WO2017178967A1 - Dispositif de sécurité pour la transmission d'énergie sans contact par induction magnétique - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to contactless energy transfer by magnetic induction. It concerns more precisely the non-contact charging of electric vehicles.
- the transfer of electrical energy without contact is usually carried out by means of an electrical transformer (FIG. 1).
- the primary and secondary coils are coupled by a magnetic flux induction circulating in a stack of ferromagnetic sheets, much more permeable than air.
- N Number of windings in series of winding
- Fig. 3 shows the distribution of the magnetic field around a coil without a ferromagnetic structure and shows the coupling variation as a function of distance with a second coil.
- a simple rule is to choose an inter-reel distance less than half the smallest dimension of the reel (width).
- Non-contact energy transmission is achieved by means of a power electronics according to the following process, starting from a conventional alternating network at 50 or 60 Hz® (FIG. 7):
- the key element is the inverter generating the high-frequency AC, typically 20 to 150 kHz depending on the power. It is composed of an H transistor bridge, generally composed of 4 transistors (T1 to T4) and 4 diodes (D1 to D4).
- Fig 8 illustrates the diagram.
- the series-series resonance variant has many advantages for charging batteries or supercapacitors. It is explained below
- the primary and secondary coil assembly with the capacitors and the load can be represented by a detailed equivalent scheme. To do this, it is possible to use the ideal transformer concept (Fig 13).
- Fig. 14 shows the complete equivalent diagram of a transformer with resistive load.
- Fig. 15 shows the complete equivalent diagram of a series-series resonant transformer with resistive load.
- Fig 16 shows the same equivalent scheme with load on a reduced equivalent battery level before rectifier.
- the leakage reactances change as well as the mutual one, but their sum (the clean inductance) remains constant. This makes the transmission independent of the position in terms of resonance.
- the primary power factor remains constant equal to 1.
- FIG. 17 resumes the diagram of FIG. 16 by neglecting the resistors R 1 and R 2b.
- Relationship (6) shows that the primary current is proportional to the secondary voltage.
- the secondary current is adjustable by the primary voltage and the primary current is proportional to the secondary voltage. In particular, this is ideal for charging supercapacitors.
- this series-series diagram with power factor equal to 1, does not support idle engagement or with bad coupling between coils due to a gap between them.
- the diagram becomes that of FIG.
- the present invention overcomes the problems described in the previous chapter.
- a non-contact magnetic induction energy transmission device comprising at least one primary circuit and one secondary circuit each provided with at least one coil, said device being series-series resonance and comprising a protection in case of failure of the secondary circuit or in the case of insufficient recovery of the primary and secondary coils, said protection system comprising means for avoiding the generation of a very high current at the latching.
- Interlocking can be achieved only if the pre-engagement current of the primary is a relatively small fraction (typically 2 to 20% depending on the power) of the current / i N.
- This solution requires a controlled rectifier between the network and the inverter to reduce the voltage.
- a series-type non-contact type power transmission device is tuned for a frequency f1, it will no longer be for a frequency f2.
- a judicious choice makes it possible to limit the current in case of insufficient coupling between primary and secondary. If the primary charging current at the frequency f2 is greater than a reference value corresponding to a sufficient coupling, the transition to resonant mode at the frequency f1 does not take place and the power supply is switched off.
- the engagement with the frequency f 1 can be done if the pre-engagement current of the primary is a fraction (typically from 2 to 20% depending on the power) of the current
- An auxiliary coil, concentric with the primary, is fed when approaching the vehicle.
- the supply current is low (low section of the conductor) and the measuring frequency f m different from that of the main circuit f (Fig 22). If the induced voltage measured at the secondary is too low relative to the reference voltage, the order of engagement of the main circuit is refused.
- three cases are compared for a non-contact energy transfer system from 3 kW to 210 V, with coils of 50 * 30 cm at a distance of 15 cm.
- the variable is the magnitude Kex which corresponds to the recovery rate of the secondary coil relative to the primary coil.
- the current reaches 236 A for a nominal current of 15.1 A, ie 15.63 times the rated current.
- the first part of the table corresponds to a voltage reduction of 5%, compared to a full voltage supply. It guarantees a current limitation below the nominal current, but does not allow a differentiation of the recovery rate as soon as it is below about 80%.
- the second part of the table corresponds to three values of the power supply frequency at full voltage:
- the current is less than or equal to the nominal value.
