore termoelettrico e dalla temperatura ambiente ma anche dalla resistenza termica del dissipatore impiegato sul lato “freddo” del generatore stesso. La corrente di uscita accumulata può variare da valori bassissimi – sino ai microampere – a molti milliampere nello stato stazionario. La corrente che può essere fornita a VOUT da VSTORE è limitata dalla differenza di tensione fra i due pin e dalla resistenza del percorso interno attraverso i circuiti dell’integrato LTC3107 di controllo della carica, che in genere è uguale a circa 120Ω. Quindi, normalmente anche la corrente VSTORE è limitata ad alcuni milliampere e non è concepita per alimentare carichi elevati transitori, che devono essere gestiti dal condensatore di disaccoppiamento VOUT. Oltre alla funzione BAT_OFF, l’LTC3107 offre una seconda tensione di uscita, regolata a 2,2V da un LDO interno utilizzabile per alimentare carichi fino a 10mA e anch'esso alimentato, se necessario, dal circuito per l’energy harvesting e dalla batteria.

Figura 4. Forme d’onda del circuito per l’energy harvesting quando PHARVEST > PLOAD

Figura 4. Forme d’onda del circuito per l’energy harvesting quando PHARVEST > PLOAD

 

Figura 5. Forme d’onda del circuito per l’energy harvesting quando PHARVEST < PLOAD

Figura 5: forme d’onda del circuito per l’energy harvesting quando PHARVEST < PLOAD

 

Figura 6. Forme d’onda del circuito per l’energy harvesting quando un breve transitorio del carico supera PHARVEST

Figura 6: forme d’onda del circuito per l’energy harvesting quando un breve transitorio del carico supera PHARVEST

 

Figura 7. Uso della funzione VSTORE per supportare un aumento momentaneo del carico

Figura 7: uso della funzione VSTORE per supportare un aumento momentaneo del carico

Conclusioni

Per agevolare l’adozione dell’energy harvesting da sorgenti di energia termica in un ampio ventaglio di applicazioni nuove e preesistenti alimentate da una batteria principale, LTC3107 è stato progettato per funzionare con tensioni di batteria nella gamma da 2V a 4V. Ciò include la maggior parte delle più diffuse batterie principali di lunga durata utilizzate in applicazioni a potenza inferiore, come le batterie a bottone al litio da 3V e quelle al litio-cloruro di tionile da 3V. Il convertitore LTC3107 offre entrambi i vantaggi: l’affidabilità dell’alimentazione da batteria e il contenimento del costo di manutenzione assicurato dall’uso dell’energy harvesting termica con complessità minima del progetto.

 

A cura di Dave Salerno, Linear Technology

 

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 12 gennaio 2017

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