EP3747106A1 - Dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif a resonance pour recharger un vehicule automobile - Google Patents

Dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif a resonance pour recharger un vehicule automobile

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Publication number
EP3747106A1
EP3747106A1 EP19701386.5A EP19701386A EP3747106A1 EP 3747106 A1 EP3747106 A1 EP 3747106A1 EP 19701386 A EP19701386 A EP 19701386A EP 3747106 A1 EP3747106 A1 EP 3747106A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
rotor
winding
resonant circuit
stator
Prior art date
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Pending
Application number
EP19701386.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Labbe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Electrification SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Equipements Electriques Moteur SAS filed Critical Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Publication of EP3747106A1 publication Critical patent/EP3747106A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—ELECTRIC POWER NETWORKS; CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Definitions

  • the present invention provides a receiver resonant circuit and a resonance inductive coupling non-contact power transmission device for charging or recharging a motor vehicle.
  • the invention aims to overcome, at least in part, these disadvantages.
  • the subject of the invention is a resonant receiver circuit for producing contactless power transmission by inductive coupling with resonance with an emitter resonant circuit having a first capacitance and a first winding, the first winding having an inductance and a first resistor,
  • the resonant receiver circuit comprising a second capacitance of value C2 'and a second winding, the second winding having a second inductance of value L2', a second resistance of value R2 ',
  • the invention makes it possible to increase the amplitude of a starting electric current supplied by the emitting resonant circuit to the resonant receiving circuit, when the emitter resonant circuit is magnetically coupled to the resonant receiver circuit.
  • the second inductor comprises a magnetic circuit.
  • the inductance value of the second inductance varies by varying the reluctance of the magnetic circuit of the second inductor.
  • the magnetic circuit of the second inductor comprises at least one movable portion relative to the second winding.
  • the magnetic circuit of the second inductor comprises at least one fixed part, relative to the second winding.
  • the fixed part and the mobile part comprise a ferromagnetic or ferrimagnetic material.
  • the moving part is set in motion so that projections are alternately facing other projections or between two projections.
  • the moving part of the magnetic circuit of the second inductor is driven by an electric motor.
  • the second inductor is made in one piece.
  • the second inductor comprises a solenoid, in particular of substantially flattened shape.
  • the invention thus makes it possible to amplify the amplitude of the current and of the voltage, at the level of the resonant receiver circuit, with an amplification gain sufficiently high to allow operation at a lower frequency, and / or a higher distance.
  • the predetermined frequency is chosen so as to increase the amplitude of the electric current flowing in the exponential growth resonant circuit.
  • the invention thus makes it possible, by introducing an amplification gain, to transmit a satisfactory level of power by a non-contact method between an emitter resonant circuit and a resonant receiver circuit, despite the implementation of a frequency very low level compared to the state of the art.
  • the second capacitance has a substantially constant value.
  • the receiver resonant circuit is arranged to be tuned to the emitter resonant circuit.
  • the receiver resonant circuit and the emitter resonant circuit have substantially the same natural frequency.
  • the predetermined frequency is equal to twice the natural frequency of the resonant receiver circuit to a tolerance.
  • the predetermined frequency is between (2xf2) - e and (2xf2) + e.
  • the predetermined pulse variation amplitude hoo is strictly greater than 2 x (R2 '/ L2') x V (L2 'x C2').
  • the second inductor is formed by a variable magnetic reluctance assembly comprising a rotor and a stator with the presence of an air gap between them,
  • stator (3) comprising a solenoid (5) and a plurality of stator arms (4), the set of stator arms (4) forming a single magnetic pole when the solenoid (5) is traversed by an electric current and the pole being notably considered on the side of the gap,
  • the rotor (6) having a plurality of rotor arms (7) forming a single magnetic pole when the solenoid (5) is traversed by an electric current and the pole being particularly considered on the side of the air gap.
  • two adjacent rotor arms are separated in pairs by a non-magnetic portion.
  • two adjacent stator arms are separated two by two by a non-magnetic portion.
  • the number of stator arms is equal to the number of rotor arms.
  • the number of stator arms is different from the number of rotor arms
  • each stator arm extends in a radial direction relative to the axis of rotation of the rotor and comprises a package of plates magnetic laminated whose stack is in particular made in a direction orthoradiale relative to the radial direction in which the stator arm extends.
