EP4725036A1 - Dispositif d'induction électromagnétique - Google Patents

Abstract

Dispositif d'induction électromagnétique (3) comportant : - un noyau ferromagnétique (1) comportant une colonne principale (9) et quatre colonnes de fuites (11) qui s'étendent parallèlement à un axe X les unes aux autres, - des premier (21) et deuxième bobinage (23) qui comportent chacun, en succession, un connecteur d'entrée (E1,E2), un organe linéairement conducteur (25,27) et un connecteur de sortie (S1,S2), l'organe linéairement conducteur comportant, en le parcourant depuis le connecteur d'entrée jusqu'au connecteur de sortie, une portion d'entrée (31,35), une portion intermédiaire (32,36) et une portion de sortie (33,37), les portions d'entrée (31,35) et les portions de sortie (33,37) des premier et deuxième bobinages étant enroulées chacune autour d'une colonne de fuite (11) différente, la portion intermédiaire (32) du premier bobinage (21) et la portion intermédiaire (36) du deuxième bobinage (23) étant enroulées autour de la colonne principale (9) selon des sens d'enroulement opposés.

Description

Description

Titre : Dispositif d’induction électromagnétique

La présente invention concerne un dispositif d’induction électromagnétique, un convertisseur de puissance comportant ce dispositif et un procédé de transfert de puissance électrique mettant en œuvre ce dispositif.

En particulier, l’invention concerne un dispositif d’induction électromagnétique présentant des premier et deuxième bobinages enroulés de manière spécifique afin d’induire des pertes d’inductance limitées lors d’un transfert de puissance électrique.

Le dispositif d’induction électromagnétique est avantageusement mis en œuvre dans un convertisseur de puissance, notamment pour le transfert électrique dans le domaine automobile, et plus spécifiquement pour la charge des véhicules automobiles électriques.

Dans un véhicule électrique, le moteur est généralement alimenté par des batteries qui lui délivrent la puissance électrique nécessaire à la mise en mouvement du véhicule.

A ce jour, les batteries peuvent être rechargées lors d’un arrêt du véhicule, en étant connectées électriquement à des bornes de distribution électrique fixes et reliées à un réseau de distribution électrique terrestre.

Une borne de distribution électrique comporte un convertisseur de puissance électrique qui convertit la tension alternative (AC) du réseau de distribution terrestre en une tension continue (DC) variable nécessaire à la recharge des batteries.

Les constructeurs automobiles visent à intégrer ce type de convertisseur au sein du véhicule, afin de réduire l’empreinte sur la voirie des bornes de distribution électrique.

En outre, une telle intégration autorise un fonctionnement réversible du convertisseur du véhicule. Autrement dit, outre son utilisation pour charger les batteries, le convertisseur peut être utilisé afin que les batteries du véhicule puissent fournir de l’énergie électrique au réseau de distribution électrique terrestre lors d’un arrêt du véhicule, si nécessaire.

Cependant, pour être intégré dans un véhicule automobile, un tel convertisseur de puissance doit être compact, c’est-à-dire présenter une densité volumique de puissance supérieure à 2 kW/1. A cette fin, il requiert des composants magnétiques et, plus particulièrement, des transformateurs fonctionnant à haute fréquence. Le convertisseur de puissance doit en outre être compatible avec le mode réversible et sa mise en œuvre doit être plus silencieuse que dans une borne de distribution.

Enfin, le convertisseur doit présenter un rendement élevé. L’énergie étant échangée plusieurs fois entre la batterie et le réseau de distribution électrique terrestre, les pertes d’inductance au sein du convertisseur doivent donc être minimisées lors du transfert de puissance.

Pour satisfaire ces contraintes, les convertisseurs du type à structure résonnante ou dit du type « LLC » et les convertisseurs du type à double pont actif ou dit du type, « DAB », acronyme anglais de « Dual Active Bridge », ont été proposés. Ces convertisseurs sont par exemple décrits dans S. Inoué et H. Akagi, « A Bidirectional DC-DC Converter for an Energy Storage System With Galvanic Isolation », IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 22, No. 6, 2007 et sont connus.

Un convertisseur du type LLC, illustré sur la figure 1, est basé sur l’intégration d’un étage de type résonant (« resonant tank » en anglais) comprenant un transformateur associé à des condensateurs de capacité 2C et des inductances montées en « série ».

Les inductances et les condensateurs sont choisis pour fonctionner en résonance à une fréquence égale à la fréquence nominale de commutation des commutateurs. Le transformateur est en outre agencé pour isoler galvaniquement les circuits d’entrée et de charge, et adapter la valeur de tension appliquée aux bornes de la charge.

