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Article

1 - CONTEXTE

2 - MODÈLES ÉLECTROMAGNÉTIQUES SIMPLIFIÉS ET COMPENSATION

3 - MÉTHODOLOGIE DE PRÉ-DIMENSIONNEMENT

4 - ÉTUDE DU CONVERTISSEUR ET MISE EN ŒUVRE

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D3237 v1

Étude du convertisseur et mise en œuvre
Transfert d’énergie sans contact par induction en moyenne puissance

Auteur(s) : Jean-Paul FERRIEUX, Gérard MEUNIER, Benoît SARRAZIN, Alexis DERBEY

Date de publication : 10 mai 2018

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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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ABSTRACT

Contactless Induction Energy Transfer Systems for Medium Power Applications

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)

  • Jean-Paul FERRIEUX : Professeur des Universités - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France

  • Gérard MEUNIER : Directeur de Recherche - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France

  • Benoît SARRAZIN : Ingénieur de Recherche - Laboratoire de Génie Électrique de Grenoble (G2Elab), Grenoble INP - Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France

  • 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).

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KEYWORDS

power electronics   |   magnetic coupling   |   resonant converter   |   contactless power transfer

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d3237


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4. Étude du convertisseur et mise en œuvre

4.1 Support de l’étude

Nous analyserons dans cette partie le convertisseur associé à son coupleur pour une application de recharge accélérée à 20 kW utile (réseau 22 kVA, cf. § 1.3). À la lumière des résultats précédents, nous retiendrons le convertisseur à compensation série-série, qui pourrait être alimenté par le réseau triphasé redressé, et débitant directement sur la batterie. Le schéma de puissance de la partie DC-DC est représenté sur la figure 22 et l’étude s’attachera d’une part au dimensionnement des composants de puissance (semi-conducteurs et condensateurs) et d’autre part à la commande.

La mise en équations débutée au paragraphe 2.3.1 à l’aide de l’approximation du 1er harmonique sera reprise pour ce dimensionnement. Un exemple de forme d’ondes, montré figure 23, justifie cette approximation. Sont représentés, pour une puissance de 20 kW, la tension issue de l’onduleur v e pour une tension d’entrée continue de 400 V, le courant résonnant primaire i1 quasi sinusoïdal (63 Aeff) et la tension de sortie (V ch = 554 V DC).

Deux moyens de commande sont possibles pour ce convertisseur :

  • la fréquence F = 1/T qui sera proche de la résonance ;

  • le rapport cyclique symétrique α tel qu’il est défini à la figure 23.

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4.2 Étude du convertisseur

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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).

  • ...

1 Outils logiciels

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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2 Événements

SGE : Symposium de Génie Électrique. Manifestation bisannuelle et francophone http://www.sge-conf.fr

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3 Normes et standards

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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