Brevet FR3004024A1 — publié le 20141003

Dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction à un récepteur L'invention concerne un dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction à un récepteur, notamment un 5 accumulateur d'énergie d'un véhicule électrique. Le dispositif comprend au moins une bobine de transformateur ainsi qu'un agencement de condensateurs de compensation, l'agencement de condensateurs de compensation compensant, lorsque le dispositif fonctionne à une fréquence de 10 résonance, une chute de tension par induction aux bornes de la bobine de transformateur. Le dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction représente un côté primaire d'un transmetteur d'énergie. Le récepteur représente un côté secondaire du 15 transmetteur d'énergie. Les sections de transmission formées entre les bobines de transformateur du côté primaire et du côté secondaire ont un entrefer, dont la longueur influe sur les valeurs des inductances de fuite du côté primaire et du côté secondaire. 20 L'invention sera décrite dans ce qui suit au moyen d'un transmetteur d'énergie pour l'alimentation par induction des véhicules électriques. Mais cela ne doit pas être considéré comme limitatif. Le dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction pourrait être utilisé 25 aussi dans d'autres applications, notamment dans celles dans lesquelles on doit transmettre de grandes puissances. Si le dispositif sert à charger un accumulateur d'énergie d'un véhicule électrique, l'entrefer peut être supérieur ou égal à 10 cm. Cela tient au fait que la bobine de transformateur du dispositif (c'est-à-dire le côté primaire) est intégrée de préférence dans le sol d'un emplacement de stationnement du véhicule, tandis que la bobine de transformateur du côté secondaire du véhicule est disposée par exemple dans un élément de carrosserie du côté du sol. Si le véhicule arrive en une position donnée à l'avance sur l'emplacement de stationnement du véhicule, les bobines de transformateur du côté primaire et du côté secondaire viennent l'une sur l'autre, de manière à permettre un couplage magnétique. La valeur de l'inductance de fuite du côté primaire et du côté secondaire est dans cet agencement égale ou même supérieure à l'inductance principale du transmetteur d'énergie. Pour un flux de courant, il se crée, par l'inductance de fuite du côté primaire, une chute de tension par induction relativement grande, ce qui fait qu'il manque une tension correspondante à l'utilisateur à alimenter du côté secondaire. La charge de l'accumulateur d'énergie du véhicule s'accompagne ainsi de grandes pertes. On peut compenser cet effet par une tension d'entrée plus haute de la source de tension du côté primaire ou par ce que l'on appelle un agencement de condensateurs de compensation du côté primaire du transmetteur d'énergie. L'agencement de condensateurs de compensation compense la chute de tension par induction à la fréquence de résonance. La réalisation d'un agencement de condensateurs de compensation par un condensateur individuel n'est pas possible en pratique, en raison de la grandeur qui est nécessaire et qui ne peut pas être obtenue à des coûts acceptables. L'agencement de condensateurs de compensation est donc réalisé par ce que l'on appelle une batterie de condensateurs, dans laquelle des condensateurs distincts sont montés en parallèle aux enroulements de la bobine de transformateur du côté primaire et/ou en série avec ceux-ci. Les divers condensateurs sont rassemblés sur une plaquette à circuit imprimé commune suivant le montage souhaité et sont reliés aux extrémités de la bobine de transformateur. Ce composant prend, en plus de la bobine de transformateur du côté primaire, beaucoup de place et a un grand poids. En outre, une tension significative chute aux bornes de la batterie de condensateurs, de sorte que la batterie de condensateurs s'échauffe beaucoup et qu'il se crée des pertes correspondantes. La présente invention vise un dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction à un récepteur, qui est perfectionné, tant du point de vue de la construction que du point de vue fonctionnel. La présente invention vise notamment un dispositif perfectionné du point de vue de la construction et/ou du point de vue fonctionnel de transmission sans