FR3140490A1 - Circuit résonant secondaire - Google Patents
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Abstract
Circuit résonant secondaire L’invention concerne un circuit résonant secondaire (5) pour réaliser, dans un mode recharge, une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, avec un circuit résonant primaire (3) comportant au moins une première condensateur (Cp) et une première inductance (Lp), cette transmission de puissance étant dirigée vers la charge résistive (2) couplée au circuit résonant secondaire (5), cette charge résistive ayant une impédance équivalente, ce circuit résonant secondaire (2) comportant : une deuxième condensateur (Cs) de valeur Cs et une deuxième inductance (Ls) de valeur Ls, couplées magnétiquement et partiellement à la première condensateur (Cp) et la première inductance (Lp), etun ensemble de découplage (10). Figure de l’abrégé : figure 1.
Description
La présente invention concerne un circuit résonant secondaire.
La présente invention porte sur un circuit résonant secondaire et sur un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger une batterie d’un véhicule automobile ou tout type de véhicule, terrestre, aérien, ou maritime, propulsé par l’intermédiaire d’une énergie électrique.
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 50 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 résonant, L et C désignant respectivement des inductances et condensateurs.
Un 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 résonance de chaque sous-circuit résonant. En outre, ce type de solution nécessite d'opérer à faible distance entre les éléments résonants situés à la source et à la charge.
Les niveaux de fréquence et de puissance mentionnés plus haut, pour une mise en œuvre en kWatts, peuvent en outre constituer un danger pour la santé des personnes exposées à proximité, ou à l’environnement en général.
La présente invention propose notamment de réaliser une recharge de véhicule électrique, ou autre système embarqué à stockage électrique, à très basse fréquence de transfert, optionnellement avec un flux de puissance réversible.
L’invention a ainsi pour objet un circuit résonant secondaire pour réaliser, dans un mode recharge, une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, avec un circuit résonant primaire comportant au moins un premier condensateur et une première inductance, cette transmission de puissance étant dirigée vers la charge résistive couplée au circuit résonant secondaire, ce circuit résonant secondaire comportant :
- un deuxième condensateur et une deuxième inductance, apte à être couplés magnétiquement et partiellement au premier condensateur et à la première inductance,
- un ensemble de découplage comprenant un redresseur agencé pour mettre à disposition une tension continue pour fournir une puissance de recharge à destination de la charge résistive, et un montage d’adaptation d’impédance qui est agencé pour faire varier l’impédance équivalente sur l’entrée de ce montage d’adaptation d’impédance, indépendamment de l’impédance de la charge résistive en sortie de ce montage d’adaptation d’impédance.
L’impédance équivalente sur l’entrée du montage d’adaptation d’impédance est représentée par le ratio V/I où V est la tension aux bornes du montage d’adaptation d’impédance et I l’intensité du courant qui le traverse.
L’invention permet ainsi de réaliser une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance à basse fréquence, contrairement à l’art antérieur, remédiant ainsi aux inconvénients précités.
De préférence, la pulsation de résonance des circuits primaire et secondaire est égale à 2.π.F0 avec F0 la fréquence de pulsation d’une source au circuit primaire qui fournit la puissance de recharge.
Les fonctions de redressement par le redresseur et d’adaptation d’impédance par le montage d’adaptation d’impédance peuvent être réalisées par deux étages électroniques distincts ou bien par un étage électronique unique.
Selon l’un des aspects de l’invention, la source au circuit primaire présente une tension alternative, de forme sinusoïdale ou carrée, et à une fréquence de pulsation F0.
Selon l’un des aspects de l’invention, cette tension attaque un circuit Lp/Cp résonant, magnétiquement et partiellement couplé à un second circuit résonant Ls/Cs, couplage dont le coefficient de couplage magnétique est noté k.
Le coefficient de couplage k est dans la plage 0<k<1. On note que le coefficient k est lié à l’inductance mutuelle par la relation M² = k².Lp.Ls qui traduit le couplage inductif entre deux inductances propres.
