Bonnes pratiques
Calculer l’autonomie d’une batterie pour un projet IoT : formules, exemple et conseils
« Combien de temps va tenir ma batterie ? » La question se pose dès qu’un capteur est installé loin de toute prise, sur un toit ou au milieu d’une parcelle. La réponse tient en une division, à condition de bien choisir ses chiffres : un nœud annoncé pour trois ans peut s’éteindre en deux mois si l’on oublie la LED d’alimentation ou le courant de repos du régulateur.
Voici la méthode complète, illustrée par un exemple chiffré avec un ESP32 et une radio LoRa. Pour aller plus vite, vous pouvez saisir vos propres valeurs dans notre calculateur d’autonomie de batterie, qui suit la même logique.
La formule de base
Une batterie stocke une charge électrique exprimée en milliampères-heures (mAh). Si un circuit consomme un courant constant, l’autonomie se calcule ainsi :
Autonomie (h) = capacité (mAh) ÷ courant moyen (mA)
Une cellule de 2 000 mAh qui alimente une charge de 20 mA tient donc, en théorie, 100 heures. Mais la capacité de l’étiquette est mesurée dans des conditions favorables (faible courant, environ 20 °C), et le courant d’un objet connecté n’est presque jamais constant : il alterne longues phases de sommeil et brèves pointes d’activité.
Calculer le courant moyen d’un nœud IoT
Un capteur connecté répète le même cycle : réveil, mesure, transmission, sommeil. Le courant moyen est la charge consommée pendant un cycle divisée par sa durée :
I moyen = (I1 × t1 + I2 × t2 + I3 × t3) ÷ T
T est la période complète, par exemple 900 secondes pour une mesure toutes les 15 minutes : chaque courant est pondéré par sa part du temps, d’où le nom de calcul par rapport cyclique (duty cycle).
Le sommeil, la phase que l’on sous-estime
Un ESP32 en sommeil profond, réveillé par son minuteur RTC, consomme de l’ordre de 7 à 10 µA selon la variante, d’après les fiches techniques d’Espressif. Ce chiffre concerne la puce seule : sur une carte de développement, LED témoin, convertisseur USB-série et régulateur peuvent porter le repos à plusieurs centaines de microampères, voire quelques milliampères. Comme cette phase occupe plus de 99 % du temps, chaque microampère compte.
L’activité et la transmission radio
Au réveil, le processeur consomme quelques dizaines de milliampères ; la transmission est la phase la plus gourmande. Selon la fiche technique Semtech du SX1262, la puce radio tire environ 45 mA pour émettre à +14 dBm et environ 118 mA à +22 dBm. Le convertisseur dBm en watts illustre l’écart de puissance : 14 dBm correspondent à 25 mW, et 22 dBm à environ 158 mW.
La durée d’émission dépend du facteur d’étalement (spreading factor), de la bande passante et de la taille du message. Avec SF9, 125 kHz et 20 octets de charge utile, un paquet occupe l’antenne environ 185 ms ; en SF12, le même message dure plus d’une seconde. Les compromis entre portée et temps d’antenne sont détaillés dans notre article LoRa et LoRaWAN expliqués.
Les marges à appliquer
La division brute donne un plafond rarement atteint. Quatre facteurs réduisent l’énergie disponible.
La capacité utile
Le montage s’arrête souvent avant que la cellule soit vide, dès que sa tension minimale est atteinte, et la capacité baisse avec le vieillissement. Retenir environ 80 % de la valeur nominale est une hypothèse raisonnable.
La température
Le froid réduit la capacité disponible, surtout pour les piles alcalines, tandis que la chaleur accélère l’autodécharge et le vieillissement des cellules au lithium. Pour un boîtier en plein soleil ou soumis à des nuits froides, une marge de 10 à 20 % n’a rien d’excessif.
L’autodécharge
Une batterie se vide même au repos : une cellule Li-ion perd typiquement 1 à 3 % de sa capacité par mois, davantage si elle intègre un circuit de protection. Converti en courant, 2 % par mois sur 3 000 mAh représentent 60 mAh toutes les 730 heures environ, soit près de 0,08 mA : c’est du même ordre que la consommation d’un nœud bien optimisé.
Le régulateur de tension
Avec un régulateur linéaire (LDO), le courant prélevé sur la batterie est égal au courant de la charge augmenté du courant de repos du régulateur. Un modèle courant comme l’AP2112K-3.3 annonce environ 55 µA de courant de repos typique, soit davantage que l’ESP32 endormi lui-même. Pour un nœud qui dort la plupart du temps, un régulateur dont le courant de repos se compte en microampères, comme la série XC6206, change nettement le bilan.
Avec un convertisseur à découpage, on raisonne plutôt en puissance : I batterie = (V sortie × I sortie) ÷ (rendement × V batterie). Le rendement, souvent de 85 à 95 % à forte charge, chute nettement à très faible courant.
Exemple chiffré : un capteur LoRa sur une cellule 18650
Prenons un nœud construit autour d’un ESP32-S3 et d’une radio SX1262, comme la Heltec Wireless Stick V3, alimenté par une cellule Li-ion 18650 de 3 000 mAh. Il mesure et transmet toutes les 15 minutes, soit T = 900 s. Les valeurs ci-dessous sont des hypothèses réalistes ; remplacez-les par vos propres mesures.
- Sommeil : 20 µA pour l’ensemble carte, régulateur et capteur, pendant 898,3 s.
- Activité (réveil et lecture du capteur) : 45 mA pendant 1,5 s.