  • the stack is made in a direction orthoradial with respect to the axis of rotation of the rotor.
  • the stack is made in a direction parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • each rotor arm extends in a radial direction relative to the axis of rotation of the rotor and comprises a laminated sheet of magnetic laminations whose stack is in particular made in a direction orthoradial with respect to the direction radial in which extends the rotor arm.
  • the stack is made in a direction orthoradial with respect to the axis of rotation of the rotor. In a variant, the stack is made in a direction parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • the rotor comprises a non-magnetic shaft.
  • each rotor arm comprises a projecting portion, in particular arranged radially on the side of the axis of rotation of the rotor.
  • the solenoid comprises a flat coil, or a plurality of coils extending concentrically and / or extending axially, the turns being in particular without Litz wire.
  • the solenoid is arranged so that an alternating current flowing in the turns is strictly less than 3 kHz.
  • the turns comprise Litz wire whose section has a diameter strictly greater than 0.2 mm, in particular strictly greater than 0.3 mm.
  • the second capacitance comprises a polypropylene capacitor, in particular of at least 900 pF.
  • the invention also relates to a contactless power transmission device by inductive resonance coupling, in particular for charging or recharging an electric vehicle, comprising:
  • a source of energy in particular with alternating current
  • an emitter resonant circuit comprising a first capacitance and a first winding, the first winding comprising an inductance and a first resistor, the emitter resonant circuit being fed by the energy source,
  • the invention further relates to a charging or charging unit without contact of a motor vehicle, comprising:
  • a rectifier electrically connected to the receiver resonant circuit, for rectifying an electric current generated by the variation of the magnetic field originating from the emitter resonant circuit
  • FIG. 1 is a schematic representation of a non-contact charging or recharging assembly of a motor vehicle according to the invention
  • FIG. 2 is a diagrammatic representation of a non-contact inductive resonance coupling power transmission device according to the invention
  • Figure 3 is a schematic representation of a variable magnetic reluctance assembly according to the invention.
  • Figure 4 is a schematic representation of the assembly of Figure 3, in section A-A.
  • a motor vehicle 30 carries an electrical energy storage device 20, in particular a battery 20 for supplying electrical energy to an electric traction motor (not shown) and the vehicle's electrical system.
  • the battery 20 of the motor vehicle 30 has, for example, a nominal voltage of 48V or 300V and can be charged or recharged without contact by means of a non-contact resonance coupling power transmission device 100.
  • the non-contact resonance-inductive coupling power transmission device 100 comprises an AC power source 10 supplying a rectifier 12, the rectifier 12 being electrically connected to an inverter 13 which supplies power to the rectifier 12. thus a transmitter resonant circuit 1 AC at a frequency greater than that of the source 10.
  • the power source 10 could be at a frequency usable directly without the need to use a rectifier 12 and an inverter 13
  • the winding E0 is fed via the wire connection to the energy source 10. This winding E0 then feeds the emitter resonant circuit 1 by inductive coupling.
  • the AC power source 10 could directly supply the emitter resonant circuit 1 with alternating current.
  • the emitter resonant circuit 1 comprises a first capacitance C1 and a first winding E1.
  • the resonance inductive coupling non-contact power transmission device 100 further comprises a receiver resonant circuit 2 having a second capacitance C2 and a second winding E2.
  • the emitter resonant circuit 1 When the emitter resonant circuit 1 is magnetically coupled to the resonant receiver circuit 2, there is non-contact resonant resonance-coupled power transmission to the resonant receiver circuit 2.
  • This magnetic coupling occurs when the first E1 and second E2 windings are in close proximity. one of the other. In the example considered, this coupling takes place when the first E1 and second E2 windings are substantially at a distance of between 10 cm and 1 m. In another example, the coupling takes place, even if the performance is degraded, when the distance is between 1 m and 10 m.
  • the energy source 10 is connected to a resistor R0 in series with a transmission coil L0.
  • the winding E0 shown in FIG. 1 indeed has the parasitic resistance R0 in series with a transmission coil L0.
  • the rectifier 12 and the inverter 13 have not been shown for simplicity.
  • the emitter resonant circuit 1 consists of an RLC circuit. Indeed, the emitter resonant circuit 1 comprises a first inductor L1 in series with a first resistor R1 and a first capacitance C1.