Selon l’un des aspects de l’invention, la fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire est inférieure à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz. La plage de fréquences peut être 50-2000 Hz. La fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire peut en variante être comprise entre 3kHz et 5kHz.
L’invention permet un transfert de puissance électrique de la source vers la charge en mode recharge.
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 une charge résistive telle qu’une batterie de véhicule, comportant :
- un circuit résonant primaire comportant une première condensateur et une première inductance, le circuit résonant primaire étant alimenté par une source de tension,
- un circuit résonant secondaire tel que précité, qui reçoit, en mode recharge, de la puissance électrique du circuit primaire, avec une fréquence de transfert entre le circuit primaire et le circuit secondaire qui est inférieure à 5 kHz, voire à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz.
Dans les chargeurs de véhicules électriques usuels, il est courant de trouver une fonction de réversibilité en puissance pour participer à la fonction dite Réseau électrique intelligent, ou «smart grid» en anglais, d’un réseau électrique urbain.
Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif est agencé pour être réversible en puissance permettant au circuit secondaire d’envoyer de la puissance vers le circuit primaire, cette puissance reçue dans le circuit primaire pouvant par exemple être injectée dans un réseau électrique urbain.
Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif comporte, du côté du circuit secondaire, un étage de chargeur embarqué, notamment de type « Single-Phase Single-Stage Bidirectional Onboard Charger » en anglais, agencé pour échanger sans contact une puissance électrique avec le circuit secondaire pour permettre une fonction de recharge filaire embarquée supplémentaire.
Dans tout ce qui précède, le circuit primaire peut être intégré à une borne de charge de véhicule électrique ou hybride. Cette borne reçoit alors de l’énergie électrique d’un réseau électrique via un câble qui peut être un câble monophasé ou un câble triphasé. Dans ce cas, le circuit primaire et le circuit secondaire ne sont pas intégrés à un même composant physique.
En variante, le circuit primaire et le circuit secondaire peuvent être intégrés à un même composant physique. Un tel composant, qui est par exemple appelé « chargeur », peut être embarqué dans un véhicule.
Dans tout ce qui précède, la charge résistive peut être une batterie, cette dernière ayant alors une tension nominale de 12V, 48V, 60V ou plus, par exemple supérieure à 300V, par exemple de 400V, 800V ou 1000V.
D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée donnée ci-après, et d’exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :
On a représenté sur la un dispositif 1 de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, pour charger ou recharger en énergie électrique une charge résistive 2, ici une batterie de véhicule.
Le dispositif 1 comporte :
- un circuit résonant primaire 3 comportant une première condensateur Cp et une première inductance Lp, le circuit résonant primaire 3 étant alimenté par une source de tension 4 ici un réseau électrique domestique,
- un circuit résonant secondaire 5 qui reçoit, en mode recharge, de la puissance électrique du circuit primaire 3.
Le circuit primaire 3 comprend en outre, après la source 4, un étage redresseur avec correcteur de facteur de puissance 7, ou redresseur PFC 7 (PFC désignant en anglais «Power Factor Correction »), suivi d’un convertisseur DC/AC 8 (convertisseur continu alternatif) qui fournit une tension Vaci.
La source au circuit primaire présente une tension Vaci alternative, de forme sinusoïdale ou carrée, et à une fréquence de pulsation F0.
La fréquence est à 50 Hz dans l’exemple décrit.
L’étage redresseur PFC 7 sert, d’une part, à transformer le courant alternatif (AC) en courant continu (DC), et, d’autre part, à permettre que le courant prélevé sur le réseau alternatif 4 soit le plus proche d’un sinus parfait à la pulsation du réseau. Un des buts est de réduire le courant réactif et les sous-harmoniques qui augmentent les pertes énergétiques en conduction.
Le circuit résonant secondaire 5 sert à réaliser, dans un mode recharge, une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, avec le circuit résonant primaire 3, cette transmission de puissance étant dirigée vers la charge résistive 2 couplée au circuit résonant secondaire 5, cette charge résistive 2 ayant une impédance équivalente.
Le circuit résonant secondaire 5 comporte :
- une deuxième condensateur Cs de valeur Cs et une deuxième inductance Ls de valeur Ls, couplées magnétiquement et partiellement à la première condensateur Cp et la première inductance Lp,
- un ensemble de découplage 10 agencé pour découpler l’impédance équivalente de la charge résistive 2 de la puissance de recharge.
Comme on peut le voir sur la , cet ensemble de découplage 10 peut dans un exemple comprendre un redresseur 11 agencé pour mettre à disposition une tension continue pour fournir une puissance de recharge à destination de la charge résistive 2, et un montage d’adaptation d’impédance 12 qui est agencé pour faire varier l’impédance équivalente sur l’entrée de ce montage d’adaptation d’impédance, indépendamment de l’impédance de la charge résistive en sortie de ce montage d’adaptation d’impédance.
Le redresseur 11 comprend, de manière classique, quatre diodes D1 à D4.
Le montage d’adaptation d’impédance 12, ou PFC, comprend deux condensateurs C1, C2 et un interrupteur Q, tous dans des branches parallèles respectives, et une inductance L et une diode D5.
Ce montage 12 voit en entrée une tension Vin et délivre en sortie une tension Vout.
L’ensemble de découplage 10 réalise ainsi deux fonctions. La première fonction est de faire un redressement du courant alternatif pour amener un courant continu vers la batterie 2. La seconde fonction est de s’assurer que le ratio de la tension présente en entrée de l’ensemble 10 divisée par le courant d’entrée soit égale à une impédance de référence R. En d’autres termes, cet ensemble 10 transforme le redressement couplé à la batterie en une résistance équivalente vue de la maille résonante embarquée côté véhicule.
Le but de cette régulation d’impédance équivalente de charge est de placer la maille résonante dans une disposition favorable à l’établissement d’un courant pour maximiser le transfert de puissance vers la batterie. La valeur de référence de cette charge est un compromis. Elle doit être assez haute pour ne pas nécessiter beaucoup de courant pour transférer de la puissance. Elle doit être assez basse pour garantir qu’en entrée de cet ensemble, la tension soit strictement inférieure à la tension de batterie, autrement le système serait hors de contrôle et la régulation devient impossible.
Le but de cette régulation d’impédance équivalente de charge est de placer la maille résonante dans une disposition favorable à l’établissement d’un courant pour maximiser le transfert de puissance vers la batterie. La valeur de référence de cette charge est un compromis. Elle doit être assez haute pour ne pas nécessiter beaucoup de courant pour transférer de la puissance. Elle doit être assez basse pour garantir qu’en entrée de cet ensemble, la tension soit strictement inférieure à la tension de batterie, autrement le système serait hors de contrôle et la régulation devient impossible.
La pulsation de résonance des circuits primaire 3 et secondaire 5 est égale à 2.π.F0 avec F0 la fréquence de pulsation de la source au circuit primaire 3 qui fournit la puissance de recharge.
Les fonctions de redressement par le redresseur 11 et d’adaptation d’impédance par le montage d’adaptation d’impédance 12 peuvent être réalisées par deux étages électroniques distincts, comme illustré sur la , ou bien au sein d’un étage électronique unique, comme illustré sur la .
Le montage 10 peut être un montage électronique de type «Totem POLE PFC rectifier » ou « dual Boost PFC rectifier» connu dans la littérature électronique.
Dans l’exemple de la , le montage 10 constitue un unique étage électronique réalisant à la fois un redressement de tension et une adaptation d’impédance par l’intermédiaire de deux bras 20 montés en parallèle. Chaque bras comprend deux interrupteurs commandables en série qui sont par exemple des transistors MOS. L’un des deux bras commute à la fréquence de la puissance transmise depuis le circuit primaire et avec un rapport cyclique de 50%, et l’autre bras commute à une fréquence supérieure à celle de la puissance transmise depuis le circuit primaire et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif mesuré et la tension sur l’entrée alternative du montage 10.
