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 :
-
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) ;
-
chauffage par rayonnement micro-onde (four à micro-ondes) ;
-
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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Modèles électromagnétiques simplifiés et compensation
En anglais
1. Contexte
1.1 Techniques de transmission d’énergie à distance
Les techniques de transfert d’énergie à distance peuvent être classées en différentes catégories, selon la distance à laquelle on se place de la source, relativement à la longueur d’onde λ. On distingue d’une part les techniques dites de champ proche et d’autre part celles dites de champ lointain. Lorsque les distances à parcourir sont faibles devant λ, le transfert d’énergie se déroule dans des conditions de champ proche. À l’inverse, lorsque les distances à parcourir sont très grandes devant λ, le transfert d’énergie a lieu dans des conditions de champ éloigné. Il existe également une zone intermédiaire, appelée zone de transition, dans laquelle le champ électromagnétique (EM) présente à la fois des caractéristiques de champ proche et de champ lointain.
On distingue trois techniques de transfert d’énergie sans contact, au sein desquels il peut exister une ou plusieurs technologies :
-
la transmission d’énergie par champ magnétique ou couplage inductif ;
-
la transmission d’énergie par champ électrique ou couplage capacitif ;
-
la transmission d’énergie par ondes électromagnétiques.
Les techniques de transfert d’énergie par couplage magnétique ou capacitif sont des techniques en champ proche, tandis que celles par propagation d’ondes électromagnétiques relève essentiellement de la zone de champ lointain. Les techniques en champ proche permettent de réaliser des transferts d’énergie avec des rendements élevés, mais uniquement sur de faibles distances (jusqu’à plusieurs centimètres). Au-delà, le rendement décroît de manière exponentielle avec la distance. Les fréquences mises en jeu varient généralement de plusieurs dizaines de kilohertz à quelques mégahertz, suivant la technologie considérée. De leur côté, les techniques en champ éloigné permettent de réaliser des transferts d’énergie sur des distances aussi bien courtes que longues, allant de quelques millimètres à plusieurs kilomètres. La divergence naturelle de l’onde électromagnétique au cours de sa propagation affecte cependant l’efficacité de la transmission sur les longues distances. Il est néanmoins possible de limiter cette divergence en utilisant des ondes courtes...
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Contexte
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).
-
(3) - DEMARET (Ph.) et al - Le chauffage par induction électromagnétique, - Champs électromagnétiques, INRS, ED 4211 (2012).
-
(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).
-
(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/
HAUT DE PAGE
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.
Directive...
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