Le convertisseur comprend un bobinage primaire et un bobinage secondaire enroulés autour d’un noyau magnétique, avec un rapport de nombre de tours n égal au rapport des tensions primaire et secondaire.

Dans un résonateur du type LLC, illustré schématiquement sur la figure 1, les composants en série résonants sont dupliqués de part et d'autre d’un même enroulement. L'inductance magnétisante du transformateur, fonction du nombre de spires du premier bobinage et de la géométrie du noyau est déterminée pour assurer le réglage du gain du convertisseur.

La topologie des convertisseurs de type DAB, illustrée schématiquement sur la figure 2, comprend des bras placés de part et d'autre du transformateur et qui sont dépourvus de capacité. Les inductances en série ont pour fonction de faire transiter la puissance. L'inductance magnétisante du transformateur n'est pas contrainte et doit seulement être assez élevée pour obtenir un bon taux d'utilisation. Toutefois, dans cette topologie bidirectionnelle, il est préférable de mettre en œuvre quatre inductances montées en série avec le transformateur de façon à avoir un circuit symétrique et ainsi limiter les perturbations de mode commun à faible niveau qui réduisent de fait la taille du filtrage en entrée.

WO 2020/115389 Al décrit un dispositif d’induction électromagnétique intégré au sein d’un convertisseur du type DAB, qui présente l’avantage d’être compact. Cependant, les flux magnétiques additionnels que ce dispositif peut générer peuvent contribuer significativement aux pertes magnétiques du noyau, aussi dénommées « pertes fer » s’ils ne sont pas dirigés de manière adéquate.

Il existe donc un besoin pour un dispositif d’induction électromagnétique qui permet de limiter ces pertes, en particulier pour une application au sein d’un convertisseur de puissance électrique, notamment du type LLC ou de préférence du type DAB.

L’invention concerne un dispositif d’induction électromagnétique comportant :

- un noyau ferromagnétique comportant une colonne principale et quatre colonnes de fuite qui s’étendent parallèlement à un axe X les unes aux autres,

- un premier bobinage et un deuxième bobinage qui comportent chacun, en succession, un connecteur d’entrée, un organe linéairement conducteur et un connecteur de sortie connectés électriquement en série, l’organe linéairement conducteur comportant, en le parcourant depuis le connecteur d’entrée jusqu’au connecteur de sortie, une portion d’entrée, une portion intermédiaire, et une portion de sortie, les portions d’entrée et les portions de sortie des premier et deuxième bobinages étant enroulées chacune autour d’une colonne de fuite différente, la portion intermédiaire du premier bobinage et la portion intermédiaire du deuxième bobinage étant enroulées autour de la colonne principale, le sens d’enroulement de la portion intermédiaire du premier bobinage étant opposé au sens d’enroulement de la portion intermédiaire du deuxième bobinage.

Comme cela apparaîtra plus en détail par la suite, les inventeurs ont constaté que cette disposition spécifique des enroulements des premier et deuxième bobinages permet de limiter significativement les pertes d’inductance d’un convertisseur de puissance comportant le dispositif d’induction électromagnétique selon l’invention.

Le sens d’enroulement de chaque portion autour de la colonne correspondante est défini en parcourant l’organe linéairement conducteur correspondant depuis le connecteur d’entrée jusqu’au connecteur de sortie, avec l’axe d’extension de la colonne principale et les axes d’extension de chacune des colonnes de fuite orientés dans le même sens, et en observant les premier et deuxième bobinages à partir d’un même lieu d’observation et selon une direction d’observation parallèle à l’axe d’extension de la colonne principale.

De préférence, le sens d’enroulement de la portion intermédiaire du premier bobinage est opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée du premier bobinage et/ou au sens d’enroulement de la portion de sortie du premier bobinage, et le sens d’enroulement de la portion intermédiaire du deuxième bobinage est opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée du deuxième bobinage et/ou au sens d’enroulement de la portion de sortie du deuxième bobinage.

De préférence, le sens d’enroulement de la portion intermédiaire du premier bobinage est opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée du premier bobinage et identique au sens d’enroulement de la portion de sortie du premier bobinage, ou vice versa, et le sens d’enroulement de la portion intermédiaire du deuxième bobinage est opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée du deuxième bobinage et identique au sens d’enroulement de la portion de sortie du deuxième bobinage, ou vice versa.

De préférence, le sens d’enroulement de la portion d’entrée du premier bobinage et le sens d’enroulement de la portion d’entrée du deuxième bobinage sont identiques, et le sens d’enroulement de la portion de sortie du premier bobinage et le sens d’enroulement de la portion de sortie du deuxième bobinage sont identiques.

