Energy harvesting

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elettronica-plus ha intervistato Tony Armstrong, director of Product Marketing, Power Products di Linear Technology Corporation

elettronica-plus: Quali sono i problemi posti dall’energy harvesting (energia solare, eolica), specialmente per gli alimentatori compatti, come quelli per la carica wireless, la cui uscita non è perfettamente stabile?

Armstrong: Negli impianti fotovoltaici, la maggior parte dei costi è dovuta al pannello e alle batterie. Qualsiasi soluzione basata sull’energia solare massimizza l’utilizzo della capacità e la durata di questi componenti. Ad esempio, un caricabatteria di alta qualità prolunga sia l’autonomia della batteria, alleviando i requisiti sulla capacità, sia la sua durata, riducendo al minimo i costi di manutenzione e sostituzione. Analogamente, impiegando un controller CC/CC che estrae la massima energia disponibile dal pannello solare si riducono le dimensioni e il costo dei pannelli necessari.

LT8490 di Linear è un controller di carica pensato per batterie al litio e piombo-acido, alimentabile da un pannello solare o un generatore di tensione CC. Include la funzione di inseguimento del punto di potenza massima (MPPT, maximum power point tracking) effettivo per pannelli solari e algoritmi di carica della batteria incorporati e ottimizzati per vari tipi di batterie – non è necessario lo sviluppo di alcun firmware.

I valori nominali di 80V per l’ingresso e l’uscita consentono di usare l’LT8490 con pannelli contenenti fino a 96 celle in serie. Lo stadio di potenza utilizza quattro MOSFET a canale N esterni e un singolo induttore in una configurazione buck-boost, che a differenza della maggior parte dei controller di carica, consente al dispositivo di carica di funzionare in modo efficiente con tensioni del pannello inferiori, superiori o uguali alla tensione della batteria. La tensione minima del pannello è pari a 6V.

Le batterie offrono autonomia e durata più lunga quando l’algoritmo di carica è ottimizzato per il tipo di batteria. Analogamente, un controller di carica MPPT dalle prestazioni elevate, che insegue il punto di potenza massima del pannello solare durante condizioni di ombra parziale, consente l’uso di un pannello solare di dimensioni e costo inferiori. Creare una soluzione a componenti discreti per svolgere tutte queste funzioni ai fini della carica comporterebbe costi elevati e tempi notevoli, richiedendo in genere un microcontroller, un regolatore a commutazione dalle prestazioni elevate e un lungo ciclo di sviluppo del firmware.

Fig. 1 – Circuito integrato LTC3331 per energy harvesting e prolungamento della durata della batteria

Il controller di carica batterie MPPT LT8490 offre un’ampia gamma di funzionalità:

• l’algoritmo MPPT integrato (non è necessario sviluppare alcun firmware) riduce notevolmente il tempo di immissione sul mercato
• la configurazione buck-boost consente a VINdi essere superiore, inferiore o uguale a VBAT
• può caricare batterie sia al piombo-acido che agli ioni di litio
• da 6V a 80V per VINe da 1,3V a 80V per VBAT.

LT8490 può essere alimentato da un pannello solare o da qualsiasi generatore di tensione CC. Per una particolare tensione della batteria, è possibile utilizzare un’ampia gamma di pannelli solari poiché la tensione del pannello può essere minore o maggiore di quella della batteria. LT8490 accetta ingressi del pannello da 6V a una tensione di circuito aperto massima (bassa temperatura) di 80V, un intervallo corrispondente a 16 – 96 celle solari collegate in serie.

Poiché lo stadio di potenza è esterno, può essere ottimizzato per l’applicazione, mentre i limiti della corrente di carica (e il limite della corrente d’ingresso quando si utilizza un generatore di tensione CC) può essere configurato secondo le necessità.

Quando è alimentato da un pannello solare, LT8490 ne mantiene la tensione al punto di potenza massima; e anche durante condizioni di ombra parziale, quando compare più di un punto di potenza massima locale (un effetto dei diodi di bypass presenti all’interno del pannello solare), LT8490 rileva e insegue il vero massimo.

Per esempio, il punto di potenza massima (200W) corrisponde a 25V quando il pannello è completamente illuminato; in condizioni di ombra parziale, la potenza disponibile a una tensione del pannello pari a 25V scende a 50W e il nuovo punto di potenza massima effettivo (128W) compare a 16V, per cui il picco di potenza originale, corrispondente ai valori di 25V/200W, si sposta effettivamente a un massimo locale di circa 32V/63W.