fil d'énergie par induction à un accumulateur d'énergie d'un véhicule électrique. On y parvient par un dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction à un récepteur, notamment à un accumulateur d'énergie d'un véhicule électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bobine de transformateur ainsi qu'un agencement de condensateurs de compensation, l'agencement de condensateurs de compensation compensant, lorsque le dispositif fonctionne à une fréquence de résonance, une chute de tension par induction aux bornes de la bobine du transformateur, l'agencement de condensateurs de compensation comprenant une multiplicité de condensateurs, qui sont montés sous la forme d'au moins une spire au moins en partie sur au moins une plaquette à circuit imprimé et qui sont montés entre eux électriquement en série pour la formation de la bobine de transformateur. Le dispositif proposé procure l'avantage de ne pas avoir de séparation d'une inductance de fuite parasite et d'une capacité de compensation. Comme les condensateurs de l'agencement de condensateurs de compensation font déjà partie de la spire ou des spires de la bobine de transformateur, il y a une charge de tension sensiblement plus petite des extrémités de la bobine de transformateur. L'isolation des extrémités de la bobine peut s'effectuer ainsi d'une manière plus simple et moins coûteuse. Un autre avantage réside dans le fait que maintenant, l'agencement de condensateurs de compensation ne doit plus être prévu sous la forme d'une batterie de condensateurs distincte en plus de la bobine de transformateur, ce qui fait que le dispositif est plus petit par rapport à un dispositif habituel. Si, suivant un mode de réalisation, tous les condensateurs de l'agencement de condensateurs de compensation sont montés sous la forme de la au moins une spire sur la plaquette à circuit imprimé, on peut se dispenser complètement de la batterie de condensateurs nécessaire dans l'état de la technique. Le dispositif peut prendre ainsi particulièrement peu de place. Si seulement une partie du nombre total des condensateurs de l'agencement de condensateurs de compensation est mise sous la forme de la au moins une spire, sur la plaquette à circuit imprimé, le nombre restant de condensateurs peut être réalisé sous la forme d'une batterie de condensateurs. Contrairement à l'état de la technique, une batterie de condensateurs de ce genre peut être sensiblement plus petite, puisque seul un nombre partiel des condensateurs de l'agencement de condensateurs de compensation doit être prévu dans la batterie de M condensateurs. Par rapport au dispositif connu dans l'état de la technique, une tension plus petite chute aux bornes de la batterie de condensateurs plus petite, ce qui se traduit par moins de perte. La diminution de la chute de tension aux bornes de la batterie de 15 condensateurs plus petite est obtenue par le fait que déjà un nombre partiel des condensateurs de l'agencement de condensateurs de compensation est disposé sous la forme de au moins une spire sur la plaquette à circuit imprimé et qu'ainsi déjà une partie de la tension chute 20 aux bornes de ces condensateurs. Une spire respective de la bobine de transformateur peut être formée par des tronçons de conducteurs, qui relient électriquement respectivement deux condensateurs voisins. Contrairement à l'état de la technique, il n'est plus 25 nécessaire de produire la spire ou les spires en utilisant une tresse isolée, qui doit être insérée manuellement, par exemple dans une rainure en forme de spirale d'une plaquette à circuit imprimé. On peut ainsi fabriquer, d'une manière plus simple et moins coûteuse, 30 le dispositif en question par un procédé de fabrication automatique. La au moins une spire peut, en vue en plan, être par tronçons, circulaire, ovale ou polygonale. En général, la spire peut avoir n'importe quelle forme, pour autant que la transmission de l'énergie par induction aux récepteurs soit assurée. Si la bobine de transformateur comprend une multiplicité de spires, la distance entre les spires est proportionnée à la place dont les condensateurs ont besoin. Les extrémités de la bobine de transformateur peuvent être disposées à chevauchement sur la plaquette à circuit imprimé, pour la formation d'un condensateur parallèle à la bobine