Des chercheurs du MIT ont développé un capteur auto-alimenté sans pile qui récupère l'énergie de l'environnement. Parce qu'il ne nécessite aucune batterie à charger ou à remplacer, ni aucun câblage spécial requis, le capteur peut être intégré dans des endroits difficiles d'accès, tels que les entrailles du moteur d'un navire. Là, il collecte automatiquement des données sur la consommation électrique et le fonctionnement de la machine au fil du temps.


Les chercheurs ont construit un dispositif de détection de température qui récupère l'énergie des champs magnétiques générés à l'air libre autour des lignes électriques. Il suffit de clipser le capteur autour d'un fil sous tension (peut-être le fil qui alimente le moteur), et il collecte et stocke automatiquement l'énergie pour surveiller la température du moteur.

"Il s'agit d'une énergie électrique ambiante, une énergie pour laquelle je n'ai pas besoin de passer par une connexion de soudure spécifique", a déclaré Steve Leeb, professeur Emanuel E. Landsman de génie électrique et d'informatique (EECS) et professeur de génie mécanique, membre du laboratoire de recherche en électronique. "Cela rend ce capteur très facile à installer."

Dans cet article de fond, paru dans le numéro de janvier du IEEE Sensors Magazine, les chercheurs proposent un guide de conception pour les capteurs à récupération d'énergie qui permet aux ingénieurs d'équilibrer l'énergie disponible dans l'environnement avec leurs besoins de détection.

Le document dresse une feuille de route pour les composants clés d'un dispositif capable de détecter et de contrôler en continu le flux d'énergie pendant le fonctionnement.

Ce cadre de conception polyvalent ne se limite pas aux capteurs qui collectent l'énergie du champ magnétique, mais peut également être appliqué aux capteurs qui utilisent d'autres sources d'énergie, telles que les vibrations ou la lumière du soleil. Il peut être utilisé pour construire des réseaux de capteurs pour les usines, les entrepôts et les espaces commerciaux, moins coûteux à installer et à entretenir.

"Nous fournissons un exemple de capteur sans batterie qui fait quelque chose d'utile et prouvons qu'il s'agit d'une solution pratique. Espérons que d'autres utiliseront également notre cadre pour concevoir leurs propres capteurs."

Eric Ponce, étudiant diplômé en génie électrique et en sciences, se joint à Monagle et Leeb pour rédiger l'article.

John Donnal, professeur agrégé d'ingénierie des armes et des contrôles à l'Académie navale des États-Unis qui n'a pas participé aux travaux, étudie la technologie de surveillance des systèmes des navires. Il a expliqué qu'il était difficile d'alimenter les navires en raison du peu de prises électriques et de restrictions strictes sur les appareils pouvant être branchés.

Donnell a ajouté : « Par exemple, la mesure continue des vibrations des pompes peut fournir à l'équipage des informations en temps réel sur l'état des roulements et des supports, mais l'alimentation des capteurs supplémentaires nécessite souvent une telle infrastructure supplémentaire que cela n'en vaut pas la peine. Des systèmes de récupération d'énergie comme celui-ci peuvent ajouter une variété de capteurs de diagnostic au navire, réduisant considérablement les coûts globaux de maintenance.

Les chercheurs ont dû relever trois défis majeurs pour développer un capteur de récupération d’énergie efficace et sans pile.

Premièrement, le système doit pouvoir démarrer à froid, c’est-à-dire qu’il peut démarrer l’électronique sans tension initiale. Ils y sont parvenus en utilisant un réseau de circuits intégrés et de transistors, permettant au système de stocker de l'énergie jusqu'à ce qu'un certain seuil soit atteint. Il ne s'allume que lorsque le système a stocké suffisamment d'énergie pour être pleinement opérationnel.

Deuxièmement, le système doit stocker et convertir efficacement l’énergie récupérée sans utiliser de batteries. Même si les chercheurs pourraient ajouter des batteries au système, cela augmenterait la complexité du système et présenterait potentiellement un risque d'incendie.

"Vous n'aurez peut-être même pas le luxe d'envoyer un technicien pour remplacer la batterie. Au lieu de cela, notre système ne nécessite aucun entretien. Il récupère de l'énergie et fonctionne tout seul", a ajouté Monagle.