La tension Vaci, dite de source, à la sortie du convertisseur 8 attaque une cellule Lp/Cp résonante, magnétiquement et partiellement couplée à une cellule résonante Ls/Cs du circuit résonant secondaire, couplage dont le coefficient de couplage magnétique est noté k.
Le coefficient de couplage k est dans la plage 0<k<1.
La fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire est inférieure à 5 kHz, voire inférieure à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz. Cette fréquence de transfert est notamment celle appliquée à la cellule LC résonante du circuit primaire.
L’invention permet un transfert de puissance électrique de la source Vaci vers la charge 2 en mode recharge.
Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif comporte, du côté du circuit secondaire, un étage de chargeur embarqué 30, notamment de type «Single-Phase Single-Stage Bidirectional Onboard Charger» en anglais, agencé pour échanger sans contact une puissance électrique avec le circuit secondaire pour permettre une fonction de recharge filaire embarquée supplémentaire.
Cet étage de chargeur embarqué 30, connu en soi, est représenté en pointillés sur la .
Cet étage de chargeur embarqué 30 est de type convertisseur AC/DC isolé qui intègre les fonctions de redresseur, notamment à 50Hz, d’onduleur Hautes Fréquences et PFC avec un unique étage d’entrée à MOSFETs.
Comme illustré sur la , cet étage de chargeur embarqué 30 est connecté à un pont redresseur 29 de l’ensemble de découplage 10 qui comprend le montage d’adaptation d’impédance 12, présent en parallèle de la batterie.
Cet étage 30 sert un réseau embarqué 31 qui permet la recharge filaire.
Claims (6)
- Circuit résonant secondaire (5) pour réaliser, dans un mode recharge, une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, avec un circuit résonant primaire (3) comportant au moins une première condensateur (Cp) et une première inductance (Lp), cette transmission de puissance étant dirigée vers la charge résistive (2) couplée au circuit résonant secondaire (5) ce circuit résonant secondaire (5) comportant :
- un deuxième condensateur (Cs) de valeur Cs et une deuxième inductance (Ls) de valeur Ls, aptes à être couplés magnétiquement et partiellement au premier condensateur (Cp) et à la première inductance (Lp), et
- un ensemble de découplage (10), cet ensemble de découplage comprenant un redresseur (11) agencé pour mettre à disposition une tension continue pour fournir une puissance de recharge à destination de la charge résistive, et un montage d’adaptation d’impédance (12) qui est agencé pour faire varier l’impédance équivalente sur l’entrée de ce montage d’adaptation d’impédance, indépendamment de l’impédance de la charge résistive en sortie de ce montage d’adaptation d’impédance.
- Circuit selon la revendication précédente, dans lequel la fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire est inférieure à 5 kHz, voire inférieure à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz.
- Circuit selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les fonctions de redressement par le redresseur (11) et d’adaptation d’impédance par le montage d’adaptation d’impédance (12) sont réalisées par deux étages électroniques distincts.
- Circuit selon l’une des revendications précédentes, dans lequel les fonctions de redressement et d’adaptation d’impédance sont réalisées par un étage électronique unique.
- Dispositif (1) de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger en énergie électrique une charge résistive telle qu’une batterie de véhicule, comportant :
- un circuit résonant primaire (3) comportant un premier
- un circuit résonant secondaire (5) selon l’une quelconque des revendications précédentes, qui reçoit, en mode recharge, de la puissance électrique du circuit primaire, avec une fréquence de transfert entre le circuit primaire et le circuit secondaire qui est inférieure à 5 kHz, voire inférieure à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz.
- Dispositif selon la revendication précédente, agencé pour être réversible en puissance permettant au circuit secondaire d’envoyer de la puissance vers le circuit primaire, cette puissance reçue dans le circuit primaire pouvant par exemple être injectée dans un réseau électrique urbain.
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