de transformateur, qui permet de compenser un courant d'aimantation. Par l'agencement à chevauchement des extrémités de la bobine de transformateur sur la plaquette à circuit imprimé, on forme un condensateur parasite, qui, en raison de son montage parallèle à la spire ou aux spires de la bobine de transformateur, peut compenser au moins en partie le courant d'aimantation, lorsque le dispositif fonctionne. Les propriétés électriques peuvent être réglées par la surface de chevauchement et/ou par l'épaisseur de la plaquette à circuit imprimé. Eventuellement, on peut monter un autre condensateur discret, qui peut être relié aux extrémités de la bobine de transformateur. Par rapport à un dispositif habituel, ce condensateur discret peut toutefois être sensiblement plus petit, ce qui permet d'avoir un dispositif ayant un volume petit. Les condensateurs de l'agencement de condensateurs de compensation peuvent être des composants SMD. Les condensateurs, qui sont disposés sous la forme d'au moins une spire sur au moins une plaquette à circuit imprimé, peuvent ainsi être reliés électriquement aux tronçons de conducteurs par une opération de brasure commune (par exemple par brasure tendre à la vague). Il s'ensuit une fabrication simple et peu coûteuse, parce qu'automatique. Dans un mode de réalisation, une multiplicité de spires peut être disposée dans un plan sur la plaquette à circuit imprimé. Dans ce mode de réalisation, on peut avoir un dispositif ayant une hauteur minimum de construction. La hauteur de construction est déterminée essentiellement par l'épaisseur de la plaquette à circuit imprimé et par la hauteur des condensateurs. Dans un mode de réalisation en variante ou supplémentaire, une multiplicité de spires peut être disposée dans plusieurs plans sur plusieurs plaquettes à circuit imprimé. Dans ce mode de réalisation, on peut choisir le nombre des spires sur chaque plaquette à circuit imprimé. Cela signifie que, sur chacune des plaquettes à circuit imprimé, il peut être formé un même nombre de spires. Les nombres de spires sur les plusieurs plaquettes à circuit imprimé peuvent être aussi différents. Pour renforcer le couplage magnétique avec la bobine de transformateur du récepteur, la bobine de transformateur du dispositif proposé peut comprendre un noyau. Le noyau peut être par exemple en ferrite. Le noyau peut être mis dans une ouverture de la au moins une plaquette à circuit imprimé. Le noyau est alors entouré par la spire ou par les spires de la bobine de transformateur de la plaquette à circuit imprimé. En variante, le noyau peut être mis, sous la forme d'une plaque ou d'une feuille, sur une face arrière de la au moins une plaquette à circuit imprimé. Dans ce cas, prévoir une ouverture dans la au moins une plaquette à circuit imprimé n'est pas nécessaire. L'invention sera explicitée dans ce qui suit dans le dessin d'une manière plus précise au moyen d'un exemple de réalisation. Aux dessins : la figure 1 est un circuit électrique équivalent d'une section de transmetteur par induction ayant une compensation série d'inductances de fuite, la figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif suivant l'invention, dans lequel une bobine de transformateur est formée à titre d'exemple d'une spire unique, qui est formée sur une plaquette à circuit imprimé, la figure 3 est une vue en élévation d'un dispositif suivant l'invention, qui comprend une plaquette à circuit imprimé unique pour former la bobine de transformateur et la figure 4 est une vue en élévation d'un exemple de réalisation en variante d'un dispositif suivant l'invention, dans lequel plusieurs plaquettes à circuit imprimé, disposées les unes sur les autres, sont prévues pour former la bobine de transformateur. La figure 1 représente un circuit électrique équivalent connu d'une section de transmetteur par induction, ayant une compensation série également connue d'inductances de fuite. La section de transmetteur est formée d'une bobine de transformateur du côté primaire et d'une bobine de transformateur du côté secondaire. Le côté primaire est tandis que le côté primaire représente fil d'énergie par caractérisé à la figure 1 par « 1 », secondaire l'est par « 2 ». Le côté 1 un dispositif de transmission sans induction à un récepteur. Le côté 1 primaire comprend une source 3 