Questo effetto massimo locale doppio rappresenta il notevole svantaggio delle tradizionali funzioni MPPT presenti in vari controller, poiché queste seguono il picco iniziale a 25V/200W mentre si sposta verso i valori di 32V/63W. Invece LT8490 rileva il vero punto di potenza massima a 16V/128W, estraendo 65W aggiuntivi dal pannello; ottiene questo risultato misurando l’intera curva di potenza del pannello a intervalli regolari e localizzando il picco di potenza massima effettivo al quale funzionare. In questo caso, viene estratta potenza di carica superiore al doppio, e in altre condizioni d’ombra sono possibili guadagni ancora maggiori.

È possibile configurare gli algoritmi di carica secondo i requisiti di ciascuna applicazione, regolando la tensione su due appositi pin. Le batterie al piombo-acido costruite con tecnologie AGM, al gel e a celle umide richiedono tensioni di carica leggermente diverse ai fini di una durata ottimale, e le celle agli ioni di litio e LiFePO4 hanno requisiti di carica diversi dalle batterie al piombo-acido. Alcune delle funzioni di controllo della carica incorporate e configurabili sono:

• Compensazione della tensione di carica secondo la temperatura (in genere per batterie al piombo-acido) mediante sensore NTC
• Protezione della batteria mediante arresto della corrente di carica in condizioni di sovra- o sottotemperatura della batteria stessa
• Arresto della carica se viene rilevata una batteria esausta per prevenire rischi
• Regolazione della carica alla velocità di auto-scarica di una batteria quasi completamente scarica per ridurre il rischio di danni
• Passaggio dalla carica a corrente costante alla carica a tensione costante quando la tensione della batteria raggiunge il valore finale
• Riduzione della tensione di carica a un livello di tensione flottante inferiore quando la batteria è stata caricata completamente
• Limiti del tempo di carica impostabili quando il controller è alimentato da un generatore di tensione CC

elettronica-plus: L’efficienza è il fattore fondamentale della conversione di potenza; qual è la tecnologia sviluppata da Linear per migliorarla?

Armstrong: Nel mondo, intorno a noi, c’è una quantità enorme di energia disponibile dall’ambiente, e l’approccio convenzionale all’energy harvesting ha fatto ricorso ai pannelli solari e ai generatori eolici.  Tuttavia, nuovi strumenti di immagazzinamento dell’energia consentono di produrre energia elettrica sfruttando un’ampia gamma di fonti ambientali. Inoltre, è importante non tanto l’efficienza della conversione energetica dei circuiti, ma soprattutto la quantità di energia “immagazzinata media” disponibile per alimentarli.

Per esempio, i generatori termoelettrici convertono il calore in energia elettrica, gli elementi piezoelettrici convertono l’energia delle vibrazioni meccaniche, gli impianti fotovoltaici convertono la luce solare (o qualsiasi altra sorgente di fotoni) e i dispositivi galvanici producono energia dall’umidità. Risulta così possibile alimentare sensori remoti o caricare un dispositivo di memorizzazione, come un condensatore o una batteria a film sottile, affinché sia possibile alimentare un microprocessore o un trasmettitore da un punto remoto senza una sorgente di alimentazione locale. Questo a sua volta offre l’opportunità di utilizzare i prodotti per energy harvesting di Linear come possibili soluzioni.

In termini generali, le caratteristiche prestazionali di un circuito integrato necessarie per l’inclusione e l’utilizzo nel settore delle energie alternative sono:

• basse correnti di riposo – normalmente meno di 6µA e fino a 450 nA
• basse tensioni di avvio – sino a 20 mV
• funzionamento con elevate tensioni d’ingresso – fino a 34V continui e 40V transitori
• possibilità di gestire ingressi CA
• uscite multiple e gestione autonoma dell’alimentazione del sistema;
• funzionamento ad autopolarità
• controllo del punto di potenza massima (MPPC, Maximum Power Point Control) per ingressi solari
• la possibilità di immagazzinare energia con delta di temperatura piccolissimi – sino a 1 °C
• soluzioni compatte con numero minimo di componenti esterni.

elettronica-plus: Quali sono i problemi di progettazione da risolvere per convertire l’energia immagazzinata? Qual è la strategia di Linear?

Armstrong: Tradizionalmente, vari tipi di sensore venivano collegati mediante cavi ai rispettivi alimentatori. Tuttavia oggi, anziché dover far fronte al problema e al costo della posa di cavi in vari punti di un impianto, è possibile installare robusti e affidabili sensori wireless di qualità industriale in grado di funzionare per anni alimentati da una piccola batteria o anche immagazzinando l’energia generata da sorgenti che assicurino gradienti di luce, vibrazioni o temperatura.

