Brevet FR2997806A1 — publié le 20140509

SYSTEME ET PROCEDE DE CHARGE PAR INDUCTION D'UNE BATTERIE L'invention concerne un système de charge par induction d'une batterie. Un système à charge inductive est un système dans lequel le transfert d'énergie du secteur vers une batterie par exemple d'un véhicule se fait de façon électromagnétique, en utilisant un transformateur comportant une bobine primaire et une bobine secondaire installées respectivement sur un point de charge et sur le véhicule, sans contact. Un tel système permet d'améliorer l'ergonomie de charge. Un tel système comprend généralement un équipement de charge comportant un générateur électrique en relation avec le réseau électrique, qui sous une certaine tension génère un courant alternatif à haute fréquence. Le système comporte en outre un circuit primaire intégré à l'équipement de charge et composé d'un convertisseur AC/AC et d'une bobine primaire. Par ailleurs, un circuit secondaire est installé sur le véhicule. Ce circuit est composé d'un convertisseur AC/DC et d'une bobine secondaire. Le transfert d'énergie par induction électromagnétique est réalisé entre la bobine primaire et la bobine secondaire. Le générateur du système de charge produit un courant alternatif au circuit primaire. Il est ainsi généré un champ magnétique qui, détecté par le circuit secondaire, fera naître un courant alternatif converti en un courant continu permettant de recharger la batterie. Dans les systèmes à charge inductive, l'efficacité du transfert d'énergie dépend de la fréquence de résonnance du circuit primaire et du circuit secondaire. Il est préférable que les deux circuits aient la même fréquence de résonnance. Il est connu par le document US2004130915 de prévoir des moyens de configuration du circuit primaire d'un équipement de charge de façon à modifier sa fréquence de résonnance. Cette solution ne donne pas entière satisfaction car elle ne tient pas compte d'un autre paramètre important pour améliorer l'efficacité du transfert d'énergie : le couplage électromagnétique. L'invention a donc pour but d'améliorer l'efficacité du transfert d'énergie entre un équipement de recharge et une batterie appartenant par exemple à un véhicule. Elle propose plus précisément à cet effet un système de charge par induction d'une batterie comportant : - un circuit primaire installé sur un équipement primaire comportant une bobine primaire associée à un générateur, l'équipement primaire comportant en outre des moyens d'adaptation de la fréquence de résonnance du circuit primaire, - un circuit secondaire installé sur un équipement secondaire comportant une bobine secondaire associée à la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre : - une unité de calcul apte à déterminer une fréquence de résonnance commune au circuit primaire et au circuit secondaire à partir de caractéristiques de la bobine primaire et de la bobine secondaire, - des moyens d'adaptation de la fréquence de résonnance du circuit secondaire. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens d'adaptation de la fréquence de résonnance du circuit secondaire comprennent un jeu de condensateurs comportant des condensateurs et des relais, et un circuit de commande des relais du jeu de condensateurs. Avantageusement, le jeu de condensateurs comporte un bloc de condensateur parallèle. Avantageusement, le jeu de condensateurs comporte un bloc de condensateur série. Selon un mode de réalisation de l'invention, les caractéristiques de la bobine primaire comportent l'inductance, la résistance et les caractéristiques de la bobine secondaire comportent l'inductance, la résistance. Avantageusement, l'équipement primaire et l'équipement secondaire 30 comportent chacun un moyen de communication et de pilotage apte à échanger des données et à délivrer aux moyens d'adaptation une consigne indiquant une fréquence de résonnance. Avantageusement, dans lequel l'unité de calcul est installée dans l'équipement primaire. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'équipement secondaire est un véhicule et l'équipement primaire est une borne de recharge. L'invention concerne aussi un procédé de recharge par induction d'une batterie par un système de recharge comprenant : - un circuit primaire installé sur un équipement primaire comportant une bobine primaire associée à un générateur, et - un circuit secondaire installé sur un équipement secondaire comportant une bobine secondaire associée à la batterie, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de : - détermination, par une unité de calcul, d'un couplage à partir de caractéristiques de la première bobine et de la deuxième bobine, et d'une fréquence de résonnance correspondant au couplage déterminé, - configuration du deuxième jeu de condensateurs en fonction de la fréquence de résonnance déterminée de sorte que la fréquence de résonnance du circuit secondaire