Caractériser la durée de vie de la batterie d’un appareil IoT à l’aide de l’Otii Arc et du Nutaq PicoLTE

L’article a été écrit par Altus Technologies , un fabricant canadien de surveillance de la chaîne du froid et d’autres solutions IoT.

Vous concevez un appareil IoT alimenté par batterie? Vous devez connaître le défi d’estimer avec précision la durée de vie de la batterie. La consommation électrique des appareils s’appuyant sur des radios à faible puissance pour communiquer (ex : NB-IoT, ĿTE-M) varie fortement en fonction des conditions du réseau. Lorsque la couverture du réseau sans fil est faible ou temporairement hors de portée, l’appareil consomme plus d’énergie. Sans oublier les nombreuses fonctionnalités configurables de la radio elle-même (ex : PSM, e-DRX) qui ne sont pas supportées de la même manière sur tous les réseaux mais qui ont un grand impact sur la consommation électrique lorsqu’elles le sont. Avec tous les facteurs ayant une incidence sur la consommation d’énergie, comment le concepteur peut-il répondre à une spécification d’autonomie de la batterie? Il faut un banc d’essai où les paramètres du réseau et des appareils ainsi que les conditions du réseau sont contrôlables et des mesures de puissance précises peuvent être effectuées.

Cet article décrit comment Altus Technologies utilise Otii Arc et Nutaq PicoLTE pour caractériser la durée de vie de la batterie des appareils IoT. Pour caractériser la durée de vie de la batterie d’un appareil IoT, nous avons besoin de deux mesures clés: le profil de consommation de courant de l’appareil au fil du temps et la quantité de charge disponible dans la batterie de l’appareil. Nous pouvons ensuite combiner ces deux mesures pour calculer combien de temps il faudra pour que notre batterie se décharge au point où notre appareil ne fonctionne plus. L’Arc d’Otii nous aide à mettre en œuvre les deux moitiés de notre méthode. Pour caractériser le profil de courant et les besoins en tension de notre appareil IoT, nous utilisons l’Arc comme alimentation électrique contrôlable avec profilage de consommation de courant intégré. Ensuite, nous utilisons la boîte à outils de profilage de batterie du logiciel Arc pour mesurer la capacité de décharge de notre batterie spécifique aux caractéristiques électriques de l’appareil.

Partie 1: Configuration du réseau PicoLTE LTE-M/NB-IoT dans un boîtier

Le PicoLTE est utilisé pour fournir la connectivité NB-IoT (à la fois eNodeB et EPC) tandis que le HL78xx CAT-M de Sierra Wireless est utilisé pour échanger des données avec nos serveurs d’applications distants. HL78xx est connecté à PicoLTE en direct (Figure 1).

Figure 1 : configuration PicoLTE et HL78xx pour tester PSM et eDRX

PicoLTE exécute simultanément plusieurs cellules LTE-M et NB-IoT. L’eNodeB est connecté à l’EPC et prend en charge différents paramètres de cycle PSM et longueurs de fenêtre de pagination eDRX.

Figure 2 : Spectre d’une cellule NB-IoT à 801 MHz (Bande LTE 20).

Partie 2: Caractérisation du profil de courant de crête et de la tension minimale

Installer

Pour caractériser le profil de courant et le besoin en tension, nous avons configuré l’Otii Arc en tant qu’alimentation. Nous retirons la batterie de l’appareil IoT et connectons à la place son entrée d’alimentation à la sortie de l’Otii Arc. Pendant ce temps, dans le logiciel Otii, nous sélectionnons « Power box » comme alimentation et réglons la tension principale sur la tension nominale de la batterie de l’appareil. Toujours dans le logiciel, nous commençons à tracer le courant principal et activons l’alimentation de l’arc.

