WIRELESS POWER TRANSFER TECHNOLOGY

JOURNÉE CSE

INTER GDR MACS-SEEDS

Pr. Alain JAAFARI (ECAM-EPMI) Pr. Abdelmoumen DARCHERIF DG (ECAM-EPMI) Mehdi ROUISSIYA (ECAM-EPMI)

2

2

La voiture électrique: de la première jusqu’à maintenant...

1884: première voiture électrique (Thomas PARKER)

1899: « la jamais contente » La Tesla 2017

: L’autonomie ! 3

3

Petite comparaison

• Pour une voiture thermique: 60 Litres d’essence 600 kWh.

• Rendement 25% 150 kWh.

• Pour une autonomie de 150 kWh sur batteries:

3 tonnes de batteries en PB

ou 975 Kg de batteries en Li-ion.

4

4

5

Première solution proposée: Le système filaire.

5

6

Seconde solution proposée: Echange rapide des batteries.

6

7

Troisième solution proposée: Captation par le sol pour bus / trolley.

Rail retour de courant

Segments commutés

Trois systèmes sont actuellement en développement: Ansaldo. SPIE Enertrans. Cegelec.

7

8

Quatrième solution proposée: Les bornes de recharges à induction.

La recharge complète d'un véhicule électrique pour 150 km demande 20 à 30 kWh et appelle une puissance équivalente de: En 8 heures (3 kW) ~ à un chauffe-eau En 1 heure (25 kW) ~ à un immeuble En 3 minutes (600 kW) ~ à un quartier de ville

8

The Wireless Power transfer

Electronique embarquée

Convertisseur Convertisseur Convertisseur Convertisseur Convertisseur

Principe: C’est un transformateur, dont le

primaire est au sol et le secondaire sous le véhicule.

Le véhicule capte son énergie lors de son passage sur les bobines par induction.

Seule la bobine qui se trouve sous le véhicule est activée.

9

9

10

Route électrifiée de 210 mètres pour minibus 35 places: 200 kW à une distance de 7,5 cm Mais rendement de 60% et 850 kg embarqués (basse fréquence : 180 à 400 Hz) !!!

L’idée n’est pas nouvelle…

1980 – 1990 : Projet californien (Roadway Powered Electric Vehicle Project)

10

Deux bobines l’une sur l’autre, plus ou moins décentrées :

i2

v2

i1

v1 n1 spires

n2 spires

Le coupleur actuel.

Bobine secondaire

Bobine primaire

11

i1

v1

i2

v2

m

r1 r2 L L

L

m = (L2/L1)1/2

L = M (L1/L2)1/2

L = L1 – M (L1/L2)1/2

L1 = inductance propre de la bobine au sol. L2 = inductance propre de la bobine embarquée. mesurables et calculables M = inductance mutuelle entre bobines. L = inductance de fuite. L = inductance de magnétisation. calculables m = rapport de transformation.

Le schéma électrique équivalent au coupleur.

12

13

Les basiques du transfert d’énergie par induction

Meilleur rendement .

composants moins coûteux.

Contraintes des bobines couplées: L’inductance de fuite élevée et l’inductance magnétisante faible:

- Chute de tension importante dans l’inductance de fuite.

- Puissance réactive élevée dans les circuits primaire et secondaire.

Mauvais facteur de puissance.

Intérêt d’un bon facteur de puissance:

• Courant minimal. • Moins de pertes dans le coupleur. • Moins de pertes dans le convertisseur. • Commutations « douces » des deux côtés.

Les basiques du transfert d’énergie par induction (1).

13

Compensation de la chute de tension par un circuit capacitif.

Le facteur de puissance peut être égal à 1 des deux côtés pour une fréquence particulière (il faut Z capacitive : f < f de résonance)

MAIS : Si la puissance P varie, la tension VS varie à VE donnée !

Z

iE

vE

iS

vS

m

l1

L

C

i

vE

vS

iE

iS

i

Z iE

Les basiques du transfert d’énergie par induction (2).

14

Il s’agit de s’affranchir des chutes de tension en rajoutant des condensateurs.

Les topologies habituelles de convertisseurs à résonance ne conviennent pas car elles nécessitent un asservissement de la tension de sortie en agissant sur des transistors placés en entrée : elles nécessitent donc une communication sortie / entrée, donc véhicule / route.

m

L L

LM

C

Convertisseurs « à résonance ».

15

Symétriser la topologie et sa commande Symétriser les tensions de part et d’autre. + Réaliser la réversibilité.

Ce principe est nommé : la « RECOPIE DE TENSION ».

Convertisseur

VE VS = VE

Axe de symétrie de la topologie

L’idée exploitée: symétriser le convertisseur.

16

VE

1

2 iE

vE

C

VS =m.VE

1

2 iS/m

m.vS

C/m2

i2

v2

i1

v1

i1

v1

m

L L

L

i2

v2

m

Le système retenu (thèse A. CAILLIEREZ 2011-2014)

17

Un condensateur est « ramené » du secondaire au primaire :

Deux cas de figure selon Z (selon la fréquence) :

Z inductive Z capacitive

iE

vE

m

L L

LM

iS/m

m.vS

iS

vS

C C

v

i

Z Z

vS

iE

-iS

i Δφ

ZiE

vE iS

ZiS

v

vS

iE

-iS

i

Δφ

ZiE

vE

iS ZiS

v

Analyse de la partie centrale du schéma.