- the third part of the table corresponds to three values of the primary capacity for a full voltage supply:
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Abstract
Dispositif de transmission d'énergie par induction magnétique sans contact comportant au moins un circuit primaire et un circuit secondaire dotés chacun d'au moins une bobine, ledit dispositif étant à résonance série-série et comprenant un système de protection en cas de défaut du circuit secondaire ou en cas de recouvrement insuffisant des bobines primaire et secondaire, ledit système de protection comprenant des moyens pour éviter la génération d'un courant très élevé à l'enclenchement.
Description
Dispositif de sécurité pour la transmission d'énergie sans contact par induction magnétique
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le transfert d'énergie sans contact par induction magnétique. Elle concerne plus précisément la recharge sans contact des véhicules électriques.
Etat de la technique
Le transfert d'énergie électrique sans contact est usuellement réalisé au moyen d'un transformateur électrique (Fig 1). Les bobines du primaire et du secondaire sont couplées par un flux magnétique d'induction circulant dans un empilage de tôles ferromagnétiques, beaucoup plus perméable que l'air.
On peut montrer par les lois de Maxwell que la tension induite d'un tel transformateur est proportionnelle aux grandeurs suivantes :
Ut ~ fNSB
/ = fréquence
N = Nombre de spires en série du bobinage
5 = Section de passage du flux d'induction
S = induction magnétique
Si l'on augmente la fréquence /, il est possible de réduire l'induction magnétique S. Ceci permet de supprimer la structure ferromagnétique (Fig 2).
La Fig 3 montre la distribution du champ magnétique autour d'une bobine sans structure ferromagnétique et met en évidence la variation de couplage en fonction de la distance avec une seconde bobine. Une règle simple consiste à choisir une distance inter-bobine inférieure à la moitié de la plus faible dimension de la bobine (largeur).
Lorsque la puissance transférée augmente, la section de passage du flux doit augmenter et la fréquence peut diminuer. Exemples :
• Pour 100 kW, dimensions de la bobine 2 x 1 m, fréquence 20 kHz
• Pour 1 kW, dimensions de la bobine 0. 2 x 0.1 m, fréquence 100 kHz
Pour les véhicules électriques, on utilise principalement l'une des trois structures suivantes :
• Bobines dans l'air (Fig 4)
• Bobines associées à des plaques de matériau ferromagnétique, en général de la ferrite, pour favoriser le couplage entre bobines et limiter le rayonnement électromagnétique (Fig 5)
• Bobines associées à un circuit ferromagnétique complet avec un entrefer (Fig 6)
Les bobines sont alimentées en courant alternatif à haute fréquence. La transmission d'énergie sans contact est réalisée par le biais d'une électronique de puissance selon le processus suivant, en partant d'un réseau alternatif classique à 50 ou 60 Hz® (Fig 7):
• Redresseur mono- ou triphasé @
• Onduleur monophasé®
• Bobine primaire @
• Bobine secondaire (4)
• Redresseur ©
• Alimentation du système de gestion de la batterie©
L'élément clé est l'onduleur générant l'alternatif à haute fréquence, généralement de 20 à 150 kHz selon la puissance. Il est composé d'un pont à transistors en H, composé généralement de 4 transistors (Tl à T4) et 4 diodes (Dl à D4). La Fig 8 en illustre le schéma.
Outre le pont onduleur, la génération d'une fréquence alternative élevée nécessite le recours au phénomène de résonance électrique. Comme les circuits constitués par les bobines primaire et secondaire sont inductifs, ceci implique que l'on doive introduire des capacités en série ou en parallèle telles que :
o2LC = 1
ω = 2nf = pulsation du courant
/= fréquence générée
L = inductance du circuit primaire ou secondaire
C = capacité du circuit primaire ou secondaire
On adoptera le schéma de la Fig 9 pour représenter un transformateur réel.
Les trois schémas suivants de montage des condensateurs sont utilisés en pratique :
• Transformateur avec résonance parallèle-série (Fig 10)
• Transformateur avec résonance série-série (Fig 11)
• Transformateur avec résonance série-parallèle (Fig 12)
La variante à résonance série-série présente de nombreux avantages pour la charge de batteries ou de super-condensateurs. Elle est explicitée ci-après
Transmission d'énergie sans contact à résonance série-série
L'ensemble bobines primaire et secondaire avec les condensateurs et la charge peut être représentée par un schéma équivalent détaillé. Pour ce faire, il est possible de recourir au concept de transformateur idéal (Fig 13). La Fig 14 représente le schéma équivalent complet d'un transformateur avec charge résistive. La Fig 15 représente le schéma équivalent complet d'un transformateur à résonance série-série avec charge résistive. La Fig 16 représente le même schéma équivalent avec charge sur une batterie équivalente réduite au niveau avant redresseur.
