Brevet FR2990575A1 — publié le 20131115

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un système de transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire à l'aide d'un émetteur. L'invention se rapporte également à un émetteur pour une transmission d'énergie électrique sans liaison filaire comprenant un circuit résonant composé d'une bobine d'émission fournissant un champ électromagnétique alternatif et une commande pour fournir un courant électrique oscillant à la bobine d'émission. L'invention se rapporte de manière générale à la trans- mission d'énergie électrique par une liaison non filaire entre un émetteur et un récepteur pour alimenter ce dernier en énergie électrique. Etat de la technique Pour recharger par exemple la batterie d'un petit appareil électrique sans utiliser pour cela une interface filaire avec le chargeur, il est connu de coupler le chargeur comme émetteur et le petit appareil électrique comme récepteur par un couplage inductif de façon à transmettre l'énergie électrique par une liaison électromagnétique. L'émetteur comporte pour cela une bobine d'émission générant un champ électro- magnétique alternatif et le récepteur comporte une bobine de réception pour convertir le champ électromagnétique alternatif en courant électrique. Les émetteurs usuels utilisés pour la transmission d'énergie électrique ne savent pas si un récepteur se trouve ou non dans la zone d'influence électromagnétique. L'émetteur génère le champ alternatif indépendamment de cela, ce qui se traduit par une consommation inutile d'énergie électrique. De plus, en l'absence ou en présence d'un récepteur, un objet électro-conducteur susceptible d'être aimanté peut se trouver dans la zone d'influence de l'émetteur et cet objet peut être chauffé par le champ alternatif et cela peut mettre en danger la sé- curité de fonctionnement. Des propositions ont été faites pour détecter le récepteur par l'émetteur en échangeant des informations mais cette solution nécessite une mise en oeuvre de moyens importants. Le document US 4 942 352 décrit un système de transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire. Ce système comporte un interrupteur magnétique dont les états sont signalés à l'émetteur en cas de présence du récepteur. Ainsi, l'émetteur ne génère le champ électromagnétique alternatif qu'en présence du récepteur. Le document US 5 536 979 décrit un chargeur pour de petits appareils électriques dont la bobine d'émission est couplée magnétiquement à la bobine de réception de l'appareil miniature à l'aide d'un induit. Une partie de l'induit reste dans l'appareil miniature de sorte qu'il est enlevé du chargeur avec l'appareil miniature. En l'enlevant, on réduit le champ magnétique généré par le chargeur lorsque l'appareil miniature ne se trouve plus dans la zone d'influence électromagnétique de la bobine d'émission. But de l'invention La présente invention a pour but de développer un émet- teur et un système de transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire permettant de réduire simplement le champ électromagnétique alternatif généré par l'émetteur en l'absence de récepteur dans la zone d'influence électromagnétique de l'émetteur. L'invention a également pour but de développer un pro- cédé de commande d'un émetteur pour la transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire. Exposé et avantages de l'invention A cet effet, l'invention a pour objet un émetteur du type défini ci-dessus caractérisé par une installation de commande com- mandant l'amplitude du courant oscillant en fonction de la variation de l'inductance de la bobine d'émission. L'inductance de la bobine d'émission ou la variation de son inductance se détermine simplement et d'une manière très fiable par des moyens de technique de circuit simple. Il n'est pas nécessaire de réaliser un système actif pour échanger des informations entre l'émetteur et le récepteur. Cela permet d'alimenter par exemple un récepteur à l'aide de l'émetteur dans le cas d'une batterie qui serait déchargée à point tel qu'une communication ne serait plus possible avec l'émetteur. Pour une certaine inductance ou une certaine variation d'inductance, on peut conclure à la présence d'un récepteur dans la zone d'influence de la bobine d'émission de sorte qu'en l'absence de récepteur, on pourra réduire la puissance électrique