L’organe linéairement conducteur du premier bobinage et l’organe linéairement conducteur du deuxième bobinage sont dénommés premier organe linéairement conducteur et deuxième organe linéairement conducteur respectivement.

L’organe linéairement conducteur du premier bobinage et/ou l’organe linéairement conducteur du deuxième bobinage sont par exemple un fil plein, un fil de Litz ou un câble, par exemple fait d’un alliage à base de cuivre ou d’aluminium.

Chacune des portions des premier et deuxième organes linéairement conducteurs comporte au moins une, de préférence plusieurs, spire(s) enroulée(s) autour de la colonne correspondante.

De préférence, le noyau ferromagnétique comporte des plateaux inférieur et supérieur, les colonnes de fuite et la colonne principale s’étendant depuis le plateau inférieur jusqu’au plateau supérieur. Autrement dit, les colonnes de fuite et la colonne principale sont de préférence en contact avec les plateaux inférieur et supérieur.

De préférence, le premier bobinage est muni d’au moins un identifiant du connecteur d’entrée du premier bobinage et/ou au moins un identifiant du connecteur de sortie du premier bobinage et le deuxième bobinage est muni d’au moins un identifiant du connecteur d’entrée du deuxième bobinage et/ou au moins un identifiant du connecteur de sortie du deuxième bobinage. L’identifiant d’un desdits connecteurs facilite la distinction entre les connecteurs d’entrée et de sortie d’un bobinage et simplifie le raccordement électrique du dispositif d’induction électromagnétique.

Au moins une des colonnes de fuite, de préférence toutes les colonnes de fuite et/ou la colonne principale peuvent présenter chacune un entrefer qui s’étend de préférence transversalement à l’axe X.

Les colonnes de fuite et la colonne principale peuvent être cylindriques de révolution.

Les colonnes de fuite sont de préférence disposées régulièrement, radialement et/ou angulairement, autour de l’axe d’extension de la colonne principale.

De préférence, les colonnes de fuite autour desquelles le premier bobinage est enroulé sont disposées d’un côté d’un plan médian du noyau ferromagnétique, de préférence contenant l’axe d’extension de la colonne principale, les colonnes de fuite autour desquelles le deuxième bobinage est enroulé étant disposées de l’autre côté du plan médian.

Par ailleurs, le dispositif comporte de préférence des colonnes de retour, s’étendant parallèlement à la colonne principale et part en part depuis le plateau inférieur jusqu’au plateau supérieur. Les colonnes de retour sont de préférence symétriques l’une de l’autre par rapport à l’axe d’extension de la colonne principale. Chaque colonne de retour peut être disposée entre deux colonnes de fuite.

L’invention concerne encore un convertisseur de puissance électrique, de préférence du type à double pont actif ou du type à structure résonnante, comportant le dispositif d’induction électromagnétique selon l’invention.

De préférence, le convertisseur comporte un organe de commande configuré pour que le déphasage entre les courants circulant dans les premier et deuxième bobinage soit inférieur ou égal à 50°. L’invention concerne par ailleurs un procédé de transfert de puissance entre une source d’énergie électrique et un appareil relié électriquement l’un à l’autre par le convertisseur de puissance électrique selon l’invention, le procédé comportant la circulation d’un premier courant électrique en provenance de la source d’énergie électrique dans le premier bobinage du dispositif d’induction électromagnétique et l’induction d’un deuxième courant électrique circulant dans le deuxième bobinage du dispositif d’induction électromagnétique avec un déphasage entre les premier et deuxième courant électriques inférieur ou égal à 50°.

Selon un premier mode de mise en œuvre, la source d’énergie électrique est une centrale de production électrique reliée électriquement au convertisseur de puissance électrique par l’intermédiaire d’un réseau de distribution électrique terrestre et l’appareil est une batterie d’un véhicule automobile. Le premier bobinage et le deuxième bobinage du dispositif d’induction électromagnétique définissent alors respectivement un bobinage primaire et un bobinage secondaire du dispositif d’induction électromagnétique.

Selon un deuxième mode de mise en œuvre, la source d’énergie électrique est une batterie d’un véhicule automobile et l’appareil est relié électriquement au convertisseur de puissance électrique par un réseau de distribution électrique terrestre. Le premier bobinage et le deuxième bobinage du dispositif d’induction électromagnétique définissent alors respectivement un bobinage secondaire et un bobinage primaire du dispositif d’induction électromagnétique.

De préférence, le convertisseur est configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l’invention. De préférence, il est adapté à mettre en œuvre les premier et deuxième modes de mises en œuvre du procédé.

L’invention concerne enfin un véhicule automobile comportant le convertisseur de puissance électrique selon l’invention.