soit la fréquence de résonnance déterminée, - configuration du premier jeu de condensateurs en fonction de la fréquence de résonnance déterminée de sorte que la fréquence de résonnance du circuit primaire soit la fréquence de résonnance déterminée. Avantageusement, le procédé comporte en outre des étapes de : - transmission depuis les moyens de communications vers les moyens de communications de caractéristiques de la bobine secondaire, - transmission depuis les moyens de communications vers les moyens de communications de la fréquence de résonnance déterminée. L'invention permet de déterminer un couplage électromagnétique prenant en compte les dimensions des bobines des deux équipements. L'invention permet ensuite de régler le système pour que la fréquence de résonance coïncide avec le couplage électromagnétique déterminé. Autrement dit, avec l'invention on détermine un couplage électromagnétique correct à partir des dimensions du système (les 2 9 9 7806 4 caractéristiques des deux bobines). Ensuite, il est possible de déterminer la fréquence qui permettra d'atteindre ce couplage électromagnétique correct. Alors les deux circuits (primaire et secondaire) peuvent se régler pour se mettre à la résonance à la fréquence calculée. De la sorte, on optimise à la fois 5 le couplage électromagnétique et la fréquence de résonnance. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 illustre un exemple de réalisation d'un système de recharge selon 1 o l'invention ; - les figures 2a et 2b illustrent respectivement un bloc de condensateurs parallèle et un bloc de condensateurs série. Les dessins annexés pourront non seulement servir à compléter l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. 15 Comme montré sur la figure 1, le système selon l'invention comporte un équipement primaire 10, transmettant de l'énergie, par exemple une borne de recharge et un équipement secondaire 20, recevant de l'énergie par exemple un véhicule. Le système peut être appliqué à n'importe quel autre équipement 20 électrique nécessitant une recharge, par exemple un téléphone portable, ou un ordinateur portable. L'équipement primaire 10 comporte un générateur électrique (AC) en relation avec le réseau électrique qui, sous une certaine tension, génère un courant alternatif à haute fréquence. L'équipement primaire 10 comporte en 25 outre un circuit primaire composé d'un convertisseur AC/AC et d'une bobine primaire 11. Le convertisseur AC/AC est relié, d'une part, au générateur AC et, d'autre part, à la bobine primaire 11. L'équipement primaire 10 comporte en outre des moyens d'adaptation 12 de la fréquence de résonnance du circuit primaire. 30 Les moyens d'adaptation 12 de la fréquence de résonnance du circuit primaire comportent un premier jeu de condensateurs 12.1 comportant des condensateurs et des relais et un premier circuit de commande 12.2 des relais du premier jeu de condensateurs 12.1. Le premier circuit de commande 12.2 permet, à partir d'une consigne indiquant une fréquence de résonnance, de configurer les relais du premier circuit de commande 12.2, de sorte que le circuit primaire fonctionne selon la fréquence de résonnance correspondant à la consigne. L'équipement primaire 10 comprend en outre des moyens de communication et de pilotage 14 permettant d'échanger des informations avec des moyens de communication d'un équipement secondaire 20. Les moyens de communication et de pilotage 14 permettent aussi d'adresser une consigne de fréquence de résonnance au premier circuit de commande 12.2. L'équipement secondaire 20 comprend un convertisseur AC/DC et une bobine secondaire 21. Le convertisseur AC/DC est relié, d'une part, à la bobine secondaire 21 et d'autre part à une batterie 23. Le transfert d'énergie par induction électromagnétique est réalisé entre la bobine primaire 11 et la bobine secondaire 21. Le générateur AC de l'équipement primaire 10 produit un courant alternatif au circuit primaire. Il est ainsi généré un champ magnétique qui, détecté par le circuit secondaire fera naître un courant alternatif converti en un courant continu permettant de recharger la batterie. L'équipement secondaire 20 comporte en outre des moyens d'adaptation 22 de la fréquence de résonnance du circuit secondaire. Ces moyens fonctionnent de façon similaire aux moyens d'adaptation de la fréquence de résonnance du circuit primaire. Les moyens d'adaptation 22 de la fréquence de résonnance du circuit secondaire comportent un deuxième jeu de condensateurs 22.1 comportant des condensateurs et des relais et un deuxième circuit de commande 22.2 des relais du deuxième jeu de condensateurs. Le circuit de commande 22.2 permet, à partir d'une consigne indiquant une fréquence de résonnance, de configurer les relais de sorte que le circuit secondaire fonctionne selon la fréquence de résonnance correspondant à la consigne. L'équipement secondaire 20 comprend en outre