transformée en champ électromagnétique alternatif dans la bobine d'émission. De façon avantageuse, l'émetteur est combiné à un récepteur du commerce pour la transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire sans nécessiter de modification du récepteur. Il n'est pas non plus nécessaire de prévoir un élément mécanique pour détecter la présence du récepteur ni des dispositifs pour échanger des informa- tions entre l'émetteur et le récepteur. La consommation d'énergie de l'émetteur en l'absence d'un récepteur sera réduite de même que le risque de chauffer un objet susceptible d'être aimanté ou un objet électro-conducteur et qui se trouverait dans la zone d'influence électroma- gnétique de la bobine d'émission en présence ou en absence du récepteur. De plus, la détection est fiable et protégée contre les perturbations vis-à-vis des ondes électromagnétiques incidentes provenant d'autres sources. De façon préférentielle, le circuit résonant comporte en outre une capacité de résonance et l'installation de commande comporte une installation pour court-circuiter et diminuer l'amplitude du courant oscillant. Un tel circuit permet de réduire à un niveau pratiquement nul l'amplitude du courant oscillant passant dans la bobine d'émission. Ainsi, en l'absence de réception, l'émetteur passe en mode d'économie d'énergie et il pourra sortir facilement de nouveau de ce mode par l'ouverture de l'installation de court-circuit pour revenir en mode de fonctionnement normal. Selon un développement particulièrement préférentiel, l'installation de commande court-circuite la capacité de résonance si l'inductivité déterminée ou si la variation déterminée indique qu'il n'y a pas de récepteur dans la zone d'influence électromagnétique de la bobine d'émission pour une transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire. Selon un développement, l'installation de commande dé- tecte une variation de l'inductance de la bobine d'émission à partir d'une variation de la fréquence du courant oscillant. Cela permet de déterminer la fréquence et de la comparer à un seuil prédéfini. Selon un autre développement, l'installation de com- mande détecte la variation de l'inductance de la bobine d'émission en se fondant sur une variation de l'amortissement de la bobine d'émission. L'amortissement peut se déterminer à l'aide de paramètres électriques et de comparer la valeur ainsi obtenue à un seuil. Selon un autre développement, on peut également déterminer d'autres paramètres électriques de la bobine d'émission et les comparer séparément ou après combinaison à un seuil et déterminer comment commander l'amplitude du courant oscillant. De manière préférentielle, on choisit une distinction binaire de sorte que le courant oscillant dans l'installation de commande sera soit illimité soit limité à un minimum. Selon un autre développement, l'émetteur comporte une installation de coupure électrique du circuit résonant par rapport à un circuit externe pendant que le condensateur de résonance est court-circuité. Ainsi, le circuit résonant sera sollicité moins fortement du point électrique pendant la durée du court-circuit si bien que sa capacité d'osciller n'est pas affectée ou encore qu'un courant oscillant réduit continue de passer dans la bobine d'émission même en l'absence de ré- cepteur. L'installation de coupure peut comporter un interrupteur commandé qui est actionné de préférence en commun avec l'installation de court-circuit décrite ci-dessus. En variante, l'installation de coupure comporte une diode qui, lorsqu'elle est passante, relie le circuit externe au circuit résonant et qui se bloque si la tension du circuit externe est suffisamment en dessous de la tension du circuit résonant. Cela permet de réaliser une installation de coupure simple et qui est activée d'elle-même. Un système selon l'invention de transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire comprenant l'émetteur décrit ci-dessus ainsi qu'un récepteur pour convertir le champ électromagnétique alternatif en énergie électrique permet la transmission de l'énergie électrique de l'émetteur vers le récepteur lorsque ce dernier se trouve dans la zone d'influence électromagnétique de l'émetteur. L'invention a également pour objet un procédé de commande d'un émetteur pour la transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire comprenant les étapes suivantes consistant à détecter une variation de l'inductance d'une bobine d'émission d'un circuit réso- nant de l'émetteur, et commander l'amplitude du courant oscillant tra- versant la bobine d'émission en fonction de la variation. Le procédé est facile à implémenter en utilisant les composants usuels dans le domaine électrotechnique. Selon une variante du procédé, l'installation de commande est implémentée, notam- ment par une commande par microprocesseur programmable. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'un émetteur de transmission sans fil d'énergie représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est un schéma d'un système de transmission d'énergie sans liaison par fil, la figure 2 est un schéma de l'émetteur de la figure 1 dans le cas d'un condensateur de résonance court-circuité, la figure 3 montre l'ordinogramme d'un procédé de commande de l'émetteur des figures 1 et 2. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention La figure 1 montre un système 100 de transmission d'énergie sans liaison filaire. Le système 100 comporte un émetteur 105 et un récepteur 110 couplés de manière inductive. L'émetteur 105 com- porte un circuit résonant 115 formé par une bobine d'émission 120 et une commande 125. La commande 125 du mode de réalisation représenté à titre d'exemple comporte deux interrupteurs commandés 135, 140 constitués par exemple par des transistors auxquels sont associées par paire deux diodes 145, 150. Chaque interrupteur 135, 140 est mon- té en parallèle sur une diode 145, 150. La commande 125 comporte également un circuit de commande 155 pour fermer alternativement les interrupteurs 135 et 140. De façon préférentielle, le circuit résonant 115 comporte également un condensateur de résonance 160. Une installation de commande 165 commande le courant dans la bobine d'émission 120. Dans l'exemple de réalisation préférentiel représenté, l'installation de commande 165 est reliée à un interrupteur commandé 170 branché en parallèle sur le condensateur de résonance 160. Le circuit résonant 115 est alimenté par la tension appli- quée en option au condensateur de circuit intermédiaire 175. Un inter- rupteur 180 ou en variante une diode 185 relie le condensateur de circuit intermédiaire 175 ou le circuit résonant 115 à un circuit externe non représenté ou assure la coupure par rapport à celui-ci. L'interrupteur 180 est de préférence ouvert lorsque l'interrupteur 170 est fermé. Les interrupteurs 170, 180 peuvent être réalisés par exemple par des transistors. Le récepteur 110 comporte une bobine de réception 190 et un utilisateur 195 qui, dans la représentation de la figure 1, comporte, à titre d'exemple, un accumulateur rechargeable et un régulateur de charge. Le récepteur 110 peut être par exemple un appareil élec- trique miniature dont l'accumulateur se recharge par une liaison sans fil avec l'émetteur 105 en ce que la bobine de réception 190 est mise dans la zone d'influence électromagnétique de la bobine d'émission 120 de l'émetteur 105. L'émetteur 105 fait de préférence partie d'un réseau relié à un réseau d'alimentation en énergie électrique. Le circuit résonant 115 oscille à une fréquence propre définie principalement par l'inductance de la bobine d'émission 120 et la capacité du condensateur de résonance 160. Pour exciter l'oscillation, le circuit de commande 155 ferme alternativement l'un des interrupteurs 135 et 140. Le circuit de commande 155 pourra pour cela détecter la tension de la bobine d'émission 120 et la comparer à un ou deux seuils. La fermeture alternée des interrupteurs 135 et 140 assure l'alimentation en énergie électrique du circuit résonant 115 par l'énergie électrique du condensateur de circuit intermédiaire 175. Le circuit ré- sonant 115 génère un courant oscillant de forme voisine d'une forme sinusoïdale passant par la bobine d'émission 120 qui, elle, génère un champ électromagnétique alternatif dans son environnement proche. Cet environnement proche est appelé zone d'influence électromagnétique. Lorsque la bobine de réception 190 du récepteur 110 se trouve dans la zone d'influence électromagnétique de la bobine d'émission 120, un courant oscillant est induit dans la bobine de réception 190. Ce courant est reçu par l'utilisateur 195. L'énergie nécessaire pour fournir ce courant est prélevée dans le champ électromagnétique