Brève description des dessins

D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée présentée à titre illustratif et non limitatif, et du dessin annexé dans lequel :

[Fig. 1] et [Fig. 2] représentent schématiquement des topologies de convertisseur du type LLC et DAB de l’art antérieur respectivement ; [Fig. 3] est une vue en perspective le noyau d’un exemple de dispositif électromagnétique ;

[Fig. 4] sont des vues schématiques de dessus d’une coupe du dispositif de la figure 3 selon un plan longitudinal médian, pour trois variantes a) à c) de réalisation de l’invention ; avec représentés à gauche le premier bobinage et à droite le deuxième bobinage

[Fig. 5] sont des vues schématiques de dessus d’une coupe du dispositif de la figure 3 selon un plan longitudinal médian, pour trois variantes a) à c) hors de l’invention ; avec, représentés à gauche le premier bobinage et à droite le deuxième bobinage;

[Fig. 6] représente schématiquement le circuit électrique équivalent d’un exemple de convertisseur de type de DAB intégrant le dispositif illustré sur les figures 4 et 5 ;

[Fig. 7] est un graphique illustrant l’évolution des pertes d’inductance, exprimées en W, en fonction du déphasage entre les courants circulant dans les premier et deuxième bobinages respectivement, exprimé en ° pour les différentes variantes selon l’invention et hors invention illustrées sur les figures 4 et 5,

[Fig. 8] est un graphique illustrant l’évolution des pertes d’inductance, exprimées en W, en fonction du déphasage entre les courants circulant dans les premier et deuxième bobinages respectivement, exprimé en ° pour deux variantes préférées de l’invention et pour un dispositif de l’art antérieur et

[Fig. 9] et [Fig. 10] sont des vues schématiques de dessus de coupes de variantes du dispositif de la figure 3 selon un plan longitudinal médian.

Description détaillée

Les figures 1 et 2 ont été présentées précédemment dans la description de l’art antérieur.

On a illustré sur la figure 3 le noyau ferromagnétique 1 d’un exemple de dispositif électromagnétique 3 selon l’invention.

Le noyau électromagnétique 1 peut comprendre un matériau choisi parmi MnZn, NiZn et leurs mélanges. Il peut être fritté.

Le noyau 1 comporte un plateau inférieur 5 et un plateau supérieur 7 qui s’étendent préférentiellement parallèlement l’un à l’autre et qui sont disposés en face à face. Les plateaux inférieur et supérieur sont par exemple des plaques. Ils peuvent présenter une forme générale parallélépipédique, ou une forme d’un disque, comme illustré sur la figure 8. Les plateaux inférieur et/ou supérieur peuvent comporter une ou plusieurs échancrures 10, comme illustré sur la figure 10, notamment pour réduire la masse du noyau.

Le noyau 1 comporte en outre une pluralité de colonnes qui s’étendent de part en part du plateau inférieur 5 jusqu’au plateau supérieur 7. La pluralité de colonnes est perpendiculaire aux plateaux inférieur et supérieur.

La pluralité de colonnes comporte une colonne principale 9, quatre colonnes de fuite 11 et deux colonnes de retour 13 qui sont parallèles les unes aux autres et à un axe X.

Les colonnes présentent chacune une forme allongée, par exemple d’un barreau. Elles peuvent être pleines ou creuses.

De préférence, la colonne principale et/ou les colonnes de fuite présentent une forme générale cylindrique de révolution.

La colonne principale 9 est disposée au centre du noyau ferromagnétique 1. Les colonnes de fuite 11 sont disposées radialement à une même distance de la colonne principale. La distance radiale entre la colonne principale 9 et une colonne de fuite 11 est la distance entre les axes d’extensions desdites colonnes, mesurée perpendiculairement auxdites colonnes.

Les colonnes de fuite 11 sont en outre symétriques les unes des autres par rapport à deux plans médians transversaux du noyau qui contiennent chacun l’axe d’extension de la colonne principale et qui sont perpendiculaires. Dans une variante, les colonnes de fuite peuvent être disposés de manière régulière angulairement. Autrement dit, l’angle entre deux rayons joignant chaque paire de deux colonnes de fuite adjacentes à la colonne principale peut être constant.

Les colonnes de fuite 11 comportent chacune un entrefer 15. L’entrefer peut être disposé au centre de la colonne de fuite 11 correspondante. De préférence, il est disposé plus proche du plateau inférieur 5 ou du plateau supérieur 7, de manière à procurer une surface d’enroulement suffisante pour un bobinage et/ou à limiter l’impact des flux électromagnétiques rayonnants qui peuvent conduire à une augmentation de la résistance électrique des conducteurs électriques formant le bobinage. Dans une variante non représentée, la colonne principale peut comporter un entrefer. Le noyau ferromagnétique 1 comporte de préférence deux demi-noyaux 17, qui peuvent être séparés l’une de l’autre par un plan longitudinal P.

