Sistema de Captação e Gerenciamento de Microenergia para Dispositivos IoT

A captação de microenergia pode aumentar a autonomia de dispositivos IoT instalados em campo, onde a alimentação é um dos principais desafios de projeto. Quando a substituição periódica de baterias é difícil, cara ou indesejável, uma alternativa é aproveitar pequenas quantidades de energia disponíveis no próprio ambiente.

Essa técnica, conhecida internacionalmente como Energy Harvesting, pode utilizar fontes como luz, vibração e diferenças de temperatura. A energia captada é condicionada e gerenciada para alimentar o circuito eletrônico e recarregar um elemento de armazenamento, permitindo aumentar significativamente a autonomia do dispositivo.

Como funciona a captação de microenergia em dispositivos IoT?

Na captação de microenergia, a quantidade de energia disponível no ambiente normalmente é pequena e variável. Por isso, não basta conectar uma fonte de energia diretamente à bateria. É necessário um circuito especializado capaz de captar essa energia, convertê-la de forma eficiente e controlar seu armazenamento.

Em uma arquitetura típica, a fonte de microenergia alimenta um circuito de gerenciamento de energia, ou PMIC. Esse circuito condiciona a energia disponível e controla a carga do elemento de armazenamento. A energia acumulada é então utilizada pelo sensor, microcontrolador e sistema de comunicação do dispositivo IoT.

Em um projeto de captação de microenergia, o desafio de engenharia está em equilibrar três fatores: a energia que pode ser captada do ambiente, a capacidade de armazenamento e o consumo do equipamento.

PMICs para captação e gerenciamento de energia

Um exemplo desse tipo de solução são os circuitos da e-peas voltados à captação de energia. A empresa possui PMICs desenvolvidos para trabalhar com pequenas fontes de energia e dispositivos de armazenamento.

Entre as soluções citadas estão os conversores AEM10941, AEM10330 e AEM10300. Esses componentes podem ser combinados com baterias recarregáveis em miniatura de titanato de lítio (LTO), como a série SLB da NICHICON.

Segundo os dados apresentados pelos fabricantes, a série SLB é destinada a aplicações IoT e pode atingir pelo menos 25.000 ciclos de carga e descarga. A combinação entre o PMIC e o dispositivo de armazenamento busca formar uma solução compacta e de longa duração para sensores e outros equipamentos que operam com pouca energia disponível.

Gerenciamento e proteção da bateria

Além de converter a energia captada, o circuito de gerenciamento precisa trabalhar de acordo com as características do elemento de armazenamento.

O AEM10300 e o AEM10330 possuem configurações predefinidas para diferentes elementos de armazenamento. Já o AEM10941 permite configuração personalizada, possibilitando adequar os parâmetros às características da bateria utilizada na aplicação.

Os PMICs também incorporam funções de proteção contra sobretensão e descarga excessiva. Esse gerenciamento é importante porque o objetivo não é apenas captar energia, mas utilizar corretamente a pequena quantidade disponível e manter o sistema operando dentro das condições previstas para a bateria.

Um exemplo de autonomia prolongada

Um teste apresentado para a combinação da bateria NICHICON SLB03070LR35 com o e-peas AEM10300 mostra o potencial desse tipo de arquitetura.

No ensaio, o sistema continuou fornecendo energia ao sensor durante mais de quatro meses em condições escuras, período em que a fonte de luz utilizada para captação de energia deixou de contribuir para o sistema.

Durante esse período, o sensor continuou transmitindo informações para um gateway remoto. O registro apresentado indica uma redução de aproximadamente 86 mV na tensão da bateria ao longo de um mês de operação nessas condições.

O resultado é mais interessante do que simplesmente afirmar que uma bateria pode “durar para sempre”. Na prática, a autonomia depende do balanço energético completo do projeto: quanta energia pode ser captada, quanto o equipamento consome, com que frequência transmite dados e qual a capacidade do elemento de armazenamento.

Onde esse conceito pode ser aplicado?

Soluções de captação e gerenciamento de microenergia podem ser interessantes principalmente em sensores e equipamentos IoT instalados em locais onde a manutenção frequente é inconveniente.

Um exemplo são sistemas de monitoramento ambiental e de edifícios inteligentes, nos quais o dispositivo pode permanecer por longos períodos com pouca energia disponível, mas ainda precisa manter as funções de sensoriamento e comunicação.

O conceito também pode ser considerado em qualquer aplicação na qual seja possível aproveitar alguma fonte de energia do ambiente e o consumo médio do equipamento seja suficientemente baixo para manter um balanço energético favorável.

Projeto eletrônico de sistemas IoT de baixo consumo

A utilização de microenergia não depende apenas da escolha do PMIC ou da bateria. O projeto completo precisa considerar o consumo do microcontrolador, sensores, reguladores, interfaces e principalmente do sistema de comunicação.

O desenvolvimento deve analisar os períodos de atividade e repouso, a frequência das medições e transmissões e a energia efetivamente disponível na aplicação. Dessa forma, a captação de energia passa a fazer parte da arquitetura do produto, e não apenas a ser um componente adicional.

A e-peas é representada no Brasil pela Quadra Representações, que pode auxiliar na seleção das soluções do fabricante. Para aplicações que exigem análise de arquitetura, desenvolvimento de hardware e firmware ou integração com sensores e sistemas de comunicação, a ECK desenvolve projetos de engenharia eletrônica voltados à solução completa. Para referências técnicas sobre componentes de captação de microenergia, consulte também os fabricantes e-peas e NICHICON.

Termo técnico

Energy Harvesting é o termo internacional utilizado para técnicas de captação de pequenas quantidades de energia disponíveis no ambiente. Neste artigo, utilizamos a expressão “captação de microenergia” por representar de forma mais direta a aplicação em dispositivos IoT de baixo consumo.