alternatif de la bobine d'émission 120. L'inductance de la bobine d'émission 120 varie en fonc- tion de la distance entre la bobine de réception 190 et la bobine d'émission 120, c'est-à-dire en fonction de la présence de la bobine de réception 190 dans la zone d'influence électromagnétique. Lorsque l'inductance varie, la fréquence de résonance du circuit résonant 115 varie également. Lors de la variation de la fréquence de résonance ou de la fréquence de la tension appliquée au condensateur de résonance 110, l'installation de commande 165 réduit le courant dans la bobine d'émission 120 lorsque la bobine de réception 190 ne se trouve plus dans la zone d'influence électromagnétique de la bobine d'émission 120. Pour cela, le circuit de commande ferme l'interrupteur 170 pour court-circuiter le condensateur de résonance 160. Cela a pour effet que la fréquence de résonance du circuit résonant 115 se décale d'une valeur importante et aussi que la tension appliquée à la bobine d'émission 120 n'atteint plus le ou les seuils fixés par le circuit de commande 155 de sorte que les interrupteurs 135 et 140 restent ouverts en permanence. La figure 2 montre le schéma électrique de l'émetteur 105 de la figure 1 lorsque le récepteur 110 est en dehors de la zone d'influence de la bobine d'émission 120 et que le condensateur de réso- nance 160 est court-circuité par l'interrupteur 170. Dans ce cas, l'interrupteur 180 est ouvert ou la diode 185 est bloquée si bien que les deux éléments et les composants reliés à ceux-ci n'apparaissent plus dans le schéma équivalent. La tension continue sur le condensateur de circuit inter- médiaire 175 est modélisée par une source de tension 205. Les deux interrupteurs 135 et 140 et le circuit de commande 155 qui commande ces deux interrupteurs ne se retrouve pas dans le circuit équivalent. Seules subsistent les diodes 145 et 150 qui ont des capacités parasites 210, 215. Le condensateur de circuit intermédiaire 160, l'interrupteur 170 qui le court-circuite et l'installation de commande 165 sont supprimés. La bobine d'émission 120 a une capacité parasite 220. L'inductance de la bobine d'émission 120 reste influençable par la distance entre la bobine de réception 190 et la bobine d'émission 120 ; dans le cas représenté, on suppose que la distance est trop grande pour avoir un effet significatif sur l'inductance de la bobine d'émission. Le circuit équivalent représenté à la figure 2 correspond à une partie caractéristique de circuit de commutation. Le circuit résonant 115 qui subsiste a tendance à osciller du fait des capacités para- sites 210, 215, 220. L'oscillation qui en résulte a toutefois une fréquence de résonance très supérieure à celle donnée par la capacité du condensateur de résonance 160 de la figure 1 du fait des capacités efficaces 210-220 qui sont très faibles ; l'oscillation résultante a également une amplitude considérablement plus faible que la précédente. L'oscillation de fréquence plus élevée du circuit résonant 115 avec une excitation réduite fait d'une part diminuer l'amplitude du courant dans la bobine d'émission 120 et d'autre part le circuit oscillant 115 continue d'osciller de sorte que les caractéristiques électriques du circuit résonant 115, notamment la fréquence de résonance ou l'amortissement au niveau de la bobine d'émission 120 peuvent servir à déterminer l'inductance de la bobine 120. Si l'inductance de la bobine d'émission 120 change par l'approche de la bobine de réception 190 du récepteur 110, l'interrupteur 170 de la figure 1 pourra être ouvert pour faire fonctionner de nouveau l'émetteur 105 en mode de fonctionnement normal avec un condensateur de résonance 160, activé. La figure 3 montre un ordinogramme d'un procédé 300 de commande de l'émetteur 105 des figures 1 et 2. Le procédé 300 commence par l'étape 305 ou l'étape 310. Dans l'étape 305, on détermine la variation de la fréquence du circuit résonant 115 de l'émetteur 105 ; dans l'étape 310, on détecte la variation de l'amortissement de la bobine d'émission 120. Les deux étapes ont pour objectif de déterminer une variation de l'inductance de la bobine d'émission 120. Selon des variantes de réalisation, on peut également déterminer l'inductance de la bobine d'émission 120 en se fondant sur un autre paramètre élec- trique. Dans l'étape 315 suivante, on vérifie si la variation se