des moyens de communication et de pilotage 24 permettant d'échanger des informations avec les moyens de communication 14 de l'équipement primaire 10. Les moyens de communication et de pilotage 24 permettent aussi d'adresser une consigne de fréquence de résonnance au deuxième circuit de commande 22.2. Les échanges d'informations entre les moyens de communication de l'équipement primaire 10 et les moyens de communication de l'équipement secondaire 20 peuvent se faire avec n'importe quel moyen de transmission d'informations sans fil connu par exemple le Bluetooth ou le Wi-Fi. Les circuits primaire et secondaire fonctionnent comme des circuits RLC. La fréquence de résonnance w d'un circuit suit la relation suivante : 1 o Avec L l'inductance de la bobine et C la capacité du condensateur. Comme l'inductance de la bobine n'est pas modifiable, les moyens d'adaptions de la fréquence de résonnance du circuit adaptent la capacité du circuit pour obtenir la fréquence de résonnance souhaitée. Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins l'un des jeux de 15 condensateurs 12.1, 22.1 est un bloc de condensateurs parallèles. En référence à la figure 2a, un bloc de condensateur parallèle comporte une pluralité de condensateurs C1, ..., Cn montés en parallèle, chacun des condensateurs étant associé à un relai Si, ..., Sn pouvant être ouvert ou fermé. La capacité du bloc de condensateurs varie donc en fonction de la position des 20 relais Si, ..., S. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, au moins l'un des jeux de condensateurs 12.1, 22.1 est un bloc de condensateurs série. En référence à la figure 2b, un bloc de condensateur série comporte une pluralité de condensateurs C1, ..., Cn montés en série, chacun des condensateurs étant 25 associé à un relai Si, ..., Sn, monté en parallèle et pouvant être ouvert ou fermé. La capacité du bloc de condensateurs varie donc en fonction de la position des relais Si, ..., S. Le bloc de condensateurs parallèles permet d'additionner les capacités tandis que le bloc de condensateurs séries les composent à la 30 manière de deux résistances en parallèles. La solution parallèle peut donc permettre d'avoir des valeurs de capacités par dizaines ou centaines et la solution série d'avoir des capacités plus affinées en obtenant les dixièmes et centièmes. En pratique chacun des jeux de condensateurs 12.1, 22.1 peuvent comporter à la fois un bloc série et un bloc parallèle. Par exemple : considérons qu'on veuille obtenir une capacité globale de 32,5 microfarads et qu'on dispose de capacités de 5 microfarads dans les blocs de condensateurs. On peut réaliser 30 microfarads avec un bloc de condensateurs parallèles en raccordant six condensateurs (fermer Spi à 5p6). Les 2,5 microfarads restants peuvent être réalisés en mettant deux condensateurs en série dans le bloc série. En mettant le bloc de condensateurs séries en parallèle avec le bloc de condensateurs parallèles de manière à faire l'addition, on réalise les 32,5 microfarads. La fréquence de résonnance est par exemple comprise entre 20kHz et 150kHz. Le système comporte en outre une unité de calcul 15 permettant de déterminer un couplage et une fréquence de résonnance optimale, déterminés de sorte à maximiser le rendement du transfert d'énergie. Le couplage optimal dépend des dimensions des composants des équipements primaires 10 et secondaire 20. Ces dimensions sont figées. Le couplage M suit la relation suivante : M = fc1 fc2 47/- r12 Avec cl et c2 sont respectivement une boucle de la bobine primaire 11 et de la bobine secondaire 21. Il est à noter qu'il n'est représenté ici qu'une spire du coté primaire et du coté secondaire ; n1 et n2 représentent respectivement les nombres de spires de la bobine primaire 11 et de la bobine secondaire 21; dli et dI2 sont respectivement des vecteurs infinitésimaux tangents à la boucle cl et à la boucle c2 ; r12 est la distance entre dli et dI2 ; po est la perméabilité du vide ; yon1n2 d/1d/2 Les intégrales cerclées indiquent que dli et dI2 parcourent respectivement pendant l'intégration les boucles cl et c2. En cherchant à calculer le couplage, on fait intervenir des calculs d'intégrales triples qui simplifiées donnent la relation ci-dessous : M = /10.e1r2 f)K(f) - E(f)1 (El) ) Avec f = rir2 (ri + r2)2 + d2 Avec po : la perméabilité du vide, d : distance entre les deux bobines, ri : le rayon moyen des spires de la première bobine, r2 : le rayon moyen des spires de la deuxième bobine, K : Intégrale elliptique complète de la première espèce, K suit la relation suivante : K(f) = L772 de f2sin20 E : Intégrale elliptique complète de la deuxième espèce. E suit la relation suivante : 77 / E(f) = f 2 1 - f2sin20d0 Il existe plusieurs méthodes connues de calcul des intégrales elliptiques complètes et utilisées dans le domaine de l'informatique. On connaît par exemple la méthode arithmético-géométrique ou les