Brevet FR3093872A1 — publié le 20200918

Description Titre de l'invention : Dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif a résonance pour recharger un véhicule automobile poo Ea présente invention porte sur un circuit résonnant émetteur et sur un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance pour charger ou recharger un véhicule automobile. [0002] De façon connue en soi, il est techniquement possible d'alimenter par transmission sans contact un véhicule automobile ou tout autre objet muni d'un dispositif de stockage d'énergie électrique à une puissance comprise entre 3 et 10 kW, lorsque cet objet est à l'arrêt (on parle dans ce cas de charge statique), ou lorsque celui-ci se déplace (on parle alors de charge dynamique. Cette alimentation par transmission sans contact se fait alors au moyen de circuits électriques distants couplés magnétiquement et accordés à la même fréquence. Les circuits couplés magnétiquement comportant chacun au moins un élément LC résonnant, L et C désignant respectivement des inductances et capacitances. [0003] Le problème avec ce type de solution est que pour transmettre un niveau de puissance satisfaisant, notamment plusieurs kW, il faut opérer à des fréquences élevées, notamment de l'ordre de 85 kHz ou plus, pour la fréquence de travail et pour la fréquence propre de chaque circuit résonnant. En outre, ce type de solution nécessite d'opérer à faible distance entre les éléments résonnants situés à la source et à la charge. [0004] Opérer à un tel niveau élevé de fréquence se traduit principalement par la nécessité d'employer des composants coûteux comme des ferrites doux et du fil conducteur de Litz dont les brins sont de toute petite section, par exemple inférieure ou égale à 0,07 mm de diamètre. [0005] L'invention a pour but de pallier, au moins en partie, ces inconvénients. [0006] A cet effet, l'invention a pour objet un circuit résonnant émetteur pour réaliser une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance avec un circuit résonnant récepteur comportant une première capacitance et un premier enroulement, le premier enroulement comportant une inductance et une première résistance, [0007] le circuit résonnant émetteur comportant une deuxième capacitance de valeur C2' et un deuxième enroulement, le deuxième enroulement comportant une deuxième inductance de valeur L2', une deuxième résistance de valeur R2', le circuit résonnant émetteur ayant une pulsation propre w2 telle que (02=1/ -\/ 2 (L2' x C2') et une fréquence propre f2 telle que f2 = (o2 / (23-0, caractérisé en cc que la valeur d'inductance de la deuxième inductance (L2) varie de manière prédéterminée. [0008] L'invention permet de faire croître l'amplitude d'un courant électrique d'amorçage fourni par le circuit résonnant émetteur au circuit résonnant récepteur, lorsque le circuit résonnant émetteur est couplé magnétiquement au circuit résonnant récepteur. [0009] Selon une mise en oeuvre, la deuxième inductance comporte un circuit magnétique. [0010] Selon une mise en oeuvre, la valeur d'inductance de la deuxième inductance varie par variation de la réluctance du circuit magnétique de la deuxième inductance. [0011] Selon une mise en oeuvre, le circuit magnétique de la deuxième inductance comporte au moins une partie mobile, relativement au deuxième enroulement. [0012] Selon une mise en oeuvre, le circuit magnétique de la deuxième inductance comporte au moins une partie fixe, relativement au deuxième enroulement. [0013] Selon une mise en oeuvre, la partie fixe et la partie mobile comportent un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique. [0014] Selon une mise en oeuvre, la partie mobile est mise en mouvement de sorte que des saillances se trouvent alternativement face à d'autres saillances ou entre deux saillances. [0015] Selon une mise en oeuvre, la partie mobile du circuit magnétique de la deuxième in- ductance, est mue par un moteur électrique. [0016] Selon une mise en oeuvre, la deuxième inductance est réalisée d'un seul tenant. [0017] Selon une mise en oeuvre, la deuxième inductance comporte un solénoïde, notamment de forme sensiblement aplatie. [0018] Selon une mise en oeuvre, la valeur d'inductance de la deuxième inductance varie selon une fréquence prédéterminée et selon une amplitude de variation d'inductance hL prédéterminée autour d'une valeur moyenne L2moy, de sorte que la pulsation propre varie selon une amplitude de variation de pulsation hm prédéterminée autour d'une valeur moyenne co2moy, avec w2moy = 1/11 (L2moy x C2'). [0019] L'invention permet ainsi de