  • the first winding E1 shown in FIG. 1 indeed has the parasitic resistance R1 in series with the first inductance L1.
  • the emission coil L0 is magnetically coupled to the first inductor L1.
  • the resonant receiver circuit 2 consists of an RLC circuit. Indeed, the resonant receiver circuit 2 comprises a second inductor L2 in series with a second resistor R2 and a second capacitance C2.
  • the second winding E2 shown in FIG. 1 indeed has the parasitic resistance R2 in series with the first inductance L2.
  • the second capacitance C2 comprises a polypropylene capacitor of at least 900 pF.
  • the emitter resonant circuit 1 and the resonant receiver circuit 2 are tuned.
  • the receiver resonant circuit and the emitter resonant circuit thus have substantially the same natural frequency.
  • a reception coil L3 is electrically connected to a resistor R3 schematically representing a parasitic resistance in series with the load constituted by the rectifier 11 and the battery 20 of FIG.
  • the winding E3 shown in FIG. 1 here comprises the parasitic resistance in series with the reception coil L3.
  • the receiving coil L3 is magnetically coupled to the second inductor L2.
  • the emitter resonant circuit 1 and the emission coil L0 are located on the ground, while the resonant receiver circuit 2 and the reception coil L3 are located on board the vehicle.
  • the second capacitance has a value C2 '
  • the second inductance has a value L2'
  • the second resistance has a value R2 '
  • the inductance value of the second inductance L2 varies in a predetermined manner.
  • the predetermined frequency being chosen so as to increase the amplitude of the alternating electric current flowing in the exponential growth resonant circuit 2.
  • the second capacitance C2 has a substantially constant value.
  • substantially constant value is meant the value of this capacitance, not including variations thereof due to temperature or wear or any other physical factor.
  • the predetermined frequency is equal to twice the natural frequency of the resonant circuit receiver to a tolerance e near. This tolerance is such that
  • the predetermined frequency is between (2xf2) - e and (2xf2) + e.
  • Such a predetermined frequency makes it possible to increase the amplitude of the electric current flowing in the resonant receiver circuit.
  • the predetermined pulse variation amplitude hoo is strictly greater than 2 x (R2 '/ L2') x V (L2 'x C2').
  • the second inductor L2 is here formed by a variable magnetic reluctance assembly comprising a rotor 6 and a stator 3 with the presence of an air gap between them.
  • the stator 3 comprises a solenoid 5 and a plurality of stator arms 4, the set of stator arms 4 forming a single magnetic pole when the solenoid 5 is traversed by an electric current. The pole is considered here on the side of the gap.
  • the rotor 6 comprises a plurality of rotor arms 7 forming a single magnetic pole when the solenoid 5 is traversed by an electric current. The pole is considered here on the side of the gap.
  • the solenoid 5 constitutes a winding.
  • the stator constitutes a fixed part and the rotor constitutes a movable part, relatively to the winding.
  • stator arms 4 are separated in pairs by a non-magnetic portion and two adjacent stator arms 4 are separated in pairs by a non-magnetic portion.
  • the number of stator arms 4 is equal to the number of rotor arms 7, in this case, this number is equal to 12.
  • the stator 3 has a plurality of projections, all the same polarity, this polarity in the direction of the north or south orientation, being a function of the phase of the current flowing through the solenoid 5.
  • the rotor 6 has a plurality of protrusions, all the same polarity, this polarity in the direction of the north or south orientation, being a function of the phase of the current flowing through the solenoid 5.
  • the stator 3 and the rotor 6 each have the same number of magnetic projections, separated by absence of magnetic matter.
  • Each stator arm 4 extends in a radial direction relative to the axis of rotation X of the rotor and comprises a laminated sheet of magnetic sheets whose stacking is carried out in a direction orthoradial with respect to the radial direction in which s' extends the stator arm 4.
  • the stack is made in a direction orthoradial with respect to the axis of rotation X of the rotor 6.
  • Each rotor arm 7 extends in a radial direction with respect to the axis of rotation X of the rotor and comprises a laminated sheet of magnetic sheets whose stacking is carried out in a direction orthoradial with respect to the radial direction in which s' extends the rotor arm 7.
  • the stack is made in a direction orthoradial with respect to the axis of rotation X of the rotor.