Le plan longitudinal P peut être médian comme illustré sur la figure 3. Chacun des demi-noyaux peut ainsi être obtenu séparément, par exemple par frittage et les parties sont assemblées, par exemple serrées sur l’une contre l’autre à l’aide d’un clip de serrage externe.

Les colonnes de retour 13 sont disposées de manière diamétralement opposée à la colonne principale 9.

Le dispositif d’induction électromagnétique comporte par ailleurs un premier bobinage 21 et un deuxième bobinage 23.

Les premier 21 et deuxième 23 bobinages comportent respectivement des premier 25 et deuxième 27 organes linéaires électriquement conducteur.

La figure 4 est une vue selon l’axe X de la coupe selon le plan médian longitudinal P de différentes configurations a) à c) d’enroulement des premier 21 et deuxième 23 bobinages selon l’invention.

Pour faciliter la visualisation des enroulements, on a illustré pour chacune des configurations a) à c), seulement l’enroulement du premier bobinage 21 à gauche et seulement l’enroulement du deuxième bobinage 23 à droite. Bien évidemment, le dispositif d’induction électromagnétique 3 selon l’invention comporte conjointement ces deux bobinages.

Le premier bobinage comporte un connecteur d’entrée El et un connecteur de sortie SI qui sont fixés à chacune des extrémités opposées du premier organe linéaire électriquement conducteur 23. Le deuxième bobinage comporte un connecteur d’entrée E2 et un connecteur de sortie S2 qui sont fixés à chacune des extrémités opposées du deuxième organe linéaire électriquement conducteur 27.

Chacun des premier et deuxième bobinage comporte de préférence un identifiant qui permet d’identifier facilement le connecteur d’entrée du connecteur de sortie correspondant. L’identifiant est par exemple une marque colorée appliquée sur au moins un des connecteurs, par exemple une marque verte sur le connecteur d’entrée et une marque rouge sur le connecteur de sortie. En variante, il peut être une lettre, par exemple un « I », initiale du mot « input » en anglais (dont la traduction en français est le mot « entrée »), pour le connecteur d’entrée et un « O », initiale du mot « output » en anglais (dont la traduction en français est le mot « sortie »), pour le connecteur de sortie. Selon encore une autre variante, le connecteur d’entrée et/ou le connecteur de sortie d’un des premier et deuxième bobinages peut comporter un détrompeur pour empêcher un branchement inadapté. Bien évidemment, ces différents types d’ identifiant peuvent être combinés ensemble.

Pour chacune des configurations a) à c) de la figure 3, le premier bobinage 21 comporte une portion d’entrée 31, fixée sur le connecteur d’entrée El et qui est enroulée autour d’une colonne de fuite 11. La portion d’entrée 31 est prolongée par une portion intermédiaire 32 enroulée autour de la colonne principale 9. La portion intermédiaire 32 est prolongée par une portion de sortie 33 enroulée autour d’une autre colonne fuite et qui est reliée au connecteur de sortie SL Pour ce qui concerne le deuxième bobinage, il comporte une portion d’entrée 35, fixée sur le connecteur d’entrée E2 et qui est enroulée autour d’une colonne de fuite 11, différente de celles autour desquelles le premier bobinage 21 est enroulé. La portion d’entrée 35 est prolongée par une portion intermédiaire 36 enroulée autour de la colonne principale 9. La portion intermédiaire 36 est prolongée par une portion de sortie 37 enroulée autour d’une colonne de fuite 11 différente de celle sur laquelle la portion d’entrée 35 du deuxième bobinage est enroulée et différente de celles sur lesquelles le premier bobinage 21 est enroulé. La portion de sortie 37 du deuxième organe linéaire conducteur est reliée au connecteur de sortie S2.

Par ailleurs, la convention suivante a été adoptée en parcourant le premier bobinage 21 et le deuxième bobinage 23 depuis leurs connecteurs d’entrée respectifs El, E2 jusqu’à leur connecteurs de sortie respectifs SI, S2, et en orientant tous les axes d’extension des colonnes de fuite et de la colonne principale dans le même sens.