Pour éviter l’utilisation de batteries, ils utilisent une technologie de stockage d’énergie interne, notamment une série de condensateurs. Les condensateurs sont plus simples que les batteries et stockent l'énergie dans un champ électrique entre des plaques conductrices. Les condensateurs peuvent être fabriqués à partir d'une variété de matériaux et leur fonctionnalité peut être adaptée pour s'adapter à diverses conditions de fonctionnement, exigences de sécurité et espace disponible.

L'équipe a soigneusement conçu le condensateur pour qu'il soit suffisamment grand pour stocker l'énergie nécessaire à l'allumage de l'appareil et commencer à collecter de l'électricité, mais suffisamment petit pour que la phase de charge ne prenne pas trop de temps.

De plus, comme les capteurs peuvent ne pas être allumés pendant des semaines, voire des mois pour prendre des mesures, ils veulent s'assurer que les condensateurs peuvent contenir suffisamment d'énergie, même si une partie de l'énergie s'échappe au fil du temps.

Enfin, ils ont développé une série d’algorithmes de contrôle qui mesurent et budgétisent de manière dynamique l’énergie collectée, stockée et utilisée par l’appareil. Le microcontrôleur est le « cerveau » de l'interface de gestion de l'énergie, vérifiant constamment la quantité d'énergie stockée et déduire s'il faut allumer ou éteindre les capteurs, prendre des mesures ou passer à la vitesse supérieure pour collecter plus d'énergie pour des besoins de détection plus complexes.

"Comme pour changer de vitesse en faisant du vélo, l'interface de gestion de l'énergie examine le comportement de la moissonneuse, essentiellement si elle pédale trop fort ou trop légèrement", explique Monagle, "puis elle modifie les charges électroniques pour maximiser la puissance de récolte et faire correspondre la puissance de récolte à ce que demande le capteur."

capteur auto-alimenté

À l’aide de ce cadre de conception, les chercheurs ont construit un circuit de gestion de l’énergie pour un capteur de température disponible dans le commerce. L'appareil récupère l'énergie du champ magnétique et est utilisé pour échantillonner en continu les données de température, qui sont ensuite envoyées à une interface de smartphone via Bluetooth.

Les chercheurs ont conçu l’appareil en utilisant des circuits à très faible consommation, mais ont rapidement découvert qu’il existait des limites strictes aux tensions que ces circuits pouvaient supporter avant de s’effondrer. Récolter trop d’énergie électrique peut provoquer l’explosion de l’appareil.

Pour éviter cela, leur système d'exploitation de récupération d'énergie dans le microcontrôleur ajuste ou réduit automatiquement la quantité d'énergie récupérée lorsqu'il y a trop d'énergie stockée. Ils ont également constaté que la communication – la transmission des données collectées par les capteurs de température – était de loin l’opération la plus gourmande en énergie. "S'assurer que les capteurs disposent de suffisamment d'énergie stockée pour transmettre des données est un défi à long terme qui nécessite une conception minutieuse", a déclaré Monagle.

À l’avenir, les chercheurs envisagent d’explorer des moyens de transmission de données moins gourmands en énergie, comme l’optique ou l’acoustique. Ils souhaitent également modéliser et prédire de manière plus rigoureuse la quantité d’énergie entrant dans un système ou requise pour les mesures des capteurs, afin que les appareils puissent collecter efficacement davantage de données.

"Si vous ne prenez que les mesures dont vous pensez avoir besoin, vous risquez de manquer quelque chose de valeur réelle. Avec plus d'informations, vous pourriez apprendre quelque chose sur le fonctionnement de l'appareil auquel vous ne vous attendiez pas. Notre cadre vous permet d'équilibrer ces considérations", a déclaré Leeb.

"Cet article détaille la structure interne d'un nœud de capteur auto-alimenté pratique dans un scénario réel", a déclaré Jinyeong Moon, professeur adjoint de génie électrique et informatique à la Florida A&M University-Florida State University College of Engineering. "Les directives générales de conception, en particulier en ce qui concerne le problème du démarrage à froid, sont très utiles. Les ingénieurs qui envisagent de concevoir des modules auto-alimentés pour les nœuds de capteurs sans fil bénéficieront grandement de ces directives et cocheront facilement la liste de contrôle fastidieuse traditionnellement associée au démarrage à froid."

Ce travail a été soutenu en partie par l’Office of Naval Research et la Grainger Foundation.