È possibile anche utilizzare la combinazione di una batteria ricaricabile e di più sorgenti di energia ambiente. Inoltre, a causa di problemi di sicurezza intrinseci, alcune batterie ricaricabili non possono essere caricate mediante cavi ma richiedono l’impiego di tecniche di trasferimento wireless della potenza.

Le tecnologie energy harvesting all’avanguardia e immediatamente disponibili, ad esempio in celle fotovoltaiche per locali chiusi e in sistemi di immagazzinamento dell’energia generata da vibrazioni, producono livelli di potenza dell’ordine dei milliwatt in condizioni di funzionamento tipiche.

Sebbene questi livelli di potenza possano apparire limitativi, il funzionamento di elementi di immagazzinamento dell’energia nel corso di vari anni può far sì che le tecnologie siano in gran parte compatibili con batterie principali di lunga durata, sia per quanto riguarda la raccolta di energia che in termini del costo per unità di energia fornita. Inoltre, i sistemi che incorporano soluzioni di energy harvesting in genere sono in grado di ricaricarsi quando la carica si esaurisce, un vantaggio che manca nei sistemi alimentati da batterie principali.

Ciò nonostante, nella maggior parte delle implementazioni si impiega una sorgente di energia ambiente come generatore di energia principale, ma integrandola con una batteria che può essere inserita se tale sorgente non è più disponibile o viene interrotta. Questa batteria può essere ricaricabile o monouso e la scelta normalmente dipende dall’applicazione finale.

Ne consegue che se l’installazione finale consente un accesso agevole per sostituire una batteria non ricaricabile e questa operazione può essere eseguita velocemente e a un costo contenuto dagli addetti alla manutenzione, tale soluzione è conveniente dal punto di vista economico. Se invece sostituire la batteria è scomodo e costoso, dal punto di vista economico è più conveniente l’utilizzo di una batteria ricaricabile.

Anche se si seleziona una batteria ricaricabile, rimane aperta la questione di quale sia il metodo ottimale di ricarica. Alcuni dei fattori che influiscono su tale decisione sono:

• è disponibile una sorgente di energia cablata per caricare la batteria?
• è disponibile potenza sufficiente dalle sorgenti di energia ambiente per alimentare la rete di sensori wireless (WSN, wireless sensor network) e inoltre caricare la batteria?
• è necessario un trasferimento di potenza wireless per caricare la batteria a causa di requisiti di sicurezza intrinseci dovuti alla natura pericolosa della sua installazione?

Indipendentemente dalla soluzione richiesta dalla specifica applicazione di energy harvesting, da sempre la strategia di Linear consiste nell’introdurre soluzioni che assicurino al progettista di un sistema WSN le caratteristiche prestazionali necessarie per soddisfare semplicemente e agevolmente le proprie necessità. Nella risposta alla domanda n. 4 che segue vengono presentati due esempi.

elettronica-plus: Quali funzioni dovrebbero essere integrate nei tradizionali circuiti integrati di gestione della potenza (PMIC) ai fini della carica wireless o dell’energy harvesting?

Armstrong: Recentemente Linear Technology ha introdotto due componenti per far fronte specificamente ai problemi dell’energy harvesting (EH) e della carica wireless.

Il primo circuito integrato, LTC3331, immagazzina l’energia e prolunga la durata della batteria, ed è illustrato in figura 1.

LTC3331 è una soluzione EH completa dotata di circuito di regolazione, che genera fino a 50 mA di corrente continua per prolungare la durata della batteria quando è disponibile energia da immagazzinare. Non assorbe corrente di alimentazione dalla batteria quando trasferisce potenza regolata al carico utilizzando l’energia immagazzinata e solo 950nA quando è alimentato dalla batteria a vuoto.

Integra un alimentatore EH ad alta tensione oltre a un convertitore CC/CC buck-boost sincrono alimentato da una batteria ricaricabile per creare una singola uscita di continuità per applicazioni di energy harvesting come quelle delle WSN.

L’alimentatore EH di LTC3331, consistente di un raddrizzatore a ponte a onda intera che accetta ingressi CA o CC e di un convertitore buck sincrono ad alta efficienza, immagazzina l’energia generata da sorgenti piezoelettriche (CA), solari (CC) o magnetiche (CA). Uno shunt da 10mA consente di caricare la batteria con l’energia immagazzinata, mentre una funzione di scollegamento della batteria quando questa è quasi scarica la protegge dagli effetti della scarica profonda.