réaliser une amplification de l'amplitude du courant et de la tension, au niveau du circuit résonnant émetteur, avec un gain d'amplification suffisamment élevé pour permettre d'opérer à une fréquence plus basse, et/ou à une distance plus élevée. [0020] Selon une mise en oeuvre, la fréquence prédéterminée est choisie de sorte à faire croître l'amplitude du courant électrique circulant dans circuit résonnant émetteur, en croissance exponentielle. [0021] L'invention permet ainsi, par l'introduction d'un gain d'amplification, de transmettre un niveau satisfaisant de puissance par un procédé sans contact entre un circuit résonnant émetteur et un circuit résonnant récepteur, malgré la mise en oeuvre d'une 3 fréquence de niveau très faible par rapport à l'état de l'art. [0022] Selon une mise en oeuvre, la deuxième capacitance a une valeur sensiblement constante. [0023] Selon une mise en oeuvre, le circuit résonnant émetteur est agencé pour être accordé au circuit résonnant récepteur. En conséquence, le circuit résonnant récepteur et le circuit résonnant émetteur ont sensiblement la même fréquence propre. [0024] Selon une mise en oeuvre, la fréquence prédéterminée est égale à deux fois la fréquence propre du circuit résonnant émetteur à une tolérance près. [0025] Une telle fréquence prédéterminée permet de faire croître l'amplitude du courant électrique circulant dans circuit résonnant émetteur. [0026] Selon une mise en oeuvre, la tolérance F. est telle que s = (((1/2) x hL x fo2rnoy)2 - (R2' / L2')2). [0027] Ainsi, la fréquence prédéterminée est comprise entre (2xf2) - e et (2xf2) + g. [0028] Selon une mise en oeuvre, l'amplitude de variation de pulsation prédéterminée hm est supérieure strictement à 2 x (R2' / L2') x (L2' x C2'). [0029] Selon une mise en oeuvre, la deuxième inductance est formée par un ensemble à ré- luctance magnétique variable comportant un rotor et un stator avec présence d'un entrefer entre eux, [0030] le stator comportant un solénoïde et une pluralité de bras statoriqucs, l'ensemble des bras statoriqucs formant un unique pôle magnétique lorsque le solénoïde est parcouru par un courant électrique et le pôle étant notamment considéré du côté de l'entrefer, le rotor comportant une pluralité de bras rotoriques formant un unique pôle magnétique lorsque le solénoïde est parcouru par un courant électrique et le pôle étant notamment considéré du côté de l'entrefer. [0031] Selon une mise en oeuvre, deux bras rotoriques adjacents sont séparés deux à deux par une portion amagnétique. [0032] Selon une mise en oeuvre, deux bras statoriques adjacents sont séparés deux à deux par une portion amagnétique. [0033] Selon une mise en oeuvre, le nombre de bras statoriques est égal au nombre de bras rotoriques. [0034] En variante, le nombre de bras statoriques est différent du nombre de bras rotoriques [0035] Selon une mise en oeuvre, chaque bras statorique s'étend dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation du rotor et comporte un paquet de tôles magnétiques feuilleté dont l'empilement est notamment réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à la direction radiale dans laquelle s'étend le bras statorique. [0036] Selon une mise en oeuvre, l'empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à l'axe de rotation du rotor. [0037] En variante, l'empilement est réalisé dans une direction parallèle à l'axe de rotation du rotor. [0038] Selon une mise en oeuvre, chaque bras rotorique s'étend dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation du rotor et comporte un paquet de tôles magnétiques feuilleté dont l'empilement est notamment réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à la direction radiale dans laquelle s'étend le bras rotorique. [0039] Selon une mise en oeuvre, l'empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à l'axe de rotation du rotor. [0040] En variante, l'empilement est réalisé dans une direction parallèle à l'axe de rotation du rotor. [0041] Selon une mise en oeuvre, le rotor comporte un arbre amagnétique. [0042] Ccci permet que le flux ne passe que par les bras rotoriqucs et non par l'arbre, dans une direction axiale. [0043] Selon une mise en oeuvre, chaque bras rotorique comporte une portion en saillie, notamment disposée radialement du côté de l'axe de rotation du rotor. [0044] Ccci permet un bon maintien des bras rotoriqucs sur l'arbre et permet de limiter les flux de fuites en canalisant le flux magnétique issu d'une source magnétique externe. [0045] Selon une mise en oeuvre, le solénoïde comporte une spire à plat, ou une pluralité de