Des mesures

Pendant que l’alimentation fonctionne à la tension nominale, nous inspectons le tracé du courant principal pour identifier 1 cycle de service de l’appareil IoT (Figure 3). Nous trouvons le plus grand pic de courant dans un cycle de service et mesurons sa durée et son courant de crête. Le logiciel Arc nous permet de nous concentrer sur n’importe quelle petite section de la parcelle actuelle, ce qui nous aide à prendre ces mesures avec précision (Figure 4). Ensuite, nous mesurons la durée et le courant moyen du reste du cycle de service (le reste du cycle de service doit être principalement du temps d’inactivité).

Après avoir mesuré le profil de courant, nous diminuons la tension de sortie de l’Arc d’un petit pas (par exemple 0,2 V) et surveillons les mesures clés de l’appareil IoT (précision du capteur, force du signal sans fil, etc.) pour déterminer si l’appareil fonctionne toujours correctement. Si c’est le cas, nous mesurons à nouveau le profil de courant, diminuons d’un cran la tension de sortie de l’arc, rincons et répétons jusqu’à trouver la tension à laquelle l’appareil cesse de fonctionner correctement. À ce stade, nous définissons la tension de l’étape précédente comme l’exigence de tension minimale de l’appareil IoT.

Figure 3 : Exemple de la partie clé du cycle de service d’un appareil IoT

Figure 4 : Zoom sur les mesures du pic de courant primaire

Partie 3: Mesurer la capacité d’une batterie et les performances d’une batterie déchargée au courant de crête

Nous utilisons l’outil de profilage de batterie d’Otii Arc pour caractériser le profil de décharge de la batterie de l’appareil IoT, compte tenu du profil actuel de l’appareil.

Installer

La configuration pour profiler une batterie à l’aide de l’Otii Arc est simple. Tout ce qu’il y a à faire est de connecter une (nouvelle) batterie complète directement à la ligne principale de l’Arc et de s’assurer que la batterie se trouve à la même température que le cas d’utilisation de l’appareil IoT.

Décharge

L’outil de profilage de batterie du logiciel Otii Arc nous permet de spécifier un courant et une durée de « décharge élevée », et un courant et une durée de « décharge faible ». Nous l’utilisons de deux manières. Tout d’abord, nous identifions un équilibre entre les 4 paramètres pour optimiser la vitesse à laquelle la batterie se décharge, tout en veillant à ce que sa tension ne chute pas trop bas en raison d’une décharge trop rapide (Figure 5). En utilisant ces paramètres, nous laissons l’outil de profilage de batterie vider la batterie tout en enregistrant la quantité déchargée dans les fichiers journaux de l’outil. Nous pouvons arrêter le processus à tout moment pour mesurer les performances de la batterie après X décharge (voir section Mesures ci-dessous), avant de reprendre le processus de décharge/profilage.

Figure 5: (Tracé inférieur, courbe jaune) Exemple de la chute lente de la tension de la batterie à mesure que la batterie se décharge à l’aide des paramètres affichés

Des mesures

Après avoir partiellement déchargé notre batterie de test, nous utilisons les paramètres de courant de décharge haut et bas de l’outil de profilage de batterie pour simuler grossièrement le profil de courant de notre appareil IoT. La période de décharge élevée représente le plus grand pic de courant dans le cycle de service, et la période de décharge faible représente le reste du cycle de service et le temps d’inactivité. Avec ces paramètres, nous laissons l’outil de profilage de batterie de l’Arc fonctionner jusqu’à ce que la tension de sortie de notre batterie (affichée dans le tracé de la tension principale de l’arc) atteigne une oscillation stable (Figure 5). À ce stade, nous enregistrons la tension et la définissons comme la tension de la batterie à X décharge.

Figure 6: Un exemple d’oscillation stable de brèves chutes de tension (correspondant à des pics de courant) et de temps d’inactivité

Nous répétons ces deux étapes (décharge et mesure) jusqu’à ce que la tension de batterie mesurée tombe en dessous de la tension minimale de l’appareil IoT, comme précédemment caractérisé. Nous pouvons alors additionner toute la décharge de la batterie jusqu’à ce point (disponible dans les journaux générés) et définir cette somme comme la charge disponible de la batterie