Dans l’exemple illustré sur les figures 4 et 5, le sens d’enroulement de chaque portion est indiqué par les flèches le long des premier 25 et deuxième 27 organes électriquement conducteurs en partant des connecteurs d’entrée respectifs El, E2, jusqu’aux connecteurs de sortie respectifs SI, S2. En outre, lorsqu’une portion parmi les portions d’entrée, intermédiaire et de sortie d’un des premier ou deuxième bobinage est représentée enroulée dans le sens horaire, elle sera indiquée comme étant enroulée dans le sens « S » et dans le sens « N » si elle est enroulée dans le sens anti-horaire. Au centre de chaque colonne de fuite et dans la colonne principale, on a matérialisé le sens du flux magnétique induit en parcourant la portion correspondante de l’organe électriquement conducteur depuis l’entrée jusqu’à la sortie du bobinage. Selon cette nomenclature, la succession de trois lettres parmi N et S indique le sens d’enroulement de chacune des portions d’entrée, intermédiaire et de sortie du bobinage.

Par exemple, l’attribution « NSN » à un bobinage signifie qu’en parcourant ce dernier du connecteur d’entrée jusqu’au connecteur de sortie, la portion d’entrée est enroulée dans le sens anti-horaire, la portion intermédiaire est orientée dans le sens horaire et la portion de sortie est orientée dans le sens anti-horaire.

Les exemples illustrés sur la figure 4 sont tous selon l’invention. En particulier, comme cela peut être observé sur ces figures, ils présentent tous une portion intermédiaire 32 du premier bobinage 21 qui est enroulée autour de la colonne principale 9 dans un sens d’enroulement opposé à celui de la portion intermédiaire 36 du deuxième bobinage 23.

La figure 5 présente trois configurations comparatives d’enroulement des premier et deuxième bobinages dans lesquelles les portions intermédiaires 32, 36 des premier 21 et deuxième 23 bobinages sont enroulés dans un même sens en parcourant les premier et deuxième bobinages de leur connecteur d’entrée vers leur connecteur de sortie respectifs.

En fonctionnement, une partie du flux magnétique généré par les courants circulant dans les premier et deuxième bobinages circule depuis la colonne principale 9 vers les plateaux inférieur 5 et supérieur 7 avant de revenir vers la colonne principale. Par ailleurs, le flux magnétique généré par chacune des colonnes de fuite 11 peut circuler vers la colonne principale 9 et/ou dans une colonne de retour 13 en traversant ou non l’entrefer 15 en fonction du sens du bobinage. Chaque colonne de fuite peut donc induire deux trajets de circulation du flux magnétique, dont la génération peut être couplée aux flux magnétiques générés par les autres colonnes de fuite.

Exemples

L’exemple suivant présente un dimensionnement d’un dispositif tel que décrit sur les figures 3 et 4 et les propriétés de ce dispositif ont été simulées numériquement.

Notamment, le tableau 1 présente les spécifications d’un convertisseur de puissance électrique 38 du type DAB, dans lequel le dispositif est intégré. La figure 6 illustre schématiquement le circuit électrique équivalent de convertisseur.

[Table 1]

Tableau 1

Le noyau ferromagnétique est formé de l’alliage 3C95 commercialisé par la société Ferroxcube®. Les pertes d’inductance ont été calculées à une température moyenne de 80°.

Le noyau présente un volume de 63 cm³ et présente une masse de 300 g. Le volume d’encombrement du noyau, comprenant le volume d’air entre les colonnes est de 100 cm³. Un tel noyau présente un gain en masse d’environ 50 % par rapport à un dispositif de l’art antérieur de référence dans lequel les inductances en série sont disposées à l’extérieur du noyau.

La colonne principale présente un diamètre de 26 mm. Le diamètre de chaque colonne de fuite est égal à 14 mm. Le premier enroulement comporte 5 spires autour de chacune des colonnes de fuite autour desquelles il est enroulé, et 7 spires sur la colonne principale. Le deuxième enroulement comporte 5 spires autour de chacune des colonnes de fuite autour desquelles il est enroulé et 21 spires sur la colonne principale.

Les propriétés électromagnétiques ont été simulées en fixant le déphasage souhaité entre le courant circulant dans le premier bobinage, faisant office de primaire, et le second bobinage, faisant office de secondaire, pour un convertisseur de puissance dans lequel les dispositifs selon l’invention illustrés sur la figure 4 a) à c) et les dispositifs hors invention illustrés sur la figure 5 a) à c) ont été intégrés.

Les pertes d’inductance ont été mesurées pour différents déphasages fixés entre les courants circulant dans les premier et deuxième bobinages, compris entre 15° et 90°, et notamment pour des déphasages inférieurs ou égaux à 70°, qui sont caractéristiques des déphasages généralement mis en œuvre au sein d’un convertisseur du type DAB. Elles sont illustrées sur la figure 7.

Il est observé pour les exemples hors invention (configuration d’enroulement de bobinages NNN-NNN, NSN-NSN et NS S-NS S), que les pertes d’inductance sont plus élevées que pour les exemples selon l’invention (configuration de bobinages NNN-SSS, NSN-SNS et NSS-SNN), sur la plage de déphasage considérée comprise entre 15° et 70°.