La batteria ricaricabile alimenta un convertitore buck-boost sincrono che funziona con tensione d’ingresso compresa tra 1,8V e 5,5V e s’inserisce quando l’energia immagazzinata non è disponibile, per regolare l’uscita indipendentemente dal livello a cui si trova l’ingresso: superiore, inferiore o uguale a quello di uscita. Il caricabatteria di LTC3331 è dotato di una funzione di gestione della potenza molto importante, che non può essere trascurata quando si impiegano sorgenti di micropotenza.

LTC3331 incorpora un circuito di controllo logico del caricabatteria tale che quest’ultimo carica la batteria solo quando l’alimentatore che immagazzina l’energia ne ha una quantità in eccesso. Senza questa funzione logica, all’avvio la sorgente di energia immagazzinata rimarrebbe ‘bloccata’ in qualche punto di funzionamento non ottimale e non sarebbe in grado di alimentare il dispositivo previsto.

LTC3331 inserisce automaticamente la batteria quando la sorgente per energy harvesting non è più disponibile. Si ottiene così l’ulteriore vantaggio di consentire ai WSN alimentati dalla batteria di prolungarne la durata operativa da 10 a oltre 20 anni se per almeno metà del tempo è disponibile una sorgente di alimentazione EH adatta; la durata sarà ancora maggiore se la sorgente EH è disponibile per un intervallo più lungo. È stato integrato anche un circuito di bilanciamento a supercondensatore, che consente di immagazzinare una quantità maggiore di energia all’uscita. Oltre alla gamma sempre più ampia di opzioni di energy harvesting, l’Internet delle cose si avvantaggia anche di tecniche perfezionate per la carica wireless, poiché quest’ultima fa sì che sia possibile caricare batterie quando il contatto fisico non è pratico.

Il secondo circuito integrato introdotto per applicazioni di carica wireless è LTC4120,  un caricabatteria e ricevitore di potenza wireless che inoltre incorpora una tecnologia brevettata di PowerbyProxi (un partner tecnologico di Linear): Dynamic Harmonization Control (DHC), che consente la carica senza contatto e ad alta efficienza senza problemi di sollecitazioni eccessive – termiche o elettriche – nel ricevitore.

Tramite questa tecnologia è possibile trasmettere fino a 2W a una distanza massima di 1,0 cm. Tuttavia, per batterie agli ioni di litio a singola cella, la massima tensione e corrente di carica – pari, rispettivamente, a 4,2V e 400 mA – limitano questo valore a 1,7W. Analogamente, il valore massimo di 2W limita a 240 mA la corrente di carica delle batterie agli ioni di litio 2 Series (massima tensione di carica pari a 8,4V).

Le prestazioni del sistema dipendono da vari parametri – potenza, efficienza, portata e dimensioni – e quindi il sistema di alimentazione wireless basato su LTC4120 è stato progettato per ricevere sino a 2W alla batteria fino a una distanza di 1,0 cm quando è impiegato con una delle numerose opzioni di trasmissione disponibili. I risultati dei calcoli dell’efficienza variano in misura notevolissima a seconda della tecnica e dei componenti adoperati. In genere, la batteria riceve il 45% – 55% della potenza d’ingresso CC applicata al trasmettitore in un sistema basato su LTC4120.

La tecnologia di sintonizzazione DHC brevettata da PowerbyProxi e integrata in LTC4120 offre notevoli vantaggi rispetto ad altre soluzioni di alimentazione wireless. In risposta a variazioni del carico e ambientali, il sistema DHC varia dinamicamente la frequenza di risonanza del circuito risonante LC del ricevitore e consegue un’efficienza superiore del trasferimento di potenza, consentendo l’uso di ricevitori più compatti pur rendendo possibile una portata di trasmissione più lunga.

A differenza di altre tecnologie per il trasferimento di potenza wireless, la tecnologia DHC consente una gestione intrinseca del livello di potenza come parte del campo di potenza induttivo, eliminando la necessità di un canale di comunicazione separato per convalidare i ricevitori o per gestire variazioni nella richiesta del carico durante il ciclo di carica della batteria.

È chiaro che la tecnologia DHC risolve un problema fondamentale di tutti i sistemi di alimentazione wireless. Ogni sistema deve essere progettato sia in modo da ricevere una determinata quantità di potenza a una data distanza massima di trasmissione che in modo da tollerare una condizione di assenza di carico alla distanza di trasmissione minima. Altre soluzioni competitive risolvono questo problema mediante un complicato sistema di comunicazione digitale che aumenta la complessità e il costo, limitando la distanza di trasmissione della potenza. Il sistema di alimentazione wireless basato su LTC4120 risolve questo problema incorporando la tecnologia PowerbyProxi DHC.

A cura della redazione

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