  • the rotor 6 comprises a shaft 8 which is made of a non-magnetic material. This allows the flow to pass only through the rotor arms 7 and not the shaft 8, in an axial direction.
  • the nonmagnetic shaft 8 of the rotor 6 is neither laminated nor made of soft ferrite in order to avoid the formation of harmful induced currents in said shaft 8.
  • each rotor arm 7 comprises a protruding portion, in particular disposed radially on the side of the axis of rotation X of the rotor 6. This makes it possible to channel the magnetic flux while allowing better mechanical support. of the assembly constituting the rotor 6.
  • the solenoid 5 has a plurality of coils extending concentrically.
  • the solenoid 5 may include a plurality of axially extending turns.
  • the solenoid 5 may comprise a single turn flat.
  • the turns are devoid of Litz wire.
  • the turns comprise Litz wire whose section has a diameter strictly greater than 0.2 mm, in particular strictly greater than 0.3 mm.
  • the solenoid 5 is arranged such that an alternating current flowing in the turns constituting it, with a frequency strictly less than 3 kHz.
  • This predetermined speed is considered steady state, that is to say at the end of an electro-mechanical transient regime.

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Abstract

Dispositif (100) de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger en énergie électrique un véhicule automobile, comportant : - une source d'énergie (10), notamment à courant alternatif, - un circuit résonnant émetteur (1) comportant une première capacitance (C1) et un premier enroulement (E1), le premier enroulement (E1) comportant une inductance et une première résistance, le circuit résonnant émetteur étant alimenté par la source d'énergie (10), - un circuit résonnant récepteur (2) comportant une deuxième capacitance (C2) et un deuxième enroulement (E2), le deuxième enroulement (E2) comportant une deuxième inductance, une deuxième résistance, caractérisé en ce que la valeur d'inductance de la deuxième inductance varie de manière prédéterminée

Description

DISPOSITIF DE TRANSMISSION DE PUISSANCE SANS CONTACT PAR COUPLAGE INDUCTIF A RESONANCE POUR RECHARGER UN VEHICULE AUTOMOBILE
La présente invention porte sur un circuit résonnant récepteur et sur un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance pour charger ou recharger un véhicule automobile.
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.
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.
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.
L’invention a pour but de pallier, au moins en partie, ces inconvénients.
A cet effet, l'invention a pour objet un circuit résonnant récepteur pour réaliser une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance avec un circuit résonnant émetteur comportant une première capacitance et un premier enroulement, le premier enroulement comportant une inductance et une première résistance,
le circuit résonnant récepteur 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 récepteur ayant une pulsation propre w2 telle que w2=1L/(I_2’ x C2’) et une fréquence propre f2 telle que f2 = w2 / (2tt), caractérisé en ce que la valeur d’inductance de la deuxième inductance (L2) varie de manière prédéterminée.
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.
Selon une mise en oeuvre, la deuxième inductance comporte un circuit magnétique.
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.
Selon une mise en oeuvre, le circuit magnétique de la deuxième inductance comporte au moins une partie mobile, relativement au deuxième enroulement.
Selon une mise en oeuvre, le circuit magnétique de la deuxième inductance comporte au moins une partie fixe, relativement au deuxième enroulement.
Selon une mise en oeuvre, la partie fixe et la partie mobile comportent un matériau ferromagnétique ou ferrimagnétique.
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. Selon une mise en œuvre, la partie mobile du circuit magnétique de la deuxième inductance, est mue par un moteur électrique.
Selon une mise en œuvre, la deuxième inductance est réalisée d’un seul tenant.
Selon une mise en œuvre, la deuxième inductance comporte un solénoïde, notamment de forme sensiblement aplatie.
Selon une mise en œuvre, 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 hto prédéterminée autour d’une valeur moyenne 2moy, avec to2moy = 1/V(L2moy x C2’).
L’invention permet ainsi de réaliser une amplification de l’amplitude du courant et de la tension, au niveau du circuit résonnant récepteur, avec un gain d’amplification suffisamment élevé pour permettre d’opérer à une fréquence plus basse, et/ou à une distance plus élevée.
Selon une mise en œuvre, la fréquence prédéterminée est choisie de sorte à faire croître l’amplitude du courant électrique circulant dans circuit résonnant récepteur, en croissance exponentielle.
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 œuvre d’une fréquence de niveau très faible par rapport à l’état de l’art.