Liste des grandeurs :
• Ui = tension primaire complexe
• li = courant primaire complexe
• = tension secondaire complexe rapportée au primaire complexe
• Y = courant secondaire complexe rapportée au primaire complexe
• Ri = résistance du primaire
• R'2 = résistance du secondaire rapportée au primaire
• y = V=ï
• Xoi = Réactance de fuite du primaire
• Χ'σ2 = Réactance de fuite du secondaire rapportée au primaire
• X'12 = Réactance mutuelle rapportée au primaire
• Xci = réactance du condensateur primaire
• X'c2 = réactance du condensateur secondaire rapportée au primaire
• R2b = résistance de la batterie
• U2b = tension alternative équivalente de la batterie (avant redresseur)
Les capacités du primaire et du secondaire sont choisies de telle façon que le facteur de puissance global soit maximum et égal à 1 .
En négligeant les résistances propres des bobinages par rapport aux inductances et à la résistance de charge, on obtient pour l'impédance totale :
¾ot - jXic + jXal + "77
jX 12 +jX +jX
La condition de facteur de puissance égal à 1 conduit aux relations suivantes : c + X'l2 + l - %lc + 11 ~ 0 (1)
X' 2c + X' 12 + Χ'σ2— X' 2c + X' 22 ~ 0 (2)
Lors d'une variation de distance ou de position relative des bobines, les réactances de fuite changent ainsi que la mutuelle, mais leur somme (l'inductance propre) reste constante. Ceci rend la transmission indépendante de la position en termes de résonance. En particulier le facteur de puissance au primaire reste constant égal à 1 .
Le principal inconvénient de cette variante est le facteur de puissance au secondaire inférieur à 1 . Néanmoins, de toutes les variantes, c'est celle qui offre le meilleur rendement.
La Fig 1 7 reprend le schéma de la Fig 16 en négligeant les résistances Ri et R2b.
En éliminant le transformateur idéal, on obtient le schéma de la Fig 18.
En appliquant la loi de Kirchhoff pour les tensions dans la boucle de droite, on obtient :
¾ -;¾(/i + 2) -;¾c 2 = o ~J )
(5)
Les grandeurs en gras sont des nombres complexes. Les grandeurs L¾b et ΙΊ sont prises comme références de phase (grandeurs réelles).
En introduisant les relations (2) et (4) dans (5), il vient :
De même pour la boucle de gauche, il vient :
En introduisant les relations (1) et (3) dans (8), il vient
Ui = Mac + Xu + jxi'A = jxi'A (8)
Ui— X'121'2 (9)
La relation (6) montre que le courant au primaire est proportionnel à la tension au secondaire.
La relation (9) montre que le courant au secondaire est proportionnel à la tension au primaire.
Ces deux propriétés mettent en évidence un caractère auto-adaptatif de ce type de schéma. Le courant au secondaire est réglable par la tension au primaire et le courant au primaire est proportionnel à la tension au secondaire. En particulier, ceci est idéal pour la charge de supercapacités.
En revanche, ce schéma série-série, à facteur de puissance égal à 1 , ne supporte pas d'enclenchement à vide ou avec un mauvais couplage entre bobines dû à un décalage entre celles-ci. A vide le schéma devient celui de la Fig 19.
Comme Xl + X'12 = 0, le schéma se réduit à la Fig. 20. On a donc : I10 = —
Dans ce schéma qui comporte une résistance RI faible, le courant à vide élevé qui en résulte peut avoir un impact négatif sur la sécurité et le fonctionnement de l'installation.
En résumé, deux causes principales peuvent induire un enclenchement accidentel par sur-intensité:
• Un défaut de la bobine secondaire ou de son circuit associé, équivalant à un circuit ouvert.
• Un positionnement inadéquat de la bobine secondaire par rapport à celle du primaire.
Il existe donc un besoin d'éviter ce risque d'accident et/ou de fonctionnement.
Description générale de l'invention
La présente invention permet de remédier aux problèmes décrits dans le chapitre précédent.
A cet égard, elle concerne un dispositif de transmission d'énergie par induction magnétique sans contact comportant au moins un circuit primaire et un circuit secondaire dotés chacun d'au moins une bobine, ledit dispositif étant à résonance série-série et comprenant un système de protection en cas de défaut du circuit secondaire ou en cas de recouvrement insuffisant des bobines primaire et secondaire, ledit système de protection comprenant des moyens pour éviter la génération d'un courant très élevé à l'enclenchement.
