Un système de transfert d’énergie autorésonant sans fil

Introduction

Les systèmes de transfert d’énergie sans fil (WPT) suscitent de plus en plus d’intérêt pour diverses applications comme les véhicules électriques (VÉ), l’électronique portable, les dispositifs médicaux implantables et les équipements sous-marins. Le principe essentiel du WPT est l’induction électromagnétique : un courant alternatif appliqué à un émetteur crée une tension au récepteur et fournit de l’énergie électrique à la charge. Les premiers systèmes WPT étaient très proches des transformateurs avec un espace entre les bobines primaire et secondaire. Afin d’obtenir un rendement plus élevé dans le transfert d’énergie, il faut un fort couplage entre l’émetteur et le récepteur, ce qui tendait à reléguer les systèmes WPT aux transferts d’énergie sur de courtes distances. Le WPT n’a vraiment pris de l’essor que lorsque des chercheurs du MIT ont proposé, en 2007, le WPT résonnant (RWPT), parvenant à allumer une ampoule de 60 W sur une distance de 2 m. Dans cette application, l’émetteur et le récepteur sont connectés séparément à un condensateur formant un réservoir résonnant, produisant un transfert d’énergie très efficace même si l’émetteur et le récepteur sont faiblement couplés, ce qui augmente considérablement la distance de transfert d’énergie.

Composants importants dans un système RWPT, les condensateurs de compensation influent sur l’énergie de sortie, la fréquence de fonctionnement et le rendement. Cependant, le condensateur physique réduit la fiabilité et augmente la taille et le coût des systèmes RWPT. Des systèmes WPT autorésonants sont maintenant proposés pour éliminer le condensateur physique, mais ils nécessitent des fréquences élevées, jusqu’à plusieurs mégahertz, selon la littérature existante.

Dans cet article, nous proposons une nouvelle bobine planaire à cartes de circuits imprimés (PCB) multicouches connectées en parallèle afin de générer une grande capacité parasite pour le RWPT. Les bobines de l’émetteur et du récepteur sont formées de circuits imprimés et la disposition d’enroulement en spirale permet d’obtenir l’inductance et la capacitance requises. Grâce à sa grande capacité parasite, la fréquence de résonance du système RWPT proposé passe à moins de 200 kHz. Parallèlement, éliminer la capacitance physique du RWPT donne une structure compacte, améliore la fiabilité et permet d’en réduire la taille, le poids et le coût.

Structure de la bobine PCB

Fig. 1. Structure de la bobine planaire autocompensée proposée. (a) Bobine PCB double couche. (b) Bobines PCB multicouches connectées en parallèle.

La figure 1 montre la structure de la bobine PCB. L’émetteur et le récepteur sont formés de deux bobines en spirale sur les couches supérieure et inférieure d’une PCB double couche et connectés en série sur un axe central. Le matériau de la PCB, entre les couches supérieure et inférieure, est du FR4 et la capacité parasite entre les couches supérieure et inférieure est appelée capacitance d’intra-enroulement. La capacitance d’intra-enroulement et l’inductance des bobines en parallèle forment un réservoir résonnant. Une grande capacitance est nécessaire pour l’obtention d’une basse fréquence de résonance. Une méthode innovante consiste à connecter des bobines de PCB multicouches en parallèle et à placer du papier Nomex entre les bobines de PCB adjacentes pour assurer l’isolation. Dans ce cas, toutes les couches de bobines adjacentes ont une capacitance d’intra-enroulement, et toutes ces capacitances sont en parallèle. La capacitance totale est la somme des capacitances individuelles d’intra-enroulement et peut être augmentée en ajoutant des couches de PCB et des bobines.

Vérification expérimentale

Nous avons fabriqué un prototype et effectué des mesures expérimentales pour vérifier l’efficacité de la bobine autocompensée proposée. La figure 2 présente la plate-forme expérimentale et le prototype. Cette plate-forme possède quatre degrés de liberté. La distance de transmission, le désalignement horizontal et le désalignement angulaire autour des axes x et y peuvent être ajustés à l’aide de poignées mécaniques, permettant d’étudier les performances correspondantes.

Fig. 2. Plate-forme expérimentale utilisée pour mesurer les performances du système RWPT proposé.

La figure 3 (a) montre la puissance de sortie à différentes fréquences sur des distances de transmission de 20, 40 et 60 mm, respectivement. On peut observer que la puissance maximale apparaît lorsque la fréquence est d’environ 120 kHz. La fréquence de puissance maximale n’est pas tout à fait la même que celle de l’UPF, plus élevée, car la commutation à tension nulle (zero voltage switching) est utilisée pendant les mesures, nécessitant une légère différence de phase entre la tension et le courant d’entrée, ce qui fait que la puissance maximale apparaît à une fréquence plus basse. Le prototype fonctionne présentement à 67 W pour démontrer la preuve de concept, mais la puissance peut être augmentée à condition d’utiliser des méthodes de refroidissement appropriées; l’efficacité suit la même tendance, comme le montre la figure 3 (b).

(a)

(b)
Fig. 3. Énergie et efficacité à différentes fréquences sur des distances de transmission de 20, 40 et 60 mm. (a) Énergie. (b) Efficacité.

Conclusion

Le condensateur physique du réseau de compensation augmente inévitablement la taille et le coût, et réduit la fiabilité du système RWPT. Dans cet article, nous proposons une nouvelle bobine planaire autocompensée pour le système RWPT, par le biais de la capacitance d’intra-enroulement, pour former un réservoir résonnant. Le condensateur physique peut donc être éliminé et le système RWPT proposé est capable d’autocompensation. Une capacitance d’intra-enroulement plus élevée peut être obtenue en connectant des bobines PCB multicouches en parallèle, ce qui réduit considérablement la fréquence de résonance du système RWPT proposé.

Information supplémentaire

Pour plus d’information sur cette recherche, consulter l’article de suivant :

Wang, Qingsong, Mohammad Ali Saket, Aaron Troy et Martin Ordonez. « A self-compensated planar coil for resonant wireless power transfer systems. » IEEE Transactions on Power Electronics 36, no. 1 (2020): 674-682.