Selon une mise en œuvre, la deuxième capacitance a une valeur sensiblement constante.
Selon une mise en œuvre, le circuit résonnant récepteur est agencé pour être accordé au circuit résonnant émetteur. En conséquence, le circuit résonnant récepteur et le circuit résonnant émetteur ont sensiblement la même fréquence propre. Selon une mise en œuvre, la fréquence prédéterminée est égale à deux fois la fréquence propre du circuit résonnant récepteur à une tolérance près.
Une telle fréquence prédéterminée permet de faire croître l’amplitude du courant électrique circulant dans circuit résonnant récepteur. Selon une mise en œuvre, la tolérance e est telle que e = V(((1 /2) x hL x üj2moy)2 - (R27 L2’)2).
Ainsi, la fréquence prédéterminée est comprise entre (2xf2) - e et (2xf2) + e.
Selon une mise en œuvre, l’amplitude de variation de pulsation prédéterminée hoo est supérieure strictement à 2 x (R2’ / L2’) x V(L2’ x C2’). Selon une mise en œuvre, la deuxième inductance est formée par un ensemble à réluctance magnétique variable comportant un rotor et un stator avec présence d’un entrefer entre eux,
- le stator (3) comportant 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 parcouru par un courant électrique et le pôle étant notamment considéré du côté de l’entrefer,
- le rotor (6) comportant une pluralité de bras rotoriques (7) formant un unique pôle magnétique lorsque le solénoïde (5) est parcouru par un courant électrique et le pôle étant notamment considéré du côté de l’entrefer. Selon une mise en œuvre, deux bras rotoriques adjacents sont séparés deux à deux par une portion amagnétique.
Selon une mise en œuvre, deux bras statoriques adjacents sont séparés deux à deux par une portion amagnétique.
Selon une mise en œuvre, le nombre de bras statoriques est égal au nombre de bras rotoriques.
En variante, le nombre de bras statoriques est différent du nombre de bras rotoriques
Selon une mise en œuvre, 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.
Selon une mise en oeuvre, l’empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à l’axe de rotation du rotor.
En variante, l’empilement est réalisé dans une direction parallèle à l’axe de rotation du rotor.
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.
Selon une mise en oeuvre, l’empilement est réalisé dans une direction orthoradiale par rapport à l’axe de rotation du rotor. En variante, l’empilement est réalisé dans une direction parallèle à l’axe de rotation du rotor.
Selon une mise en oeuvre, le rotor comporte un arbre amagnétique.
Ceci permet que le flux ne passe que par les bras rotoriques et non par l’arbre, dans une direction axiale. 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.
Ceci permet un bon maintien des bras rotoriques sur l’arbre et permet de limiter les flux de fuites en canalisant le flux magnétique issu d’une source magnétique externe. 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. Selon une mise en œuvre, le solénoïde est agencé de sorte qu’un courant alternatif circulant dans les spires soit inférieur strictement à 3 kHz.
Selon une mise en œuvre, 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.
Ceci permet de diminuer le nombre de fils et donc de simplifier grandement la mise en œuvre du solénoïde.
Selon une mise en œuvre, le rotor est accouplé à un moteur pour lui permettre d’être entraîné en rotation notamment à une vitesse prédéterminée W, cette vitesse étant exprimée en tours/s et étant telle que W = ((2 x f2) + e ) / (N), N étant le nombre de bras statoriques.
Selon une mise en œuvre, la deuxième capacitance comporte un condensateur polypropylène, notamment d’au moins 900 pF.
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 :
- une source d’énergie, notamment à courant alternatif,
- un circuit résonnant émetteur comportant une première capacitance et un premier enroulement, le premier enroulement comportant une inductance et une première résistance, le circuit résonnant émetteur étant alimenté par la source d’énergie,
- un circuit résonnant récepteur tel que décrit précédemment.
L'invention a encore pour objet un ensemble de charge ou de recharge sans contact d’un véhicule automobile, comportant :
- 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. 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.
La figure 1 est une représentation schématique d'un ensemble de charge ou de recharge sans contact d’un véhicule automobile selon l'invention;
La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance selon l'invention;
La figure 3 est une représentation schématique d'un ensemble à réluctance magnétique variable selon l'invention; et
La figure 4 est une représentation schématique de l'ensemble de la figure 3, selon la coupe A-A.