fonctions d'Euler Bêta et Gamma. Ces méthodes, connues de l'homme du métier, ne sont pas détaillées. L'unité de calcul permet aussi de déterminer la fréquence de résonnance optimale correspondant au couplage optimal M. La fréquence de résonnance optimale co suit la relation suivante : .JR .R CO = (E2) it4 Avec M le couplage optimal, Rp la valeur de la résistance primaire et Rs la valeur de la résistance secondaire. Le couplage M peut aussi être utilisé pour déterminer le coefficient de couplage k la relation suivante : k= Avec M le couplage optimal, Lp la valeur de l'inductance primaire et Ls la valeur de l'inductance secondaire. La valeur du coefficient de couplage k peut alors, de façon alternative, permettre de déterminer la fréquence de résonnance w à l'aide de la relation suivante : k= -1Qp.Qs Avec Qp = col,p/Rp = (2wfLp)IRp Qs = colis/Rs = (2(oflis)/Rs Avec Qp et Os représentant les facteurs de qualité des circuits primaire et secondaire. Selon un mode de réalisation, l'unité de calcul 15 est intégrée à l'équipement primaire 10. Généralement l'équipement secondaire 20 est mobile. Donc on peut se heurter à des restrictions de poids et de puissance de calcul à embarquer. C'est le cas d'une voiture. Toutefois de façon alternative, l'unité de calcul 15 peut être intégrée à l'équipement secondaire 20. Le fonctionnement du dispositif est expliqué ci-après dans le mode de réalisation dans lequel l'unité de calcul 15 est intégrée à l'équipement primaire 10. Le procédé de recharge par induction d'une batterie comporte les étapes suivantes : 1 2 99 7806 10 (1) La transmission depuis les moyens de communications 24 vers les moyens de communications 14 de caractéristiques de la bobine secondaire. La transmission est effectuée après l'alignement des bobines primaire 11 et secondaire 21. Les caractéristiques transmises comportent : l'inductance Ls, le 5 rayon rs de la spire périphérique (pour une inductance à spires fixes), le nombre de spires (concentriques ou de type solénoide), le rayon d'un conducteur, la résistance Rs de la bobine secondaire 21. (2) La détermination par l'unité de calcul 15 d'un couplage M à partir des caractéristiques de la première bobine 11 et de la deuxième bobine 21. Le 1 o couplage M est déterminé avec la première relation (El ). (3) La détermination par l'unité de calcul 15 de la fréquence de résonnance w correspondant au couplage M déterminé. La fréquence de résonnance w est déterminée avec la deuxième relation (E2). Selon un mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend 15 aussi la détermination par l'unité de calcul d'un coefficient de couplage (k). (4) La transmission depuis les moyens de communications 14 vers les moyens de communications 24 de la fréquence de résonnance w déterminée. (5) La configuration du deuxième jeu de condensateurs 22.2 en fonction de la fréquence de résonnance w déterminée de sorte que la 20 fréquence de résonnance du circuit secondaire soit la fréquence de résonnance w déterminée. Les moyens de communication et de pilotage 24 transmettent via un bus série, une consigne de fréquence (correspondant à la fréquence de résonnance w déterminée) au deuxième circuit de commande 22.2. Le deuxième de commande 22.2 configure les relais du deuxième jeu de 25 condensateur 22.1 de sorte que le circuit secondaire fonctionne selon la fréquence de résonnance correspondant à la consigne. (6) Préférentiellement, l'équipement secondaire 20 informe l'équipement primaire 10 après la configuration du deuxième jeu condensateur 22.2. (7) La configuration du premier jeu de condensateurs 12.2 en fonction de la fréquence de résonnance w déterminée de sorte que la fréquence de résonnance du circuit secondaire soit la fréquence de résonnance w 2 9 9 7806 11 déterminée. Les moyens de communication et de pilotage 14 transmettent via un bus série, une consigne de fréquence (correspondant à la fréquence de résonnance w déterminée) au premier circuit de commande 12.2. Le deuxième circuit de commande 12.2 configure les relais du premier jeu de 5 condensateur 12.1 de sorte que le circuit secondaire fonctionne selon la fréquence de résonnance correspondant à la consigne. Les moyens de communication et de pilotage 14 pilotent le convertisseur AC/AC pour se mettre à la fréquence w. On pilote les convertisseurs AC/AC avec des composants semi- 1 o conducteurs qui jouent le rôle d'interrupteurs. On obtient un signal à la fréquence w en pilotant la fréquence d'ouverture et de fermeture des interrupteurs. Les moyens de communication connaissant la fréquence w à atteindre, génèrent le signal de pilotage des interrupteurs semi-conducteurs de manière à obtenir en sortie du convertisseur AC/AC un signal de fréquence w 15 recherché. Cela revient à piloter un onduleur. La charge peut donc se faire à une fréquence permettant la résonance et le couplage correct avec des composants au départ inconnus. Comme expliqué précédemment, l'unité de calcul 15 peut être intégrée à l'équipement secondaire 20. Dans ce cas, le même procédé 20 s'applique sauf que c'est l'équipement primaire 10 qui transmet les caractéristiques de sa bobine à l'équipement secondaire 20 qui en retour lui transmet la fréquence de résonnance w. Dans un autre mode de réalisation, l'unité de calcul 15 est localisée à distance des équipements primaire 10 et secondaire 20. Par exemple, 25 l'équipement primaire 10, une station de recharge par induction ou le point de recharge localisé à un premier endroit A, s'occupe de récupérer les informations pour le calcul, les envoient à un serveur intégrant l'unité de calcul, et situé à un deuxième endroit B. Un tel agencement permet d'utiliser une même unité de calcul 15 avec plusieurs équipements primaires. Chaque 30 équipement primaire peut se connecter à distance à l'unité de calcul 15, lui transmettre les informations nécessaires et recevoir les résultats en retour. REVENDICATIONS1. Système de charge par induction d'une batterie (23) comportant : - un circuit primaire installé sur un équipement primaire (10) comportant une bobine primaire (11) associée à un générateur (AC), l'équipement primaire (10) comportant en outre des moyens d'adaptation (12) de la fréquence de résonnance du circuit primaire, - un circuit secondaire installé sur un équipement secondaire (20) comportant 1 o une bobine secondaire (21) associée à la batterie, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre : - une unité de calcul (15) apte à déterminer une fréquence de résonnance (w) commune au circuit primaire et au circuit secondaire à partir de caractéristiques de la bobine primaire (11) et de la bobine secondaire (21), 15 - des moyens d'adaptation (22) de la fréquence de résonnance du circuit secondaire. 2. Système de charge par induction selon la revendication 1, dans lequel les moyens d'adaptation (22) de la fréquence de résonnance du circuit secondaire 20 comprennent un jeu de condensateurs (22.1) comportant des condensateurs (Ci, ..., Ce) et des relais (Si, ..., Se), et un circuit de commande (22.2) des relais du jeu de condensateurs. 3. Système de charge par induction selon la revendication 2, dans lequel le jeu 25 de condensateurs comporte un bloc de condensateur parallèle. 4. Système de charge par induction selon l'une des revendications 2 ou 3, dans lequel le jeu de condensateurs comporte un bloc de condensateur série. 30 5. Système de charge par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les caractéristiques de la bobine primaire (11) comportent l'inductance (Lp), la résistance (Rp) et les caractéristiques de labobine secondaire (21) comportent l'inductance (Ls), la résistance (Rs). 6. Système de charge par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'équipement primaire (10) et l'équipement secondaire (20) comportent chacun un moyen de communication (14, 24) et de pilotage apte à échanger des données et à délivrer aux moyens d'adaptation (12,22) une consigne indiquant une fréquence de résonnance (w). 7. Système de charge par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel dans lequel l'unité de calcul (15) est installée dans l'équipement primaire (10). 8. Système de charge par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'équipement secondaire (20) est un véhicule et l'équipement primaire (10) est une borne de recharge. 9. Procédé de recharge par induction d'une batterie (23) par un système de recharge comprenant : - un circuit primaire installé sur un équipement primaire (10) comportant une bobine primaire associée à un générateur (AC), et - un circuit secondaire installé sur un équipement secondaire (20) comportant une bobine secondaire associée à la batterie (23), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte des étapes de : - détermination, par une unité de calcul (15), d'un couplage (M) à partir de caractéristiques de la première bobine (11) et de la deuxième bobine (21), et d'une fréquence de résonnance (w) correspondant au couplage (M) déterminé, - configuration du deuxième jeu de condensateurs (22.2) en fonction de la fréquence de résonnance (w) déterminée de sorte que la fréquence de résonnance du circuit secondaire soit la fréquence de résonnance (w) déterminée,- configuration du premier jeu de condensateurs (12.2) en fonction de la fréquence de résonnance (w) déterminée de sorte que la fréquence de résonnance du circuit primaire soit la fréquence de résonnance (w) déterminée. 10. Procédé de recharge par induction d'une batterie selon la revendication 9, comportant en outre des étapes de : - transmission depuis les moyens de communications (24) vers les moyens de communications (14) de caractéristiques de la bobine secondaire (21), - transmission depuis les moyens de communications (14) vers les moyens de communications (24) de la fréquence de résonnance (w) déterminée.