situe d'un côté du seuil prédéfini. Suivant une variante de réalisation, dans l'étape 305 ou 310, on peut également déterminer de manière absolue le paramètre qui correspond à l'inductance de la bobine d'émission 120; dans l'étape 315, on compare la valeur déterminée à un seuil prédéfini. En fonction du résultat de la comparaison, le procédé 300 se poursuit par l'étape 320 dans laquelle le condensateur de résonance 160 est court-circuité par l'interrupteur 170 ou en option, on ouvre l'interrupteur 180 ou encore par l'étape 325 dans laquelle le con- densateur de résonance 160 est libéré par l'interrupteur 170 et en option, on ferme l'interrupteur 180. Ensuite, le procédé 300 revient au début et un nouveau parcours peut se faire en commençant par l'étape 305 ou l'étape 310.15 NOMENCLATURE 100 Système de transmission d'énergie électrique sans liaison filaire 105 Emetteur 110 Récepteur 115 Circuit résonant 120 Bobine d'émission 125 Commande 135 Interrupteur 140 Interrupteur 145 Diode 150 Diode 155 Circuit de commande 160 Condensateur de résonance 165 Installation de commande 170 Interrupteur commandé 175 Condensateur de circuit intermédiaire 180 Interrupteur 185 Diode 190 Bobine de réception 195 Utilisateur 300 Ordinogramme du procédé de commande d'un émetteur 305-325 Etapes du procédé 30025 REVENDICATIONS1°) Emetteur (105) pour une transmission d'énergie électrique sans liaison filaire comprenant : un circuit résonant (115) composé d'une bobine d'émission (120) fournissant un champ électromagnétique alternatif et une com- mande (125) pour fournir un courant électrique oscillant à la bobine d'émission (120), émetteur caractérisé par une installation de commande (165) commandant l'amplitude du courant oscillant en fonction de la variation de l'inductance de la bobine d'émission (120). 2°) Emetteur (105) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit résonant (115) comporte en outre une capacité de résonance (160) et l'installation de commande (165) comporte une installation (170) pour court-circuiter la capacité de résonance (160) et diminuer l'amplitude du courant oscillant. 3°) Emetteur (105) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'installation de commande (165) court-circuite la capacité de résonance (160) si la variation de l'inductance indique qu'il n'y a pas de récepteur (110) dans la zone d'influence de la bobine d'émission (120) pour une transmission d'énergie électrique sans liaison filaire. 4°) Emetteur (105) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'installation de commande (165) détermine une variation de l'inductance de la bobine d'émission (120) en fonction de la variation de la fréquence du courant oscillant. 5°) Emetteur (105) selon la revendication 1, caractérisé en ce quel'installation de commande (165) détermine une variation de l'inductance de la bobine d'émission (120) en fonction d'une variation de l'amortissement de la bobine d'émission (120). 6°) Emetteur (105) selon la revendication 1 comprenant en outre une installation de coupure (180, 185) pour couper la liaison électrique entre le circuit oscillant (115) et un circuit externe pendant que le condensateur de résonance est court-circuité. 7°) Emetteur (105) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'installation de coupure comporte un interrupteur commandé (180). 8°) Emetteur (105) selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'installation de coupure comporte une diode (185) qui relie dans le sens passant le circuit externe au circuit résonant (115). 9°) Système (100) de transmission d'énergie sans liaison par fil compre- nant un émetteur (105) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et un récepteur (110) pour convertir un champ électromagnétique alternatif en énergie électrique pour transmettre de l'énergie de l'émetteur (105) au récepteur (110) si le récepteur (110) se trouve dans la zone d'influence électromagnétique de l'émetteur (105). 10°) Procédé (300) de commande d'un émetteur (105) pour la transmission d'énergie électrique par une liaison non filaire comprenant les étapes suivantes consistant à: détecter (305, 310) une variation de l'inductance d'une bobine d'émission (120) d'un circuit résonant (115) de l'émetteur (105), et commander (320, 325) l'amplitude du courant oscillant traversant la bobine d'émission (120) en fonction de la variation.35