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.
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 1 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’enroulement E0 qui est alimenté via la connexion filaire à la source d’énergie 10. Cet enroulement E0 alimente alors le circuit résonnant émetteur 1 par couplage inductif. En variante non représentée, la source d’énergie 10 à courant alternatif pourrait alimenter directement le circuit résonnant émetteur 1 en courant alternatif.
Dans l'exemple de la figure 1 , le circuit résonnant émetteur 1 comportant une première capacitance C1 et un premier enroulement E1.
Le dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance 100 comporte en outre un circuit résonnant récepteur 2 comportant une deuxième capacitance C2 et un deuxième enroulement E2.
Lorsque le circuit résonnant émetteur 1 est couplé magnétiquement au circuit résonnant récepteur 2, il y a transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance au circuit résonnant récepteur 2. Ce couplage magnétique a lieu lorsque les premier E1 et deuxième E2 enroulements sont à proximité l'un de l'autre. Dans l’exemple considéré, ce couplage a lieu lorsque les premier E1 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 m.
Comme visible à la figure 2, la source d’énergie 10 est reliée à une résistance R0 en série avec une bobine d’émission L0. L’enroulement E0 représenté à la figure 1 comporte en effet la résistance parasite R0 en série avec une bobine d’émission L0. Sur la figure 2, le redresseur 12 et l’onduleur 13 n’ont pas été représentés pour plus de simplicité.
Comme visible à la figure 2, le circuit résonnant émetteur 1 est constitué d’un circuit RLC. En effet, le circuit résonnant émetteur 1 comporte une première inductance L1 en série avec une première résistance R1 et une première capacitance C1. Le premier enroulement E1 représenté à la figure 1 comporte en effet la résistance parasite R1 en série avec la première inductance L1.
La bobine d’émission L0 est couplée magnétiquement à la première inductance L1. Le circuit résonnant récepteur 2 est constitué d’un circuit RLC. En effet, le circuit résonnant récepteur 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.
La deuxième capacitance C2 comporte un condensateur polypropylène, d’au moins 900 pF.
Dans l’exemple représenté, le circuit résonnant émetteur 1 et le circuit résonnant récepteur 2 sont accordés. Le circuit résonnant récepteur et le circuit résonnant émetteur ont ainsi sensiblement la même fréquence propre.
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 la charge constituée par le redresseur 1 1 et la batterie 20 de la figure 1.
L’enroulement E3 représenté à la figure 1 comporte ici la résistance parasite en série avec la bobine de réception L3.
La bobine de réception L3 est couplée magnétiquement à la deuxième inductance L2.
Dans l'exemple des figures 1 et 2, le circuit résonnant émetteur 1 et la bobine d’émission L0 sont situés au sol, tandis que le circuit résonnant récepteur 2 et la bobine de réception L3 sont situés à bord du véhicule.
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 récepteur 1 a pour pulsation propre w2 telle que QJ2=1 /V(L2’ X C2’) et pour fréquence propre f2 telle que f2 = w2 / (2tt).
La valeur d’inductance de la deuxième inductance L2 varie de manière prédéterminée.
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 hto prédéterminée autour d’une valeur moyenne Qj2moy, avec to2moy = 1/V(L2moy x C2’).
La fréquence prédéterminée étant choisie de sorte à faire croître l’amplitude du courant électrique alternatif circulant dans le circuit résonnant récepteur 2, en croissance exponentielle.
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.
Le fréquence prédéterminée est égale à deux fois la fréquence propre du circuit résonnant récepteur à une tolérance e près. Cette tolérance e est telle que
Ainsi, la fréquence prédéterminée est comprise entre (2xf2) - e et (2xf2) + e.
Une telle fréquence prédéterminée permet de faire croître l’amplitude du courant électrique circulant dans circuit résonnant récepteur.
Selon une mise en oeuvre, l’amplitude de variation de pulsation prédéterminée hoo est supérieure strictement à 2 x (R2’ / L2’) x V(L2’ x C2’).
Un exemple de réalisation de la deuxième inductance L2 est décrit en lien avec les figures 3 et 4.
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 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. Ainsi, le solénoïde 5 constitue un enroulement. Le stator constitue une partie fixe et le rotor constitue une partie mobile, relativement à l’enroulement.
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.
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. 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.
