WO2020208313A1

WO2020208313A1 - Coupleur inductif et système de recharge par induction magnétique pour véhicules électriques et hybrides

Info

Publication number: WO2020208313A1
Application number: PCT/FR2020/000097
Authority: WO
Inventors: Mustapha Debbou; Karim KADEM; Eric Laboure; Yan LEBIHAN; Mohamed BEN SETTI
Original assignee: Institut Vedecom
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2020-04-08
Publication date: 2020-10-15
Also published as: FR3094832A1

Abstract

Le coupleur inductif (CP) comprend un module primaire (MP) et un module secondaire (MS), chacun des modules comportant une bobine planaire (BP, BS) de forme géométrique carrée et une structure magnétique (SP, SS) en ferrite. Conformément à l'invention, la structure magnétique est formée d'une plaque rectangulaire en relief incluant une partie plane centrale de forme carrée formant un noyau de la bobine et une partie plane périphérique entourant la partie centrale, la partie centrale et la partie périphérique étant en continuité de matière, la partie centrale ayant des côtés alignés selon des axes longitudinal et transversal de la structure magnétique et comportant un évidement central, et la partie périphérique supportant la bobine planaire.

Description

DESCRIPTION

TITRE: COUPLEUR INDUCTIF ET SYSTÈME DE RECHARGE PAR INDUCTION

MAGNÉTIQUE POUR VÉHICULES ÉLECTRIQUES ET HYBRIDES

[0001 ] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1903756 déposée le 8 avril 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.

[0002] L’invention concerne de manière générale la recharge par induction électromagnétique des batteries de stockage d'énergie électrique, et notamment, la recharge par induction électromagnétique des batteries de traction des véhicules électriques et hybrides. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un coupleur inductif qui est adapté pour une intégration dans des systèmes de recharge par induction magnétique, notamment les systèmes de recharge par induction magnétique de type dynamique pour les véhicules électriques et hybrides.

[0003] La propulsion électrique des véhicules est perçue comme une réponse viable aux enjeux environnementaux introduits par la dépendance aux énergies fossiles. Les véhicules électriques ont cependant l’inconvénient d’une autonomie de roulage limitée qui freine leur développement. L’autonomie moyenne des véhicules électriques actuellement commercialisées est de 150 à 400 km environ. Une telle autonomie est suffisante pour la plupart des trajets quotidiens, notamment en milieu urbain. Par contre, la réalisation de longs trajets reste problématique et est conditionnée à la possibilité de recharger la batterie de traction du véhicule électrique. L’adoption des véhicules électriques comme moyen de transport de demain passe par la disponibilité de systèmes de recharge sûrs, économiques, efficaces énergétiquement et qui soient d’une utilisation aisée pour les personnes.

[0004] La recharge électrique par induction magnétique, en permettant un transfert d’énergie sans contact, rend inutile le raccordement du véhicule par câble électrique à une station de recharge électrique. Dans les systèmes de recharge par induction magnétique, l’énergie électrique est transférée entre une bobine primaire au sol et une bobine secondaire embarquée dans le véhicule.

[0005] En situation de recharge statique, le véhicule étant stationné à proximité d’une station de recharge électrique, l’utilisateur est libéré des tâches fastidieuses de manipulation du câble électrique et de branchement/débranchement des prises électriques mâle/femelle.

[0006] Des systèmes de recharge dynamique par induction magnétique capables d’assurer la recharge de la batterie de traction du véhicule en roulage ont également été proposés et font l’objet de différents développements et expérimentations. Un état de l’art de ces systèmes de recharge dynamique est présenté dans la thèse de Antoine CAILLEREZ intitulée « Etude et mise en œuvre du transfert de l’énergie électrique par induction : Application à la route électrique pour véhicules en mouvement », présentée le 19 janvier 2016.

[0007] Un système de recharge dynamique par induction magnétique demande une infrastructure routière électrifiée équipée d’une pluralité de bobines primaires qui typiquement sont intégrées dans le revêtement de la chaussée. Des capteurs sont également prévus et détectent le passage du véhicule. L’alimentation électrique à haute fréquence des bobines primaires est commutée en fonction des informations fournies par les capteurs. Les bobines primaires sont ainsi alimentées successivement en fonction du déplacement du véhicule, de façon à transférer de l’énergie électrique vers la bobine secondaire embarquée à chaque fois que le véhicule passe au-dessus d’une bobine primaire.

