Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L’objectif de cet article est de retracer les grands principes du transfert d’énergie sans contact. Après un rappel des différents moyens de transmission d’énergie sans fil, l’étude se concentre sur le transfert par couplage magnétique en moyenne puissance, dans le contexte de la recharge accélérée de véhicules électriques. L’étude s’attache à la modélisation de ce type de coupleur à grand entrefer puis les différents modes de compensation sont analysés et comparés. Une méthode de pré-dimensionnement du coupleur est proposée sur la base de simulations simples par éléments finis. Le coupleur ainsi dimensionné est associé à une structure DC-DC à résonance série-série. Ce système ainsi étudié a conduit à la réalisation d’un prototype d’une puissance de 20kW.
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This article describes the main principles of contactless energy transfer. After a short review of various options of wireless energy transfer, the article focuses on the magnetic coupling transfer for automotive charging in medium power applications. The article deals with the modeling of a large air gap coupler. Different compensation modes are then analyzed and compared. A pre-dimensioning method for the coupler is proposed, based on simple finite element simulations. The coupler is designed and included in a DC-DC topology with series-series resonance. The whole system was studied and a 20 kW prototype made and successfully tested.
Auteur(s)
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Jean-Paul FERRIEUX : Professeur des Universités - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France
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Gérard MEUNIER : Directeur de Recherche - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France
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Benoît SARRAZIN : Ingénieur de Recherche - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France
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Alexis DERBEY : Ingénieur d’Études - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France
INTRODUCTION
Le transfert d’énergie sans contact, ou encore le transfert d’énergie sans fil, est un terme générique pour désigner différentes techniques permettant de transférer de l’énergie électrique à distance, sans liaison physique, d’un dispositif émetteur (ou antenne émettrice) vers un dispositif récepteur (ou antenne réceptrice). Ce mode de transfert d’énergie peut prendre différentes formes : induction magnétique, influence électrique, rayonnement électromagnétique (ondes radio, micro-ondes, laser infrarouge) .
Le transfert d’énergie sans contact (WPT pour Wireless Power Transfer) trouve des applications dans de nombreux domaines, allant de l’électronique mobile (recharge de smartphones, ordinateurs portables, tablettes, GPS…), au secteur des transports (voitures, bus, tramways, etc.), en passant par les implants actifs en médecine (stimulateurs cardiaques, défibrillateurs, prothèses auditives, pompes à insuline, valves cérébrales…). Dans ce type d’applications, l’énergie électrique transmise va servir à charger une batterie. Le WPT trouve également des applications dans les systèmes de chauffage :
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chauffage par induction électromagnétique de métaux et de matériaux semi-conducteurs dans les domaines de la métallurgie et de la mécanique (four de fusion à creuset, chauffage avant formage, traitement thermique superficiel), de la chimie (fusion directe des verres et d’oxydes, etc.), ainsi que dans les applications grand public (plaques chauffantes de cuisine) ;
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chauffage par rayonnement micro-onde (four à micro-ondes) ;
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chauffage par rayonnement infrarouge dans l’habitat (radiateurs, panneaux infrarouges).
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
Electronique de puissance couplage magnétique convertisseur à résonance transfert d'énergie sans contact
KEYWORDS
power electronics | magnetic coupling | resonant converter | contactless power transfer
DOI (Digital Object Identifier)
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5. Conclusion
Cet article reprend les grands principes du transfert d’énergie à distance qui vise à alimenter un récepteur électrique sans contact galvanique pour des raisons de sécurité mais aussi une meilleure souplesse d’emploi. Après un tour d’horizon des techniques envisageables, l’étude se concentre plus particulièrement sur le couplage par induction électromagnétique adapté au transfert sur de faibles distances. La modélisation électromagnétique de tels coupleurs à « grand entrefer » montre qu’il est rapidement nécessaire de recourir à la résonance pour limiter les effets néfastes d’un mauvais couplage. Plusieurs structures de compensation sont proposées dont la résonance « série-série » adaptée aux systèmes faiblement couplés.
Sur la base d’un exemple d’application relatif à la charge sans contact d’un véhicule électrique, cette étude propose une méthode de pré-dimensionnement du coupleur qui, moyennant des simulations simples par éléments finis en magnétostatique, permet d’aboutir aux dimensions requises des bobinages. Il n’en demeure pas moins que des simulations plus complètes seront nécessaires pour évaluer les pertes totales, dont les pertes par proximité qui en représentent une partie importante. Un second point d’achoppement de la structure de conversion est lié aux condensateurs de compensation dont les contraintes sont inversement proportionnelles au coefficient de couplage.
Cette étude et les résultats expérimentaux associés montrent la faisabilité d’un tel système de charge sans contact ; des simulations plus fines seront indispensables pour l’analyse thermique mais également pour quantifier le rayonnement électromagnétique et les pertes susceptibles d’apparaître dans l’environnement proche (châssis du véhicule dans l’exemple choisi). Par ailleurs, la commande et la transmission d’ordre sans fil devront être étudiées pour compléter cette analyse.
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - COSTA (F.) - Transmission d’énergie à distance, - Journées Electrotechniques du Club EEA, Cachan, mars 2002.
-
(2) - BANERJI (A.), DATTA (T.), BANDYOPADHYAY (G.), BISWAS (S.K.), BANERJI (A.), BANERJI (A.) - Wireless Transfer of Power : Status and Challenges, - International Conference on Intelligent Control Power and Instrumentation (ICICPI) (2016).
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(3) - DEMARET (Ph.) et al - Le chauffage par induction électromagnétique, - Champs électromagnétiques, INRS, ED 4211 (2012).
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(4) - KURS (A.), KARALIS (A.), MOFFATT (R.), JOANNOPOULOS (J.D.), FISHER (P.), SOLJACIC (M.) - Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, - science, 317(5834), 83-86 (2007).
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(5) - MUR-MIRANDA (J.O.), FANTI (G.), FENG (Y.), OMANAKUTTAN (K.), ONGIE (R.), SETJOADI (A.), SHARPE (S.) - Wireless power transfer using weakly coupled magnetostatic resonators, - Proc. IEEE Energy Convers. Congr. Expo., pp. 4179-4186 (2010).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
PSIM : logiciel de simulation de type « circuit ». http://powersimtech.com/products/psim/
FLUX : logiciel de simulation par éléments finis, Altair Engineering, Meylan, France. https://altairhyperworks.com/product/flux
GOT-IT : logiciel d’optimisation de dispositifs et systèmes en génie électrique. Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), France. https://g2elab.grenoble-inp.fr/
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SGE : Symposium de Génie Électrique. Manifestation bisannuelle et francophone http://www.sge-conf.fr
HAUT DE PAGE
Norme NF EN 55011 (Mai 2010), Appareils industriels, scientifiques et médicaux – Caractéristiques des perturbations radioélectriques – Limites et méthodes de mesure.
Norme SAE J 2954 (Mai 2016), Wireless Power Transfer for Light-Duty Plug-In / Electric Vehicles and Alignment Methodology.
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