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.
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. 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.
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 6. Ceci permet de canaliser le flux magnétique tout en permettant un meilleur maintien mécanique de l'ensemble constituant le rotor 6.
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.
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.
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.
Un moteur électrique non représenté est accouplé à l’arbre 8 pour permettre d’entrainer en rotation le rotor 6 à une vitesse prédéterminée W exprimée en tours/s et étant telle que W = ((2xfo) +/- e ) / (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.
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.
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.

Claims

REVENDICATIONS
1 Circuit résonnant récepteur (2) pour réaliser une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance avec un circuit résonnant émetteur (1 ) comportant une première capacitance (C1 ) et un premier enroulement (E1 ), le premier enroulement (E1 ) comportant une inductance (L1 ) et une première résistance (R1 ), le circuit résonnant récepteur (2) comportant une deuxième capacitance (C2) de valeur C2’ et un deuxième enroulement (E2), le deuxième enroulement (E2) comportant une deuxième inductance (L2) de valeur L2’, une deuxième résistance (R2) de valeur R2’, le circuit résonnant récepteur (2) ayant une pulsation propre w2 telle que w2=1L/(I_2’ x C2’) et une fréquence propre f2 telle que f2 = w2/(2tt),
caractérisé en ce que la valeur d’inductance de la deuxième inductance (L2) varie de manière prédéterminée.
2 Circuit (2) selon la revendication précédente, la valeur d’inductance de la deuxième inductance (L2) variant 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 hto prédéterminée autour d’une valeur moyenne to2moy, avec to2moy = 1/V(L2moy x C2’).
3 Circuit (2) selon la revendication précédente, la fréquence prédéterminée étant choisie de sorte à faire croître l’amplitude du courant électrique circulant dans le circuit résonnant récepteur (2), en croissance exponentielle.
4 Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le circuit résonnant récepteur (2) étant agencé pour être accordé au circuit résonnant émetteur (1 ). 5 Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la fréquence prédéterminée est égale à deux fois la fréquence propre du circuit résonnant récepteur (2) à une tolérance e près.
6 Circuit (2) selon la revendication précédente, la tolérance e étant telle que e = V(((1/2) x hL x to2moy)2 - (R27L2’)2). 7 Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, l’amplitude de variation de pulsation prédéterminée étant supérieure strictement à 2 x (R2’ / L2’) x V(L2’ x C2’).
8 Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, la deuxième inductance (L2) étant 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) comportant 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 parcouru par un courant électrique et le pôle étant notamment considéré du côté de l’entrefer,
- le rotor (6) comportant une pluralité de bras rotoriques (7) formant un unique pôle magnétique lorsque le solénoïde (5) est parcouru par un courant électrique et le pôle étant notamment considéré du côté de l’entrefer. 9 Circuit (2) selon la revendication précédente, le nombre de bras statoriques (4) étant égal au nombre de bras rotoriques (7).
1 Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications 8 à 9, chaque bras statorique (4) s’étendant dans une direction radiale par rapport à l’axe de rotation du rotor et comportant 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 (4).
1 Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, chaque bras rotorique (7) s’étendant dans une direction radiale par rapport à l’axe de rotation du rotor et comportant 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 (7).
12. Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, le solénoïde (5) comportant 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.
13. Circuit (2) selon l’une des revendications 8 à 13, le rotor (6) étant accouplé à un moteur pour lui permettre d’être entraîné en rotation notamment à une vitesse prédéterminée W, cette vitesse étant exprimée en tours/s et étant telle que W = ((2 x f2) ± e ) / (N), N étant le nombre de bras statoriques.
14. Circuit (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes, la deuxième inductance (L2) comportant un circuit magnétique, ledit circuit magnétique comportant au moins une partie mobile, relativement au deuxième enroulement (E2), la partie mobile étant notamment mue par un moteur électrique.
15. Dispositif (100) de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger en énergie électrique un véhicule automobile, comportant :
- une source d’énergie (10), notamment à courant alternatif,
- un circuit résonnant émetteur (1 ) comportant une première capacitance (C1 ) et un premier enroulement (E1 ), le premier enroulement (E1 ) comportant une inductance (L1 ) et une première résistance (R1 ), le circuit résonnant émetteur étant alimenté par la source d’énergie (10),
- un circuit résonnant récepteur (2) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
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