Des différences de pertes d’inductances existent pour les configurations d’enroulement de bobinages selon l’invention. Sans être liés par une quelconque théorie, les inventeurs sont d’avis que ces différences résultent de concentrations de flux magnétiques locales dans le noyau dont l’intensité dépend de la configuration de bobinage des jambes de fuite. Par exemple, la configuration d’enroulement « NSN-NSN », présentée à titre d’exemple comparatif, est moins performante que les autres configurations d’enroulement parce qu’elle concentre environ deux fois plus de pertes d’inductance dans les plaques inférieure 5 et supérieure 7 que les exemples de configurations d’enroulement selon l’invention dans lesquelles les sens d’enroulement des portions intermédiaires des premier et deuxième bobinages sont opposés, pour un déphasage de 90°. En outre, pour un déphasage de 90°, dans les jambes de retour 13 elle concentre environ huit fois plus de pertes d’inductance que l’exemple de configuration d’enroulement « NSS-SNN » selon l’invention, et environ trois fois plus de pertes d’inductance que l’exemple de configuration d’enroulement « NNN-SSS » selon l’invention.

L’exemple de configuration d’enroulement « NNN-SSS » selon l’invention est moins performant que l’exemple de configuration « NSS-SNN » selon l’invention, parce qu’il génère plus de pertes d’inductance dans les jambes de retour 13 (environ 2,4 fois). Un autre exemple de configuration d’enroulement avantageux, non représenté est la configuration « SNN-SSN » selon l’invention, dans laquelle :

- les sens d’enroulements des portions d’entrée des bobinages primaire et secondaire sont identiques,

- les sens d’enroulements des portions de sortie des bobinages primaire et secondaire sont identiques, et

- les sens d’enroulements des portions intermédiaires des bobinages primaire et secondaire sont opposés.

Cet exemple permettrait d’obtenir d’avoir un gain d’environ 3% par rapport à l’exemple de configuration « NSS-SNN » grâce à un abaissement des pertes d’inductance d’environ 20% dans les jambes de retour (13) (où les pertes sont assez faibles globalement -3-4W par rapport aux ~45W de pertes totales). Le déphasage considéré dans ces comparaisons est toujours de 90°.

Le dispositif selon l’invention permet ainsi de réduire les pertes d’inductance avec des configurations de bobinages qui induisent des flux magnétiques qui sont de sens opposé dans la colonne principale.

Les configurations d’enroulement des premier et deuxième bobinages selon l’invention qui sont les plus favorables sont du type NNN-SSS et NSS-SNN. Ces configurations sont comparées au dispositif d’induction électromagnétique de référence, comportant un noyau dans lequel la colonne principale et les quatre inductances externes sont bobinées et distantes du noyau. La colonne principale est bobinée avec 7 spires au primaire et 21 spires au secondaire. Les inductances externes de 5pH définissent les inductance LrPl, LrPl, LrSl et LrS2 de la figure 3. Le déphasage entre les tensions primaire et secondaire a été fixé à différentes valeurs comprises entre 15° et 90°.

Comme cela peut être observé sur la figure 8, jusqu’à un déphasage d’environ 50°, la conversion de puissance électrique au moyen du dispositif selon l’invention selon les configurations d’enroulement des premier et deuxième bobinages NNN-SSS et NSS-SNN est effectuée avec moins de pertes d’inductance qu’avec le dispositif de référence. Le dispositif selon l’invention est donc particulièrement bien adapté à une application au sein d’un convertisseur de puissance du type DAB, dans lequel le déphasage est généralement contrôlé à une valeur optimale d’environ 30°, comme cela a été défini dans « Design Optimization of High Frequency Transformer for Dual Active Bridge DC-DC Converter », K.D. Hoang et J. Wang, DOI: 10.1109/ICElMach.2012.6350205.

Par ailleurs, même si les pertes sont plus élevées pour des déphasages supérieurs à 50°, le dispositif selon l’invention est toutefois plus compact que le dispositif de référence, et présente donc un avantage sur ce dernier lorsqu’il doit être installé dans un espace exigu.

Claims

Revendications

1. Dispositif d’induction électromagnétique (3) comportant :

- un noyau ferromagnétique (1) comportant une colonne principale (9) et quatre colonnes de fuites (11) qui s’étendent parallèlement à un axe X les unes aux autres,

- un premier bobinage (21) et un deuxième bobinage (23) qui comportent chacun, en succession, un connecteur d’entrée (E1,E2), un organe linéairement conducteur (25,27) et un connecteur de sortie (S1,S2) connectés électriquement en série, l’organe linéairement conducteur comportant, en le parcourant depuis le connecteur d’entrée jusqu’au connecteur de sortie, une portion d’entrée (31,35), une portion intermédiaire (32,36) et une portion de sortie (33,37), les portions d’entrée (31,35) et les portions de sortie (33,37) des premier et deuxième bobinages étant enroulées chacune autour d’une colonne de fuite (11) différente, la portion intermédiaire (32) du premier bobinage (21) et la portion intermédiaire (36) du deuxième bobinage (23) étant enroulées autour de la colonne principale (9), le sens d’enroulement de la portion intermédiaire (32) du premier bobinage étant opposé au sens d’enroulement de la portion intermédiaire (36) du deuxième bobinage.

2. Dispositif selon la revendication 1, le sens d’enroulement de la portion intermédiaire (32) du premier bobinage étant opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée (31) du premier bobinage et/ou au sens d’enroulement de la portion de sortie (33) du premier bobinage, et le sens d’enroulement de la portion intermédiaire (36) du deuxième bobinage étant opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée (35) du deuxième bobinage et/ou au sens d’enroulement de la portion de sortie (37) du deuxième bobinage.

3. Dispositif selon la revendication 1, le sens d’enroulement de la portion intermédiaire (32) du premier bobinage étant opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée (31) du premier bobinage et identique au sens d’enroulement de la portion de sortie (33) du premier bobinage, ou vice versa, et le sens d’enroulement de la portion intermédiaire (36) du deuxième bobinage étant opposé au sens d’enroulement de la portion d’entrée (35) du deuxième bobinage et identique au sens d’enroulement de la portion de sortie (37) du deuxième bobinage, ou vice versa.

4. Dispositif selon la revendication 3, le sens d’enroulement de la portion d’entrée (31) du premier bobinage et le sens d’enroulement de la portion d’entrée (35) du deuxième bobinage étant identiques, et le sens d’enroulement de la portion de sortie (33) du premier bobinage et le sens d’enroulement de la portion de sortie (37) du deuxième bobinage étant identiques.

5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le premier bobinage étant muni d’au moins un identifiant du connecteur d’entrée du premier bobinage et/ou au moins un identifiant du connecteur de sortie du premier bobinage et le deuxième bobinage étant muni d’au moins un identifiant du connecteur d’entrée du deuxième bobinage et/ou au moins un identifiant du connecteur de sortie du deuxième bobinage.

6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le noyau ferromagnétique (1) comportant des plateaux inférieur (5) et supérieur (7), les colonnes de fuite (11) et la colonne principale (9) s’étendant depuis le plateau inférieur jusqu’au plateau supérieur.

7. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une des colonnes de fuite (11), de préférence toutes les colonnes de fuite, et/ou la colonne principale (9) présentant chacune un entrefer (15) qui s’étend de préférence transversalement à l’axe X.

8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les colonnes de fuite et la colonne principale étant cylindriques de révolution.

9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les colonnes de fuite étant disposées régulièrement, radialement et/ou angulairement, autour de l’axe d’extension de la colonne principale.

10. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, les colonnes de fuite autour desquelles le premier bobinage est enroulé étant disposées d’un côté d’un plan médian du noyau ferromagnétique, de préférence contenant l’axe d’extension de la colonne principale, les colonnes de fuite autour desquelles le deuxième bobinage est enroulé étant disposées de l’autre côté du plan médian.

11. Convertisseur de puissance électrique (38), de préférence du type à double pont actif ou du type à structure résonnante, comportant le dispositif d’induction électromagnétique (3) selon l’une quelconque des revendications 1 à 10.

12. Procédé de transfert de puissance électrique entre une source d’énergie électrique (40) et un appareil (42) relié électriquement l’un à l’autre par le convertisseur de puissance électrique (38) selon la revendication précédente, le procédé comportant la circulation d’un premier courant électrique (Ii) en provenance de la source d’énergie électrique dans le premier bobinage du dispositif d’induction électromagnétique (3) et l’induction d’un deuxième courant électrique (I2) circulant dans le deuxième bobinage du dispositif d’induction électromagnétique (3) avec un déphasage entre les premier et deuxième courant électriques inférieur ou égal à 50°.

13. Procédé selon la revendication 12, la source d’énergie électrique étant une centrale de production électrique reliée électriquement au convertisseur de puissance électrique par l’intermédiaire d’un réseau de distribution électrique terrestre et l’appareil étant une batterie d’un véhicule automobile.

14. Procédé selon la revendication 12, la source d’énergie électrique étant une batterie d’un véhicule automobile et l’appareil étant relié électriquement au convertisseur de puissance électrique par un réseau de distribution électrique terrestre.

15. Véhicule automobile comportant le convertisseur de puissance électrique selon la revendication 11.