d'énergie, qui est reliée à une bobine de transformateur du côté primaire par un agencement capacitif de compensation. A la figure 1, l'agencement capacitif de compensation est représenté par la capacité Cri, et la bobine de transformateur du côté primaire par une inductance Lsl de fuite du côté primaire ainsi que par une inductance Lh principale. Dans le circuit électrique équivalent représenté à la figure 1, l'inductance Lsl de fuite, l'inductance Lh principale et la capacité Cri sont montées en série entre elles. Le côté 2 secondaire comprend un consommateur 4, par exemple un accumulateur d'énergie d'un véhicule électrique, qui est relié à une bobine de transformateur du côté secondaire par un agencement capacitif de compensation. A la figure 1, l'agencement capacitif de compensation est représenté par la capacité Cr2, et la bobine de transformateur du côté secondaire par une inductance Ls2 de fuite du côté secondaire ainsi que par l'inductance Lh principale. Dans le circuit électrique équivalent représenté à la figure 1, l'inductance Ls2 de fuite, l'inductance Lh principale et la capacité Cr2 sont montées en série les unes avec les autres. La section de transmission, formée entre les bobines de transformateur du côté 1 primaire et du côté 2 secondaire, a un entrefer, qui influe sur la valeur des inductances Lsl, Ls2 de fuite du côté 1 primaire et du côté 2 secondaire. On part en outre du fait, à titre d'exemple, que l'on doive charger l'accumulateur d'énergie d'un véhjcule électrique, au moyen de la transmission sans fil d'énergie par induction. Dans ce cas, l'entrefer entre la bobine de transformateur du côté primaire et la bobine de transformateur du côté secondaire, peut, comme cela a déjà été décrit précédemment, être supérieur ou égal à 10 cm. Cela tient au fait que la bobine de transformateur du côté 1 primaire est intégrée de préférence dans le sol d'un emplacement de stationnement de véhicule, tandis que la bobine de transformateur du côté 2 secondaire du véhicule est disposée par exemple dans un élément de la carrosserie du côté du sol. Si le véhicule vient dans une position donnée à l'avance à l'emplacement de stationnement, les bobines de transformateur du côté primaire et du côté secondaire viennent l'une sur l'autre, ce qui rend possible le couplage magnétique. La valeur de l'inductance Lsl, Ls2 de fuite du côté primaire et du côté secondaire est, dans cet agencement, égale ou même supérieure à l'inductance Lh principale du transmetteur d'énergie. Lors d'un flux de courant, il se crée, par l'inductance Lsl de fuite du côté primaire, une chute de tension par induction d'une valeur correspondante, qui peut représenter un multiple de la tension mise à disposition par la source d'énergie. Cette tension chutant aux bornes de l'inductance Lsl de fuite est compensée, lorsque le transmetteur fonctionne à la fréquence de résonance, notamment par l'agencement de condensateurs de compensation, c'est-à-dire par la capacité Crl du côté 1 primaire du transmetteur d'énergie. Au lieu, comme cela est habituel dans l'état de la i1 technique, de réaliser l'agencement de condensateurs de compensation sous la forme d'une batterie de condensateurs, dans lequel une pluralité de condensateurs individuels est disposée en étant étroitement les uns 5 près des autres, dans l'espace, sur une plaquette à circuit imprimé distincte de la bobine de transformateur, la multiplicité de condensateurs 11 est suivant l'invention mise sous la forme d'au moins une spire 20 sur une plaquette 10 à circuit imprimé. Pour former la 10 spire ou les spires 20 et ainsi la bobine de transformateur, les condensateurs sont montés électriquement en série par des tronçons 12 de conducteurs. Cela est représenté à titre d'exemple à la figure 2, qui est une vue en plan schématique d'un 15 dispositif 100 suivant l'invention de transmission sans fil d'énergie par induction. La figure 2 représente simplement à titre d'exemple une spire 20 unique, qui est formée de quatre tronçons 21, 22, 23, 24 rectilignes de spire. Chaque tronçon 21, 22, 20 23, 24 de spire comprend simplement à titre d'exemple cinq condensateurs 11 individuels, respectivement deux condensateurs 11 voisins étant montés entre eux électriquement en série par des tronçons 12 de conducteurs. Par souci de simplification, tous