18

À condition de réaliser Z capacitive et de choisir une fréquence très particulière, le déphasage peut être annulé entre tension et courant des deux côtés :

Au moins deux intérêts à cela :

Facteur de puissance optimal => Pertes par conduction minimales (semiconducteurs, coupleur, condensateurs, connexions)

Commutations à zéro de courant => Pertes par commutation minimales

(transistors, diodes)

vS

iE

-iS

i

Δφ

ZiE

vE

iS ZiS

v

vS

iE

-iS

i

Δφ

ZiE

vE

iS ZiS

v

Point de fonctionnement intéressant.

19

- Faire commuter les transistors au passage par zéro d’un courant : • φE = 0 => vE asservi en phase avec iE • φS = 0 => vS asservi en phase avec iS

- Utiliser un redresseur à diodes au secondaire pour obtenir φS = 0 :

Simplification mais réversibilité perdue

- Le rapport de transformation m peut être choisi quelconque : Automatiquement, VS = m VE => « RECOPIE DE TENSION »

Système réalisé équivalent à un transformateur pour courant continu.

vS

iE

-iS

i

Δφ

ZiE

vE

iS ZiS

v

Réalisation.

20

P/Pmini

f/frésonance

- Pmini « élevée » pour LM faible (peu de spires et mauvais couplage)

- Pas de puissance maximale

- Contrôle possible pour P < Pmini en agissant sur le déphasage φS au secondaire à fréquence fixe

(≈ frésonance), mais : • Perte de la commutation douce, • Dégradation du facteur de puissance,

des 2 côtés, toutefois à faible puissance !

Un inconvénient du système: Puissance minimale.

21

- Tension aux bornes de Z comparable à v, vE, vS

- Mais tension aux bornes de C très élevée à forte puissance car devant compenser en partie celle aux bornes de L.

iE

vE

m

L L

LM

iS/m

m.vS

iS

vS

C C

v

i

Z Z

vS

iE

-iS

i

Δφ

ZiE

vE

iS ZiS

v

vCAPA /(vE ou vS)

P/PMINI

Un inconvénient du système pour les condensateurs.

22

Introduction du coefficient de couplage :

VCAPA /(vE ou vS)

P/PMINI

Il faut maximiser le couplage.

Dimensionnement des condensateurs.

23

- Augmenter autant que possible la mutuelle => Optimiser les dimensions des boucles en regard. Le coefficient k de couplage est maximal si les boucles sont identiques. Le coefficient k de couplage est maximal si les boucles sont carrées.

- Réduire autant que possible les inductances propres => Élargir et séparer les conducteurs.

k multiplié par 2 environ,

de même en utilisant un ruban de cuivre.

- Utiliser des matériaux magnétiques pour canaliser le flux.

Poudre de ferrite…

Optimisation du couplage.

24

Remarque:

• La puissance minimale correspond à un courant magnétisant minimum:

iMAGN (donc PCrit ) augmente quand le couplage diminue.

• Les circuits primaires et secondaire sont supposés parfaitement accordés:

La tension n’est pas parfaitement recopiée pour des circuits mal accordés.

Contraintes:

• Un fonctionnement en recopie de tension sur une large de puissance entraine des valeurs de capacité de résonance faible:

Tension aux bornes des condensateurs élevée.

• Le fonctionnement en recopie de tension n’est possible qu’à partir d’une puissance minimale.

25

Pré-dimensionnement du convertisseur

Remarque et contraintes.

25

26

Exemples d’application actuelles.

Projet portière Renault. Thèse Hicham SADKI (septembre 2003)

Projet ELECTRICITY (MIT)

Recharge d’appareils mobiles par induction

26

27

Recharge statique sans contact Renault: London trial.

Projet Australien d’induction intégrée au rail de sécurité.

Recharge dynamique sans contact : Bombardier.

27

28

Quelques Projets ambitieux.

Smart Cities : MIT

Projet Tulip 1995 Section d’autoroute pour la recharge dynamique

(Royaume-Uni)

28

29

Plateforme TESLA de l’ECAM-EPMI.

Banc d’essai de la route électrique. 29

30

Travaux en cours :

Caractéristiques de la maquette:

3kW max, 500W min.

60 Vdc primaire et secondaire.

5 à 10 cm « d’entrefer ».

30

31

Courbe de puissance :

Consigne: échelon de puissance 600W à 2,6kW.

Pas de variation de couplage.

31

32

Architecture électrique simplifiée :

MAS

58V Batterie traction

Redresseur piloté ou à diode.

Pas de recharge batterie. Alimentation du moteur

uniquement

32

33

Configurations à tester:

Montage série-parallèle Montage série-série

33

34

Commutation entre bobines au sol:

Acceptable à 130 km/h : temps au-dessus d’une bobine ≈ 15 ms

Système le plus rapide à ce jour – Peut facilement être optimisé

34

35

Route électrique à énergies renouvelables:

35

Intégration des composants passifs.

Evacuation de la chaleur dans les composants intégrés.

Génération d’énergie électrique sans CO2.

Contrôle de réseau électrique.

Nouveaux actionneurs intégrés.

Électronique de puissance haute température.

….

Quelques verrous scientifiques.

36

Bus hybride à guidage magnétique.

Fauteuil électrique autonome.

Maison sans fil.

Vélo, Scooter,Avion, bateau électrique…

Transferts d’énergie et d’information pour les équipements intracorporels.

Objets communicants autonomes.

Maison électriquement autonome.

….

Quelques projets à haut défi scientifique et technologique.

37

Nous sommes tous concernés par la protection de l'environnement.

L'électricité jouera un rôle majeur dans les transports du futurs.

La route électrique est une solution qui contribuera à la promotion et au développement de la voiture électrique.

Conclusion.

38

39

49