Plusieurs solutions dans le cadre de l'invention sont proposées pour remédier au risque d'enclenchement résultant d'une sur-intensité, parmi lesquelles :
• Détection par un pré-enclenchement à tension réduite ;
• Détection par un pré-enclenchement avec modification de l'impédance en série au primaire ;
• Détection par un pré-enclenchement avec une fréquence hors résonance ;
• Détection par une bobine auxiliaire au primaire.
Ces solutions seront décrites de manière plus détaillée dans le chapitre suivant.
Description détaillée de l'invention
Brève description des figures
Fig 1 - Transformateur classique à 50 Hz
Fig 2 -Transformateur 50 kHz sans fer
Fig 3 - Transformateur sans fer - Couplage de 2 bobines
Fig 4 - Bobines dans l'air
Fig 5 - Bobines associées à des plaques de ferrite
Fig 6 - Bobines associées à un circuit ferromagnétique complet
Fig 7 - Structure électrique d'une transmission d'énergie sans contact
Fig 8 - Pont onduleur monophasé
Fig 9 - Symbole d'un transformateur réel
Fig 10 Résonance parallèle-série
Fig 11 Résonance série-série
Fig 12 Résonance série-parallèle
Fig 13 - Transformateur idéal
Fig 1 - Transformateur réel avec charge
Fig 15 - Transformateur réel à résonance série-série avec charge
Fig 16 - Transformateur réel à résonance série-série avec batterie équivalente
Fig 17 - Transformateur à résonance série-série sans résistances avec batterie équivalente
Fig 18 - Transformateur à résonance série-série sans résistances rapporté au primaire
Fig 19 - Transformateur à résonance série-série à vide
Fig 20 - Schéma final à vide
Fig 21 - Schéma équivalent du transformateur à résonance série-série (au secondaire et au primaire), avec modification de l'impédance primaire par le dédoublement du condensateur série
Fig 22 - Circuit de mesure concentrique à la bobine primaire
Fig 23 - Comparaison du comportement en courant primaire et en puissance secondaire en fonction du taux de recouvrement
Détection par un pré-enclenchement à tension réduite
Soit /IN le courant nominal (maximum permanent) au primaire de l'alimentation. Pour ne pas dépasser cette valeur lors d'un pré-enclenchement, la tension primaire correspondante Uip doit être:
Avec Ri la résistance du primaire
L'enclenchement peut être réalisé seulement si le courant de pré-enclenchement du primaire est une fraction relativement faible (typiquement de 2 à 20 % selon la puissance) du courant /iN.
Cette solution nécessite un redresseur commandé entre le réseau et l'onduleur permettant de réduire la tension.
Détection par un pré-enclenchement avec modification de l'impédance en série au primaire
L'adjonction d'une impédance en série au primaire a pour but de limiter le courant correspondant à la valeur nominale en cas d'absence de couplage avec le secondaire. Trois possibilités de mise en série peuvent être considérées :
• Résistance ;
• Bobine d'inductance ;
• Condensateur.
Les trois variantes sont possibles. Néanmoins, comme un condensateur série doit être introduit dans tous les cas, la solution la plus intéressante est de réaliser celui-ci en deux composants qui, combinés en série ou en parallèle, permettent d'augmenter temporairement l'impédance du primaire (Fig 21). Si le courant de charge primaire avec impédance série est supérieur à une valeur de référence
correspondant à un couplage suffisant, le passage au mode résonant ne se fait pas et l'alimentation est coupée.
Détection par un pré-enclenchement avec une fréquence hors résonance
Si un dispositif de transmission d'énergie sans contact de type série au primaire est accordé pour une fréquence fl, il ne le sera plus pour une fréquence f2. Un choix judicieux permet de limiter le courant en cas de couplage insuffisant entre primaire et secondaire. Si le courant de charge primaire à la fréquence f2 est supérieur à une valeur de référence correspondant à un couplage suffisant, le passage au mode résonant à la fréquence fl ne se fait pas et l'alimentation est coupée.
L'impédance équivalente du primaire s'écrit pour la fréquence fl selon (1) : ½i = Xic + X11 = 0 = + 2nf L
Pour la fréquence f2 > fl, on a :
Un choix judicieux de cette fréquence permet de limiter le courant à une valeur acceptable /iN lors d'un couplage nul. L'enclenchement à la fréquence fl pourra se faire si le courant de préenclenchement du primaire est une fraction (typiquement de 2 à 20 % selon la puissance) du courant
Détection par une bobine auxiliaire au primaire.