- Émission LoRa à +14 dBm : 90 mA au total, processeur et radio compris, pendant 0,2 s.
Étape 1 : la charge consommée par cycle
- Activité : 45 × 1,5 = 67,5 mA·s
- Émission : 90 × 0,2 = 18 mA·s
- Sommeil : 0,020 × 898,3 ≈ 17,97 mA·s
- Total : environ 103,5 mA·s par cycle
Le courant moyen vaut donc 103,5 ÷ 900 ≈ 0,115 mA, soit 115 µA. Remarquez que le sommeil pèse à lui seul environ 17 % du total, autant que l’émission radio.
Étape 2 : l’autonomie théorique
3 000 ÷ 0,115 ≈ 26 100 heures, soit environ 1 090 jours : près de trois ans sur le papier.
Étape 3 : l’autonomie réaliste
Appliquons 80 % de capacité utile et 10 % de marge thermique : 3 000 × 0,8 × 0,9 = 2 160 mAh. Ajoutons ensuite l’autodécharge de 0,082 mA au courant moyen : 0,115 + 0,082 = 0,197 mA. L’autonomie devient 2 160 ÷ 0,197 ≈ 10 960 heures, soit environ 456 jours, un peu plus de 15 mois.
L’écart avec les trois ans théoriques est considérable. Quelques variantes, avec les mêmes marges :
- Émission à +22 dBm (radio à 118 mA, soit environ 163 mA au total) : environ 420 jours. Au Maroc, ce niveau n’est permis que dans la sous-bande 869,4–869,65 MHz.
- Une mesure toutes les 5 minutes au lieu de 15 : environ 230 jours.
- Un sommeil à 1 mA, typique d’une carte de développement non modifiée : environ 77 jours.
Le courant de repos pèse donc souvent plus lourd que la puissance d’émission.
Choisir la chimie de batterie
Les valeurs suivantes sont des ordres de grandeur typiques ; vérifiez toujours la fiche technique du modèle retenu.
| Chimie | Tension nominale | Capacité typique | Points à retenir |
|---|---|---|---|
| Li-ion 18650 | 3,6 à 3,7 V (4,2 V chargée) | 2 500 à 3 500 mAh | Bon rapport capacité/prix ; protection et chargeur adapté indispensables. |
| LiPo | 3,7 V (4,2 V chargée) | 100 à 5 000 mAh | Chimie Li-ion en format plat ; sensible aux chocs et à la chaleur. |
| LiFePO4 | 3,2 V (3,6 V chargée) | 1 000 à 1 800 mAh en format 18650 | Moins dense, très stable, milliers de cycles, tension plate proche de 3,3 V. |
| Pile alcaline AA | 1,5 V | 2 000 à 3 000 mAh à faible courant | Non rechargeable ; capacité en forte baisse sous fort courant et au froid. |
| Pile bouton CR2032 | 3 V | environ 220 mAh | Pour quelques dizaines de µA ; résistance interne trop élevée pour les pointes de 100 mA d’un ESP32. |
Pour un nœud LoRa à base d’ESP32, la 18650 et la LiPo restent les choix les plus répandus ; la LiFePO4 se justifie pour un boîtier exposé à la chaleur, fréquent en extérieur au Maroc, ou sur panneau solaire.
Mesurer plutôt que deviner
Les fiches techniques donnent un point de départ, pas une garantie. Un multimètre en calibre microampère suffit pour le sommeil ; pour les pointes d’émission, un analyseur de consommation ou un shunt observé à l’oscilloscope révèle le profil réel.
Pensez aussi à surveiller la tension de la batterie depuis le microcontrôleur. Le pont diviseur classique consomme en permanence : deux résistances de 100 kΩ sur une cellule à 4,2 V tirent 21 µA, soit plus que l’ESP32 endormi. Notre calculateur de pont diviseur de tension aide à choisir des valeurs plus élevées, ou à dimensionner un pont que l’on coupe par transistor entre deux mesures. Sur un pack de deux cellules en série, une jauge dédiée comme le MAX17049 estime l’état de charge en ne consommant qu’environ 3 µA en veille.
Conseils pour prolonger l’autonomie
- Espacez les mesures : passer de 5 à 15 minutes divise par trois l’énergie consacrée aux réveils et aux émissions.
- Raccourcissez le temps d’antenne : un facteur d’étalement plus faible lorsque la portée le permet, ou le débit adaptatif (ADR) en LoRaWAN, réduit fortement l’énergie par message.
- Limitez la puissance d’émission au strict nécessaire, dans le respect de la réglementation de la bande 868 MHz.
- Supprimez les consommateurs inutiles (LED témoin, convertisseur USB-série) et coupez l’alimentation des capteurs entre deux mesures avec un GPIO ou un MOSFET.
- Choisissez un régulateur à faible courant de repos, ou alimentez directement le montage depuis une LiFePO4 lorsque les tensions de vos composants le permettent.
- Pour un produit final, une carte dédiée équipée d’un module radio nu comme le RFM95W évite les composants superflus d’une carte de développement.
- Regroupez plusieurs mesures dans un seul message.
- Ajoutez un petit panneau solaire et un chargeur adapté pour viser une autonomie quasi illimitée.
En résumé
Calculer l’autonomie revient à décomposer le fonctionnement en phases, calculer le courant moyen pondéré par le temps, appliquer des marges réalistes, puis confirmer par la mesure. Dans la plupart des projets IoT, c’est le courant de sommeil, plus que l’émission radio, qui fixe la durée de vie.