les 25 tronçons de conducteurs ne sont pas munis d'un repère. Les tronçons 21, 22, 23, 24 de spire pourraient être, contrairement à l'agencement à la manière d'un rectangle ou d'un carré, également incurvés, de sorte que la spire 20 soit dans sa globalité sensiblement ovale ou 30 circulaire. Les tronçons 12 de conducteurs font partie d'une structure de conducteur, qui est mise sur la plaquette 10 à circuit imprimé avant de mettre des condensateurs 11. Les condensateurs 11 sont des composants SMD (dispositif monté en surface), qui peuvent être reliés électriquement et mécaniquement à la structure de conducteur, et ainsi au tronçon de conducteur, par une opération commune de brasage. La spire 20 est ainsi formée par des tronçons 12 de conducteurs et par des condensateurs 11, disposés en alternance sur la plaquette 10 à circuit imprimé. Au centre de la spire 20, est formé, dans la plaquette 10 à circuit imprimé, un évidement ou ouverture 15 éventuelle, dans lequel est enfilé un noyau 16, par exemple en un ferrite. Le couplage magnétique avec la bobine de transformateur du côté secondaire (non représenté) peut ainsi être amélioré. En variante de la représentation qui est représentée, le noyau 16 peut être déposé aussi sous la forme d'une plaque ou d'une feuille sur la face arrière de la plaquette 10 à circuit imprimé (c'est-à-dire sur la face principale de la plaquette 10 à circuit imprimé éloignée des condensateurs 11). Dans une variante de réalisation, la bobine de transformateur pourrait avoir une multiplicité de spires 20 formées sur la plaquette 10 à circuit imprimé. A cet effet, des tronçons de spires supplémentaires pourraient, à la manière d'une spirale, entourer vers l'intérieur le noyau 16 facultatif représenté à la figure 2. En variante ou en plus, plusieurs des dispositifs représentés à la figure 2 peuvent être empilés les uns sur les autres, les ou la spire formée(s) sur les plusieurs plaquettes 10a, 10b à circuit imprimé étant reliées électriquement entre elles par des éléments 18, 19 électriques de liaison correspondants. Cela est représenté schématiquement à la figure 4 suivant une vue en élévation. Cela rend possible d'avoir un enroulement en hélice de la bobine de transforma-teur. Dans l'exemple représenté à la figure 2, les extrémités 13, 14 de la spire 20 (ou d'une manière générale : de la bobine de transformateur) peuvent venir au voisinage les unes des autres. Les extrémités 13, 14 de bobine peuvent être disposées sur la face principale de la plaquette 10 à circuit imprimé sur laquelle sont disposés les condensateurs 11. Les extrémités 13, 14 de bobine peuvent être disposées aussi sur des faces principales différentes de la plaquette 10 à circuit imprimé. Par rapport à un dispositif habituel, une tension sensiblement moindre chute aux bornes des extrémités de la bobine, en raison du montage proposé des condensateurs. Si les extrémités de bobine sont disposées sur la surface principale opposée de la plaquette 10 à circuit imprimé et en opposition, comme cela est représenté à titre d'exemple à la figure 2, on produit ainsi un condensateur 17 parasite, qui est monté en parallèle à la spire 20 (ou dans le cas de plusieurs spires : à la bobine de transformateur). Au moyen du condensateur 17 parasite, on peut compenser, au moins en partie, un courant d'aimantation passant dans la spire 20 (ou dans la bobine de transformateur). Mettre l'extrémité 14 du côté principal de la plaquette à circuit imprimé opposé au condensateur peut s'effectuer au moyen d'un trou métallisé. Eventuellement, un autre condensateur discret peut être 30 relié aux extrémités 13, 14 de bobine de la spire 20 ou de la bobine de transformateur. Par rapport à un dispositif habituel, ce condensateur discret peut alors toutefois être sensiblement plus petit, ce qui fait que le dispositif 100 peut avoir un volume plus petit. Dans un dispositif 100, qui est formé de plusieurs plaquettes 10a, 10b à circuit imprimé disposées les unes 5 sur les autres et ayant respectivement des condensateurs lia et llb sous forme de spire qui y sont mis et des tronçons 12a et 12b de conducteurs, il est également judicieux que les extrémités 13, 14 de la bobine de transformateur soient disposées au moins en partie à M chevauchement sur des faces opposées de l'une des plaquettes 13 à circuit imprimé. Dans l'exemple de mode de réalisation représenté à la figure 4, ne sont représentées que deux plaquettes 10a, 10b à circuit imprimé, une liaison électrique des spires 15 réalisée sur les plaquettes 10a, 10b à circuit imprimé s'effectuant par les éléments de liaison électrique déjà mentionnés. Théoriquement, le nombre des plaquettes à circuit imprimé disposées les unes sur les autres peut être choisi à volonté. 20 Le nombre des plaquettes à circuit imprimé (une plaquette unique ou plusieurs plaquettes), ainsi que le nombre des condensateurs prévus dans l'ensemble sur la plaquette à circuit imprimé ou sur les plaquettes à circuit imprimé est en proportion des propriétés électriques des 25 condensateurs, ainsi que des propriétés électriques à obtenir par le dispositif. Un avantage de la façon de procéder et décrite réside dans le fait qu'il n'y a pas de séparation d'inductance de fuite parasite et des condensateurs utilisés pour la 30 compensation. On peut se dispenser de la plaquette à circuit imprimé nécessaire jusqu'ici pour la batterie de condensateurs, ce qui permet de donner au dispositif un volume plus petit. La charge de tension des condensateurs répartie par la spire est très petite par rapport à une batterie de condensateurs habituelle. On a la possibilité de tirer profit de la dimension des condensateurs nécessaire pour la formation de M l'enroulement en choisissant en conséquence le nombre des condensateurs répartis sur l'enroulement. Le dispositif décrit peut être utilisé notamment comme ce que l'on appelle un élément de sol pour l'alimentation par induction de véhicules électriques. 15 REVENDICATIONS1. Dispositif de transmission sans fil d'énergie par induction à un récepteur, notamment à un accumulateur d'énergie d'un véhicule électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une bobine de transformateur ainsi qu'un agencement de condensateurs de compensation, l'agencement de condensateurs de compensation compensant, lorsque le dispositif fonctionne à une fréquence de résonance, une chute de tension par induction aux bornes de la bobine du transformateur, l'agencement de condensateurs de compensation comprenant une multiplicité de condensateurs (11, 11a, 11b), qui sont montés sous la forme d'au moins une spire (20) au moins en partie sur au moins une plaquette (10, 10a, 10b) à circuit imprimé et qui sont montés entre eux électriquement en série pour la formation de la bobine de transformateur. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que tous les condensateurs (11, 11a, 11b) de l'agencement de condensateurs de compensation sont montés sous la forme de la au moins une spire (20) sur la plaquette (10, 10a, 10b) -à circuit imprimé. 3. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la spire (20) est formée par des tronçons (12, 12a, 12b) de conducteurs reliant électriquement deux condensateurs (11, lia, 11b) voisins. 4. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la spire (20) est en vue en plan, ronde, ovale ou polygonale. 5. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les extrémités (13,14) de la bobine de transformateur sont disposées à chevauchement sur la plaquette (10, 10a, 10b) à circuit imprimé pour former un condensateur (17), qui est parallèle à la bobine de transformateur et par lequel un courant d'aimantation peut être compensé. 6. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les condensateurs (11, 11a, 11b) sont des composants SMD. 7. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une multiplicité de spires (20) est disposée dans un plan sur la plaquette (10) à circuit imprimé. 8. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une multiplicité de spires (20) est disposée dans plusieurs plans sur plusieurs plaquettes (10a, 10b) à circuit imprimé. 9. Dispositif suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bobine de transformateur comprend un noyau (16). 25 10. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le noyau (16) est disposé dans une ouverture (15) de la au moins une plaquette (10, 10a, 10b) à circuit imprimé. 30 11. Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le noyau (16) est disposé sous la forme d'une plaque ou d'une feuille sur une face arrière de la au moins une plaquette (10, 10a, 10b) à circuit imprimé. 15 20