Une bobine auxiliaire, concentrique au primaire, est alimentée en cas d'approche du véhicule. Le courant d'alimentation est faible (section faible du conducteur) et la fréquence de mesure fm différente de celle du circuit principal fl (Fig 22). Si la tension induite mesurée au secondaire est trop faible par rapport à la tension de référence, l'ordre d'enclenchement du circuit principal est refusé.
Dans le tableau de la figure 23, trois cas sont comparés pour un système de transfert d'énergie sans contact de 3 kW à 210 V, avec des bobines de 50*30 cm à une distance de 15 cm.
La variable est la grandeur Kex qui correspond au taux de recouvrement de la bobine secondaire par rapport à la bobine primaire.
• Pour Kex = 1 les deux bobines sont superposées
• Pour Kex = 0 les deux bobines ne sont pas couplées
Dans ce dernier cas, qui correspond à une marche à vide, le courant atteint 236 A pour un courant nominal de 15.1 A, soit 15.63 fois le courant nominal.
La première partie du tableau correspond à une réduction de tension à 5%, en comparaison avec une alimentation à pleine tension. Elle garantit une limitation de courant en-dessous du courant nominal, mais ne permet pas une différentiation du taux de recouvrement dès que celui-ci est en dessous d'environ 80%.
La deuxième partie du tableau correspond à trois valeurs de la fréquence d'alimentation à pleine tension :
• La valeur nominale (Kf=l) correspondant à la résonance
• 1.2 fois la valeur nominale (Kf=1.2)
• 0.83 fois la valeur nominale (Kf = 0.83)
Pour les deux cas avec une fréquence différente de celle de résonance, il est possible de mesurer indirectement le taux de recouvrement et ainsi de s'adapter aux circonstances. Dans les deux cas hors résonance le courant est inférieur ou égal à la valeur nominale.
La troisième partie du tableau correspond à trois valeurs de la capacité au primaire pour une alimentation à pleine tension :
• La valeur nominale (KC1=1) correspondant à la résonance
• 1.58 fois la valeur nominale (Kf=1.58)
• 0.73 fois la valeur nominale (Kf = 0.727)
Le choix des capacités a été fait de façon à obtenir les mêmes résultats que pour le cas à modification de la fréquence. Il est donc également possible de mesurer indirectement le taux de recouvrement et ainsi de s'adapter aux circonstances. Dans les deux cas hors résonance le courant est inférieur ou égal à la valeur nominale.
Claims
1. Dispositif de transmission d'énergie par induction magnétique sans contact comportant au moins un circuit primaire et un circuit secondaire dotés chacun d'au moins une bobine, ledit dispositif étant à résonance série-série et comprenant un système de protection en cas de défaut du circuit secondaire ou en cas de recouvrement insuffisant des bobines primaire et secondaire, ledit système de protection comprenant des moyens pour éviter la génération d'un courant très élevé à l'enclenchement.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système de protection comprend une impédance en série dans le circuit primaire.
3. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système de protection comprend une bobine de détection auxiliaire, concentrique à celle du primaire.
4. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système de protection comprend des moyens pour réaliser un pré-enclenchement à une fréquence sensiblement différente de la fréquence de résonance.
5. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système de protection comprend des moyens pour réaliser un pré-enclenchement au moyen d'une première valeur de la capacité de résonance au primaire sensiblement différente de celle de résonance.
6. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le système de protection comprend des moyens pour réaliser un pré-enclenchement avec un courant de pré-enclenchement dont l'intensité ne dépasse pas un certain pourcentage, de préférence entre 2 à 20 %, du courant nominal au circuit primaire, typiquement égal ou inférieur au courant nominal et dont la mesure permet de déterminer les caractéristiques du défaut.
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|---|---|---|---|
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|---|---|---|---|
| PCT/IB2017/052080 WO2017178967A1 (fr) | 2016-04-12 | 2017-04-11 | Dispositif de sécurité pour la transmission d'énergie sans contact par induction magnétique |
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- 2017-04-11 WO PCT/IB2017/052080 patent/WO2017178967A1/fr active Application Filing
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 17720882 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: CONSTATATION DE LA PERTE D'UN DROIT CONFORMEMENT A LA REGLE 112(1) CBE (OEB FORM 1205A EN DATE DU 30/01/2019) |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 17720882 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |