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Introduction

This specialized energy project focused on designing autonomous systems with intelligent power management and renewable energy integration. Working in pairs over 60 hours, we developed battery-powered devices with solar charging, optimized power consumption, and sophisticated energy management algorithms. Example projects included autonomous LED cubes, solar-powered IoT weather stations, and intelligent lighting systems.

Project Overview

The project synthesized knowledge from power electronics, renewable energy systems, embedded programming, and low-power design techniques. The goal was to create systems capable of operating indefinitely on harvested energy or achieving maximum autonomy from battery power through intelligent consumption management.

Example Project Types

Autonomous Display Systems

8×8×8 LED Cube:

Solar-Powered Smart Lamp:

IoT Autonomous Systems

Ultra-Low-Power Weather Station:

Solar GPS Tracker:

Energy Budget and Sizing

Power Consumption Analysis

Detailed current consumption calculation for each subsystem:

Example: LED Cube

Battery Sizing

Solar Panel Dimensioning

Formula: P = Daily Energy / (Sunlight Hours × Efficiency)

Example calculation:

Power Supply Design

Battery Charging

Li-Ion Charging:

Charge Controller:

DC-DC Converters

Buck Converter (Step-Down):

Boost Converter (Step-Up):

Low-Power Microcontroller Management

Sleep Modes:

Optimization Techniques:

PCB Design and Integration

Layout Considerations

Power Supply Section:

Component Placement:

Safety Features

Software Optimization

Power Management Firmware

void energy_management() {
    measure_battery_voltage();
    
    if (battery_SOC > 80%) {
        brightness = 100%;
        enable_complex_animations();
    }
    else if (battery_SOC > 50%) {
        brightness = 70%;
    }
    else if (battery_SOC > 20%) {
        brightness = 40%;
        simple_animations_only();
    }
    else {
        emergency_mode();  // Minimal consumption
    }
}

Sleep Mode Implementation:

Testing and Validation

Power Consumption Measurements

Autonomy Testing

Distance Test 2.4 GHz Distance Test 8.6 GHz

Efficiency Measurements

Results and Analysis

Successfully achieved target autonomy with optimized power management. Solar charging provided sufficient energy for continuous operation under normal sunlight conditions. Low-power modes reduced standby consumption by 95%, significantly extending battery life.

Key findings:

Conclusion

This project provided comprehensive experience in autonomous system design with renewable energy integration. We successfully balanced performance requirements with power consumption constraints, demonstrating effective energy management strategies. The working prototype validates our ability to design sustainable, battery-powered electronic systems for real-world deployment.

PART B: EXPÉRIENCE, CONTEXTE ET FONCTION (Exemples projets)

Systèmes autonomes

Cube LED 8×8×8 autonome :

Lampe solaire intelligente :

Systèmes IoT autonomes

Station météo ultra-basse conso :

Tracker GPS solaire :

PART C: ASPECTS TECHNIQUES (Réalisation)

Phase 1 : Bilan énergétique (10h)

Consommation système :

Dimensionnement batterie :

Dimensionnement PV :

Phase 2 : Conception (20h)

Alimentation :

Gestion énergie MCU :

Schéma électrique :

Phase 3 : Réalisation (15h)

PCB :

Boîtier :

Phase 4 : Optimisation et tests (15h)

Mesures consommation :

Optimisation firmware :

Tests autonomie :

Validation performances :

PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Livrables

Évaluation

Compétences acquises

Débouchés

📚 Types de projets possibles

Systèmes autonomes

Cube LED autonome :

Station connectée autonome :

Convertisseurs de puissance

Alimentation multiple sorties :

Chargeur universel :

Systèmes de récupération d’énergie

Energy harvesting :

Gestion de batterie

BMS (Battery Management System) :

🛠️ Exemple détaillé : Cube LED Autonome

Cahier des charges

Fonctionnalités

Spécifications techniques

Affichage :

Puissance :

Alimentation :

Conception système

Architecture électrique

Blocs principaux :

  1. Alimentation et gestion énergie :
    • Panneau solaire → Régulateur MPPT
    • Chargeur Li-ion (TP4056 ou BQ24072)
    • Protection batterie (BMS)
    • Buck-Boost 3.3V (TPS63000 ou similaire)
    • Mesure V, I batterie (INA219)
  2. Contrôle et logique :
    • Microcontrôleur STM32 (Low power)
    • Horloge RTC (DS3231)
    • Mémoire EEPROM (animations)
    • Interface utilisateur (boutons)
  3. Affichage LED :
    • Drivers de colonnes (shift registers 74HC595)
    • Drivers de plans (MOSFET N)
    • LEDs avec résistances série
    • PWM pour luminosité
  4. Communication :
    • Bluetooth LE (optionnel)
    • USB (programmation, debug)

Schémas électroniques

Alimentation :

Panneau solaire (5V, 2W)
    ↓
Régulateur MPPT (optionnel) ou diode Schottky
    ↓
Chargeur Li-ion (TP4056)
    ↓
Batterie Li-ion 18650 (3.7V, 3Ah)
    ↓
Protection (BMS intégré ou DW01)
    ↓
Buck-Boost 3.3V (efficace 85-95%)
    ↓
Microcontrôleur + LEDs

Détection batterie :

Chargeur Li-ion :

Convertisseur 3.3V :

Contrôle des LEDs

Multiplexage :

Drivers :

PWM pour luminosité :

Logiciel embarqué

Architecture logicielle

Tasks principales :

  1. Display task :
    • Rafraîchissement multiplexé
    • Haute priorité (temps réel)
    • DMA si possible pour shift registers
  2. Animation task :
    • Calcul de la frame suivante
    • Buffer double (affichage/calcul)
    • Animations diverses (pluie, ondes, texte, etc.)
  3. Power management task :
    • Mesure V, I batterie
    • Calcul SOC
    • Décisions économie énergie
    • Ajustement luminosité
  4. User interface task :
    • Lecture boutons
    • Changement mode/animation
    • Affichage infos (batterie)
  5. Charge management task :
    • Surveillance charge
    • Activation/désactivation panneau
    • Logs et statistiques

Optimisation énergétique

MCU :

LEDs :

Gestion adaptative :

if (SOC > 80%) {
    luminosité = 100%;
    animations_complexes = ON;
} else if (SOC > 50%) {
    luminosité = 70%;
} else if (SOC > 20%) {
    luminosité = 40%;
    animations_simples_only = ON;
} else {
    mode_économie_extrême();
}

Réalisation pratique

PCB

Structure :

Contraintes :

Mécanique

Structure 3D :

Matériaux :

Assemblage

  1. Soudure des LEDs sur 8 PCB plans
  2. Test individuel de chaque plan
  3. Assemblage mécanique (entretoises)
  4. Câblage inter-plans
  5. Connexion au PCB de contrôle
  6. Test ensemble
  7. Intégration batterie et panneau
  8. Finitions et boîtier

Tests et validation

Tests fonctionnels

Affichage :

Alimentation :

Tests énergétiques

Consommations mesurées :

Autonomie :

Charge solaire :

Efficacité globale : \(\eta = \frac{P_{utile}}{P_{batterie}} \times 100\%\)

Objectif : >80%

Optimisations possibles

Hardware

Software

Mécanique

💻 Outils utilisés

Simulation

Conception

Programmation

Mesure

📊 Livrables

Documentation

Réalisations

Présentation

🔗 Liens avec les cours

📖 Compétences développées

💡 Autres projets énergie possibles

Micro-onduleur solaire

Powerbank intelligent

Système hybride

⚠️ Précautions

Sécurité électrique

Batteries Li-ion

LEDs et courants

🎯 Critères d’évaluation

📚 Ressources