spires s'étendant de manière concentrique et/ou s'étendant de manière axiale, les spires étant notamment dépourvues de fil de Litz. [0046] Selon une mise en oeuvre, le solénoïde est agencé de sorte qu'un courant alternatif circulant dans les spires soit inférieur strictement à 3 kHz. [0047] Selon une mise en oeuvre, les spires comportent du fil de Litz dont la section a un diamètre strictement supérieur à 0,2 mm notamment strictement supérieur à 0,3 mm [0048] Ceci permet de diminuer le nombre de fils et donc de simplifier grandement la mise en oeuvre du solénoïde. [0049] Selon une mise en oeuvre, le rotor est accouplé à un moteur pour lui permettre d'être entrainé en rotation notamment à une vitesse prédéterminée 52, cette vitesse étant exprimée en tours/s et étant telle que Q = ((2 x f2) ± e ) / (N), N étant le nombre de bras statoriques. [0050] Selon une mise en oeuvre, la deuxième capacitance comporte un condensateur poly- propylène, notamment d'au moins 900 pF. [0051] L'invention a également pour objet un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger en énergie électrique un véhicule automobile, comportant : [0052] une source d'énergie, notamment à courant alternatif, un circuit résonnant récepteur comportant une première capacitance et un premier enroulement, le premier enroulement comportant une inductance et une première résistance, un circuit résonnant émetteur tel que décrit précédemment, le circuit résonnant émetteur étant alimenté par la source d'énergie. [0053] L'invention a encore pour objet un ensemble de charge ou de recharge sans contact d'un véhicule automobile, comportant : [0054] un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance tel que décrit précédemment, un redresseur, relié électriquement au circuit résonnant récepteur, pour redresser un courant électrique généré par la variation du champ magnétique issu du circuit résonnant émetteur, un dispositif de stockage d'énergie électrique, chargé par le redresseur. [0055] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention. [0056] [fig.1] est une représentation schématique d'un ensemble de charge ou de recharge sans contact d'un véhicule automobile selon l'invention; [0057] [fig.2] est une représentation schématique d'un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance selon l'invention; [0058] [fig.3] est une représentation schématique d'un ensemble à réluctance magnétique variable selon l'invention; et [0059] [fig.4] est une représentation schématique de l'ensemble de la figure 3, selon la coupe A-A. [0060] Comme visible à la figure 1, un véhicule automobile 30 embarque un dispositif de stockage d'énergie électrique 20, notamment une batterie 20 pour l'alimentation en énergie électrique d'un moteur électrique de traction non représenté ainsi que le réseau de bord du véhicule automobile 30. La batterie 20 du véhicule automobile 30 a par exemple une tension nominale de 48V ou de 300V et peut être chargée ou rechargée sans contact à l'aide d'un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance 100. [0061] Dans l'exemple de la figure 1, le dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance 100 comporte une source d'énergie 10 à courant alternatif alimentant un redresseur 12, le redresseur 12 étant relié électriquement à un onduleur 13 qui alimente ainsi un circuit résonnant émetteur 2 en courant alternatif selon une fréquence supérieure à celle de la source 10. En variante, la source d'énergie 10 pourrait être à une fréquence utilisable directement sans nécessiter d'avoir recours à un redresseur 12 et un onduleur 13. Dans l'exemple de la figure 1, c'est l'ernoulement E0 qui est alimenté via la connexion filaire à la source d'énergie 10. Cet enroulement E0 alimente alors le circuit résonnant émetteur 2 par couplage inductif. 6 [0062] En variante non représentée, la source d'énergie 10 à courant alternatif pourrait alimenter directement le circuit résonnant émetteur 2 en courant alternatif. [0063] Dans l'exemple de la figure 1, le circuit résonnant récepteur 1 comportant une première capacitance Cl et un premier enroulement El. [0064] Le dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance 100 comporte en outre un circuit résonnant émetteur 2 comportant une deuxième capacitance C2 et un deuxième enroulement E2. [0065] Lorsque le circuit résonnant récepteur 1 est couplé magnétiquement au circuit résonnant émetteur 2, il y a transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance au circuit résonnant émetteur 2. Cc couplage magnétique a lieu lorsque les premier El et deuxième E2 enroulements sont à proximité l'un de l'autre. Dans l'exemple considéré, ce couplage a lieu lorsque les premier El et deuxième E2 enroulements sont sensiblement à une distance comprise entre 10 cm et 1 m. Dans un autre exemple, le couplage a lieu, même si les performances sont dégradées, lorsque la distance est comprise entre 1 m et 10 ni. [0066] Comme visible à la figure 2, la source d'énergie 10 est reliée à une résistance RO en série avec une bobine d'émission LO. L'enroulement E0 représenté à la figure 1 comporte en effet la résistance parasite RO en série avec une bobine d'émission LO. Sur la figure 2, le redresseur 12 et l'onduleur 13 n'ont pas été représentés pour plus de simplicité. [0067] Comme visible à la figure 2, le circuit résonnant récepteur 1 est constitué d'un circuit RLC. En effet, le circuit résonnant récepteur 1 comporte une première inductance LI en série avec une première résistance RI et une première capacitance Cl. Le premier enroulement El représenté à la figure 1 comporte en effet la résistance parasite RI en série avec la première inductance LI. [0068] La bobine d'émission LO est couplée magnétiquement à la première inductance LI. [0069] Le circuit résonnant émetteur 2 est constitué d'un circuit RLC. En effet, le circuit résonnant émetteur 2 comporte une deuxième inductance L2 en série avec une deuxième résistance R2 et une deuxième capacitance C2. Le deuxième enroulement E2 représenté à la figure 1 comporte en effet la résistance parasite R2 en série avec la première inductance L2. [0070] La deuxième capacitance C2 comporte un condensateur polypropylène, d'au moins 900 pF. [0071] Dans l'exemple représenté, le circuit résonnant récepteur 1 et le circuit résonnant émetteur 2 sont accordés. Le circuit résonnant émetteur et le circuit résonnant récepteur ont ainsi sensiblement la même fréquence propre. [0072] Comme visible à la figure 2, une bobine de réception L3 est reliée électriquement à une résistance R3 représentant schématiquement une résistance parasite en série avec 7 la charge constituée par le redresseur 11 et la batterie 20 de la figure 1. [0073] L'enroulement E3 représenté à la figure 1 comporte ici la résistance parasite en série avec la bobine de réception L3. [0074] La bobine de réception L3 est couplée magnétiquement à la deuxième inductance L2. [0075] Dans l'exemple des figures 1 et 2, le circuit résonnant émetteur 2 et la bobine d'émission LO sont situés au sol, tandis que le circuit résonnant récepteur 1 et la bobine de réception L3 sont situés à bord du véhicule. [0076] Dans l'exemple des figures 1 et 2, la deuxième capacitance a une valeur C2', la deuxième inductance a une valeur L2', et la deuxième résistance a une valeur R2'. En outre, le circuit résonnant émetteur 2 a pour pulsation propre m2 telle que m2=1/ .',/ (L2' x C2') et pour fréquence propre f2 telle que f2 = (02 / (27r). [0077] La valeur d'inductance de la deuxième inductance L2 varie de manière prédé- terminée. [0078] Plus précisément, la valeur d'inductance de la deuxième inductance L2 varie selon une fréquence prédéterminée et selon une amplitude de variation d'inductance hL prédéterminée autour d'une valeur moyenne L2moy, de sorte que la pulsation propre varie selon une amplitude de variation de pulsation hm prédéterminée autour d'une valeur moyenne m2moy, avec m2moy = 1/ -V (L2moy x C2'). [0079] La fréquence prédéterminée étant choisie de sorte à faire croître l'amplitude du courant électrique alternatif circulant dans le circuit résonnant émetteur 2, en croissance exponentielle. [0080] La deuxième capacitance C2 a une valeur sensiblement constante. On entend par valeur sensiblement constante, la valeur de cette capacitance, non comprises les variations de celle-ci liées à la température ou à l'usure ou tout autre facteur physique. [0081] Le fréquence prédéterminée est égale à deux fois la fréquence propre du circuit résonnant émetteur 2 à une tolérance a près. Cette tolérance E est telle que E = (((1/2) x hL x co2moy)2 - (R2' / L2')2). [0082] Ainsi, la fréquence prédéterminée est comprise entre (2xf2) - E et (2xf2) + E [0083] Une telle fréquence prédéterminée permet de faire croître l'amplitude du courant électrique circulant dans circuit résonnant émetteur 2. [0084] Selon une mise en oeuvre, l'amplitude de variation de pulsation prédéterminée hm est supérieure strictement à 2 x (R2' / L2') x (L2' x C2'). [0085] Un exemple de réalisation de la deuxième inductance L2 est décrit en lien avec les figures 3 et 4. [0086] La deuxième inductance L2 est ici formée par un ensemble à réluctance magnétique variable comportant un rotor 6 et un stator 3 avec présence d'un entrefer entre eux. Le stator 3 comporte un solénoïde 5 et une pluralité de bras statoriques 4, l'ensemble des bras statoriques 4 formant un unique pôle magnétique lorsque le solénoïde 5 est 8 parcouru par un courant électrique. Le pôle est ici considéré du côté de l'entrefer. Le rotor 6 comporte une pluralité de bras rotoriques 7 formant un unique pôle magnétique lorsque le solénoïde 5 est parcouru par un courant électrique. Le pôle est ici considéré du côté de l'entrefer. [0087] Ainsi, le solénoïde 5 constitue un enroulement. Le stator constitue une partie fixe et le rotor constitue une partie mobile, relativement à l'enroulement. [0088] Comme on peut le voir à la figure 3, deux bras rotoriques 7 adjacents sont séparés deux à deux par une portion amagnétique et deux bras statoriques 4 adjacents sont séparés deux à deux par une portion amagnétique. Dans l'exemple considéré, le nombre de bras statoriques 4 est égal au nombre de bras rotoriques 7, en l'occurrence, ce nombre est égal à 12. [0089] Ainsi, le stator 3 présente une pluralité de saillances, toutes de même polarité, cette polarité au sens de l'orientation nord ou sud, étant fonction de la phase du courant traversant le solénoïde 5. En outre, le rotor 6 présente une pluralité de saillances, toutes de même polarité, cette polarité au sens de l'orientation nord ou sud, étant fonction de la phase du courant traversant le solénoïde 5. Le stator 3 et le rotor 6 ont chacun le même nombre de saillances magnétiques, séparées par des absences de matière magnétique. [0090] Chaque bras statorique 4 s'étend dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation X du rotor et comporte un paquet de tôles magnétiques feuilleté dont l'empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à la direction radiale dans laquelle s'étend le bras statorique 4. Dans l'exemple considéré, l'empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à l'axe de rotation X du rotor 6. [0091] Chaque bras rotorique 7 s'étend dans une direction radiale par rapport à l'axe de rotation X du rotor et comporte un paquet de tôles magnétiques feuilleté dont l'empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à la direction radiale dans laquelle s'étend le bras rotorique 7. Dans l'exemple considéré, l'empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à l'axe de rotation X du rotor. [0092] Le rotor 6 comporte un arbre 8 qui réalisé dans un matériau amagnétique. Ceci permet que le flux ne passe que par les bras rotoriques 7 et non par l'arbre 8, dans une direction axiale. [0093] Dans l'exemple considéré, l'arbre 8 amagnétique du rotor 6 est ni feuilleté ni en ferrite doux afin d'éviter la formation de courants induits préjudiciables dans ledit arbre 8. [0094] Comme on peut le voir à la figure 4, chaque bras rotorique 7 comporte une portion faisant saillie, notamment disposée radialement du côté de l'axe de rotation X du rotor 9 6. Ceci permet de canaliser le flux magnétique tout en permettant un meilleur maintien mécanique de l'ensemble constituant le rotor 6. [0095] Dans l'exemple de la figure 3, le solénoïde 5 comporte une pluralité de spires s'étendant de manière concentrique. Dans l'exemple de la figure 4, le solénoïde 5 peut comporter une pluralité de spires s'étendant de manière axiale. En variante non représentée, le solénoïde 5 peut comporter une unique spire à plat. [0096] Les spires sont dépourvues de fil de Litz. En variante, les spires comportent du fil de Litz dont la section a un diamètre strictement supérieur à 0,2 mm, notamment strictement supérieur à 0,3 mm. [0097] Le solénoïde 5 est agencé de sorte qu'un courant alternatif circulant dans les spires le composant, soit de fréquence strictement inférieure à 3 kHz. [0098] Un moteur électrique non représenté est accouplé à l'arbre 8 pour permettre d'entrainer en rotation le rotor 6 à une vitesse prédéterminée Q exprimée en tours/s et étant telle que Q = ((2xf0) +/- a ) (N), N étant le nombre de bras statoriques 4. Cette vitesse prédéterminée est considérée en régime permanent, c'est-à-dire à la fin d'un régime transitoire électro-mécanique. [0099] Bien entendu, la description qui précède a été donnée à titre d'exemple uniquement et ne limite pas le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les différents éléments par tous autres équivalents. [0100] En outre, les différentes caractéristiques, variantes, et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons, dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. [Revendication 1]