[0008] La recharge dynamique par induction magnétique est aujourd’hui considérée comme une solution d’avenir pour assurer une recharge efficace et continue des batteries des véhicules électriques. Cette technologie apporte à l’utilisateur le confort d’un véhicule qui se recharge en roulant, sans être dans l’obligation de s’arrêter à une station de recharge. L’autonomie de roulage des véhicules électriques n’est alors plus dépendante de la capacité de stockage d’énergie des batteries, mais de la taille de l’infrastructure routière électrifiée qui est déployée. Par ailleurs, le non nécessité des bornes de recharge filaires permet une meilleure utilisation de l’espace public et des voiries et améliore l’esthétique de l’urbanisme.

[0009] L’intégration dans un véhicule électrique des équipements de recharge impose des contraintes sévères sur la conception d’un système de recharge dynamique par induction magnétique, relatives notamment à l’efficacité énergétique, les poids et volume embarqués et la sécurité des personnes vis-à-vis des rayonnements électromagnétiques. [0010] Par ailleurs, les équipements de recharge doivent être pensés dans le cadre des futurs réseaux intelligents de transport d’énergie électrique, dit « Smart Grid » en anglais, de manière à optimiser le bilan énergétique, l’empreinte carbone et la disponibilité des véhicules électriques. Dans le contexte d’un réseau électrique intelligent, les équipements de recharge doivent être réversibles afin de permettre au réseau, non seulement de fournir l’énergie électrique pour la recharge de la batterie de traction du véhicule, mais aussi, dans un mode dit « V2G », de puiser de l’énergie disponible dans celle-ci pour répondre à une forte demande, par exemple, lors d’une pointe de consommation électrique.

[001 1 ] Dans un système de recharge dynamique par induction magnétique, les performances du coupleur inductif sont particulièrement critiques pour être en mesure d’apporter une réponse satisfaisante aux différentes contraintes imposées.

[0012] Les coupleurs inductifs disponibles dans l’état de la technique pour les systèmes de recharge dynamique par induction magnétique se caractérisent par un entrefer important, une inductance mutuelle faible, des inductances de fuite relativement importantes et un coefficient de couplage magnétique faible et variable.

[0013] Il existe un besoin pour un coupleur inductif perfectionné ayant une structurelle optimisée et ne présentant pas les inconvénients susmentionnés, notamment pour une intégration dans un système de recharge dynamique par induction magnétique pour les véhicules électriques et hybrides.

[0014] Selon un premier aspect, l’invention concerne un coupleur inductif de système de recharge par induction magnétique, comprenant un module primaire et un module secondaire, chacun des modules comportant une bobine planaire de forme géométrique carrée et une structure magnétique en ferrite. Conformément à l’invention, la structure magnétique est formée d’une plaque rectangulaire en relief incluant une partie plane centrale de forme géométrique carrée formant un noyau de ladite bobine planaire et une partie plane périphérique entourant la partie plane centrale, la partie plane centrale et la partie plane périphérique étant en continuité de matière, la partie plane centrale ayant des côtés alignés selon des axes longitudinal et transversal de la structure magnétique et comportant un évidement central, et la partie plane périphérique supportant ladite bobine planaire. [0015] Selon une caractéristique particulière, l’évidement central est de forme carrée et comporte des côtés alignés selon les axes longitudinal et transversal de la structure magnétique, les côtés de l’évidement central ayant une longueur au plus égale au tiers de la longueur des côtés de la partie plane centrale.

[0016] Selon une autre caractéristique particulière, la structure magnétique comprend une face de couplage dans laquelle la partie plane centrale surplombe la partie plane périphérique et une face externe dans laquelle la partie plane centrale est en creux par rapport à la partie plane périphérique.

[0017] On notera que l’agencement de la structure magnétique proposé dans la présente invention permet, non seulement une optimisation des performances de couplage magnétique, mais aussi une réduction sensible du poids de la pièce et de son coût économique. Ces réductions de poids et de coût découlent de la conformation particulière de la structure magnétique sous la forme d’une plaque en relief comportant une partie plane centrale avec un évidement central et en creux sur la face externe.

[0018] Selon encore une autre caractéristique particulière de la présente invention, la structure magnétique comprend deux bordures latérales en continuité de matière avec la partie plane périphérique, les bordures latérales étant symétriques par rapport à l’axe longitudinal de la structure magnétique et situées sur la face de couplage.

[0019] Selon encore une autre caractéristique particulière, les bordures latérales et la partie plane centrale ont une même hauteur.

[0020] Selon encore une autre caractéristique particulière, les bordures latérales ont une section en L.

[0021 ] Selon encore une autre caractéristique particulière, la partie plane périphérique est formée de quatre bandes régulières jointives qui entourent la partie plane centrale, deux bandes régulières symétriques par rapport à l’axe longitudinal de la structure magnétique ayant une largeur supérieure à deux autres bandes régulières symétriques par rapport à l’axe transversal de la structure magnétique.

[0022] Selon encore une autre caractéristique particulière, la partie plane centrale comprend une paroi circonférentielle ayant une épaisseur sensiblement supérieure à l’épaisseur du reste de la structure magnétique. [0023] Selon encore une autre caractéristique particulière, la bobine planaire est formée avec du fil de Litz.

[0024] Selon encore une autre caractéristique particulière, la structure magnétique est une pièce en ferrite de nuance dite « 3C90 » obtenue par frittage.

[0025] L’invention concerne aussi un système de recharge dynamique par induction magnétique pour véhicule électrique ou hybride, comprenant au moins un coupleur inductif tel que décrit brièvement ci-dessus, le coupleur inductif comportant un module secondaire embarqué dans ledit véhicule et un module primaire compris dans un ensemble de modules primaires intégrés dans le revêtement d’une voie de circulation électrifiée.

[0026] D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous d’une forme de réalisation particulière de l’invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

[0027] [Fig. 1 ] est une vue en perspective montrant un exemple de réalisation d’une route électrique pour la recharge par induction des véhicules électriques à base de coupleur inductif selon l’invention introduite ;

[0028] [Fig. 2] est une vue en perspective montrant une face de couplage d’une structure magnétique en ferrite qui est incluse dans le coupleur inductif selon l’invention ;

[0029] [Fig. 3] est une vue en perspective montrant une face externe de la structure magnétique de la Fig.2 ;

[0030] [Fig. 4] est une vue en coupe transversale de la structure magnétique des Figs.2 et 3 ;

[0031 ] [Fig. 5] est une vue en coupe longitudinale de la structure magnétique des Figs.2 et 3 ;

[0032] [Fig. 6] est un diagramme de lignes de champ magnétique obtenu avec le coupleur inductif de la Fig.1 .

[0033] En référence aux Figs.1 à 6, il est maintenant décrit une forme de réalisation particulière CP du coupleur inductif selon l’invention. Pour les besoins de la description, le coupleur inductif CP est orienté ici dans un repère orthogonal XYZ. [0034] Comme visible à la Fig.1 , le coupleur inductif CP comprend un module primaire MP et un module secondaire MS.

[0035] Conformément à l’invention, le module primaire MP et le module secondaire MS ont une architecture sensiblement identique. Le module primaire MP comprend une bobine primaire BP qui est logée dans une structure magnétique SP. Le module secondaire MS comprend une bobine secondaire BS (sensiblement identique à la bobine BP) qui est logée dans une structure magnétique SS avec un vide au milieu (sensiblement identique à la structure magnétique SP). Les structures magnétiques SP, SS, sont typiquement des pièces en ferrite, par exemple une ferrite de nuance dite « 3C90 », obtenues par frittage.

[0036] Lorsque le coupleur CP fait partie d’un système de recharge dynamique par induction magnétique pour véhicules électriques, comme montré à la Fig.1 , le module primaire MP est compris dans un ensemble de modules primaires, sensiblement identiques et alignés, qui sont intégrés dans le revêtement d’une voie de circulation électrifiée (non représentée) et le module secondaire MS est embarqué dans le véhicule électrique. Les modules primaires sont alignés en suivant le tracé de la voie de circulation électrifiée, le module primaire MP étant situé après un module primaire adjacent MP-i et avant un module primaire adjacent MP₊1 , en considérant une circulation du véhicule (flèche F) dans le sens +X de l’axe X.

[0037] Les bobines BP, BS, sont ici de type planaire et de forme géométrique carrée et comprennent plusieurs spires, par exemple, six spires pour une puissance de 2,5 KW. Les bobines BP, BS, sont réalisées avec un fil conducteur multibrin, dit fil de Litz, qui est adapté pour le courant à haute fréquence. Un feuillard conducteur ou des barres de type « Roebel » pourront être utilisés dans d’autres applications.

[0038] De manière générale, le fait de prévoir des bobines identiques est favorable à l’obtention du mode de fonctionnement résonnant qui maximise le transfert de puissance entre les bobines. En effet, dans un tel cas, le mode de fonctionnement résonnant peut être obtenu plus facilement, la fréquence de résonance étant moins dépendante du coefficient de couplage magnétique, notamment lorsque le couplage entre les bobines est faible, cette situation étant plus fréquente en recharge dynamique, par rapport à une recharge statique. [0039] Par ailleurs, il a été mis en évidence par des essais et des simulations effectuées, notamment par la méthode des éléments finis, que des bobines de type planaire ayant une forme géométrique carrée constituent un bon compromis pour une maximisation du transfert de puissance entre elles.

[0040] La géométrie particulière de la structure magnétique en ferrite frittée SP, SS, est maintenant décrite en détail en référence aux Figs.2 à 5.

[0041 ] Dans la présente invention, la géométrie de la structure magnétique SP, SS, a été optimisée de manière à augmenter le coefficient de couplage magnétique entre les modules MP et MS du coupleur inductif CP et à réduire les rayonnements électromagnétiques. La réduction du coût économique de la pièce a également été recherchée lors de la conception de la structure magnétique SP, SS.

[0042] Comme bien visible aux Figs.2 et 3, la structure magnétique SP, SS, a la forme générale d’une plaque rectangulaire mince, analogue à une plaque gaufrée, avec des parties en relief.

[0043] La Fig.2 montre une face de couplage FC de la structure magnétique SP, SS, qui est destinée à venir en regard avec la face de couplage de l’autre structure magnétique du coupleur. La Fig.3 montre une face externe FE de la structure magnétique SP, SS.

[0044] La structure magnétique SP, SS, est contenue sensiblement entre deux plans parallèles P1 et P2, en XY, repérés aux Figs.4 et 5.

[0045] La structure magnétique SP, SS, comprend essentiellement une partie plane centrale NO de forme carrée, une partie plane périphérique PE et deux bordures latérales B1 et B2.

[0046] La partie plane centrale NO forme le noyau carré de la bobine BP, BS. Les côtés en quadrature de la partie plane centrale NO sont alignés ici avec les axes X, Y.

[0047] Dans la face de couplage FC, la partie plane centrale NO est en affleurement avec le plan P1 et surplombe, en +Z, la partie plane périphérique PE. Dans la face externe FE, la partie plane centrale NO est en creux par rapport à la partie plane périphérique PE. [0048] Comme visible dans les figures, un évidement EV est aménagé au centre C de la partie plane centrale NO et crée un vide dans celle-ci. L’évidement EV est de forme carrée, est centré sur C et comporte des côtés alignés selon des axes longitudinal AL et transversal AT de la structure magnétique SP, SS, les axes AL et AT étant respectivement alignés selon X et Y. Conformément à l’invention, les côtés de l’évidement EV auront au maximum une longueur égale au tiers de la longueur des côtés de la partie plane centrale NO. Les essais et simulations réalisés par l’entité inventive ont mis en évidence qu’un tel évidement EV n’affecte pas les performances de la structure magnétique SP, SS, tout en apportant un bénéfice intéressant en termes de poids et de coût économique de cette pièce en ferrite.

[0049] La partie plane périphérique PE est en continuité de matière avec la partie plane centrale NO et entoure celle-ci. La partie plane périphérique PE est affleurante avec le plan P2. La partie plane périphérique PE est formée de quatre bandes régulières jointives Pe1 à Pe4, en continuité de matière, qui entourent la partie plane centrale NO. La partie plane périphérique PE forme un support sur lequel repose la bobine BP, BS (cf. Fig.1 ).

[0050] Les bandes Pe1 et Pe3 sont parallèles et sont symétriques par rapport à l’axe transversal AT. Les bandes Pe2 et Pe4 sont parallèles et sont symétriques par rapport à l’axe longitudinal AL. Conformément à l’invention, les bandes Pe1 et Pe3 ont une largeur supérieure à celle des bandes Pe2 et Pe4.

[0051 ] Les bordures latérales B1 et B2 ont une section en L et sont en continuité de matière avec la partie plane périphérique PE. Les bordures latérales B1 et B2 sont agencées respectivement sur les deux côtés longitudinaux de la structure magnétique SP, SS, c’est-à-dire, les deux côtés parallèles à l’axe longitudinal AL.

[0052] Dans la face de couplage FC, une portion plane longitudinale, en XZ, de la bordure B1 , B2, est en continuité de matière avec la partie plane périphérique PE. Une portion plane longitudinale, en XY, de la bordure latérale B1 , B2, est affleurante avec le plan P1 .

[0053] On notera que ces bordures latérales B1 , B2, ont pour fonction de réduire les rayonnements électromagnétiques, et sont efficaces, en particulier, pour réduire ces rayonnements au niveau des modules primaires adjacents MP (Fig.1 ) d’un système de recharge dynamique par induction magnétique pour véhicules électriques.

[0054] Conformément à l’invention, la structure magnétique SP, SS, sera recouverte sur sa face externe par une plaque en aluminium (non représentée) qui assure un blindage électromagnétique par courants de Foucault. Typiquement, une ou plusieurs coupes fines seront prévues dans la plaque en aluminium pour diriger et canaliser les courants de Foucault.

[0055] Les Figs.4 et 5 montrent des coupes droites de la structure magnétique SP, SS, respectivement selon les axes AT et AL.

[0056] Les dimensions et la nuance de ferrite de la structure magnétique SP, SS, ainsi que les caractéristiques de la bobine BP, BS, telles que le nombre de spires, et d’autres caractéristiques, pourront être optimisées en fonction des applications de l’invention.

[0057] Les essais et simulations réalisés par l’entité inventive ont mis en évidence que l’épaisseur de ferrite e1 de la paroi circonférentielle de la partie plane centrale NO pourra avantageusement être sensiblement supérieure à l’épaisseur uniforme Ep du reste de la structure magnétique SP, SS. A titre d’exemple, dans une application pour un véhicule électrique, la structure magnétique SP, SS, pourra avoir une épaisseur Ep de l’ordre de 2 mm et une épaisseur e1 de l’ordre de 5 mm, pour un encombrement total de 500 mm x 600 mm.

[0058] La Fig.6 montre les lignes de champ magnétique LC qui ont été d’obtenues avec le coupleur inductif CP selon l’invention comportant la structure magnétique SP, SS, décrite ci-dessus.

[0059] Dans le coupleur inductif de l’invention, les caractéristiques géométriques originales de la structure magnétique, associées à la bobine planaire de forme carrée, ont permis une augmentation sensible du coefficient de couplage magnétique entre les modules primaire et secondaire du coupleur ainsi qu’une réduction des rayonnements électromagnétiques, comparativement à un coupleur de la technique antérieure ayant une même surface de bobinage et les mêmes contraintes en termes de rayonnements électromagnétiques. L’augmentation du coefficient de couplage magnétique qui a été obtenue est de l’ordre de 25%. [0060] L’invention ne se limite pas à la forme de réalisation particulière qui a été décrite ici à titre d’exemple. Bien que l’invention trouve une application privilégiée dans la recharge par induction magnétique des véhicules électriques et hybrides, elle est applicable dans différents autres domaines où la recharge par induction magnétique est souhaitée, comme par exemple la téléphonie mobile. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Coupleur inductif (CP) de système de recharge par induction magnétique, comprenant un module primaire (MP) et un module secondaire (MS), chacun desdits modules (MP, MS) comportant une bobine planaire (BP, BS) de forme géométrique carrée et une structure magnétique (SP, SS) en ferrite, caractérisé en ce que ladite structure magnétique (SP, SS) est formée d’une plaque rectangulaire en relief incluant une partie plane centrale (NO) de forme géométrique carrée formant un noyau de ladite bobine planaire (BP, BS) et une partie plane périphérique (PE) entourant ladite partie plane centrale (NO), ladite partie plane centrale (NO) et ladite partie plane périphérique (PE) étant en continuité de matière, ladite partie plane centrale (NO) ayant des côtés alignés selon des axes longitudinal (AL) et transversal (AT) de ladite structure magnétique (SP, SS) et comportant un évidement central (EV), et ladite partie plane périphérique (PE) supportant ladite bobine planaire (BP, BS).

2. Coupleur inductif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit évidement central (EV) est de forme carrée et comporte des côtés alignés selon lesdits axes longitudinal (AL) et transversal (AT) de ladite structure magnétique (SP, SS), les côtés dudit l’évidement central (EV) ayant une longueur au plus égale au tiers de la longueur des côtés de ladite partie plane centrale (NO).

3. Coupleur inductif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite structure magnétique (SP, SS) comprend une face de couplage (FC) dans laquelle ladite partie plane centrale (NO) surplombe ladite partie plane périphérique (PE) et une face externe (FE) dans laquelle ladite partie plane centrale (NO) est en creux par rapport à ladite partie plane périphérique (PE).

4. Coupleur inductif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite structure magnétique (SP, SS) comprend deux bordures latérales (B1 , B2) en continuité de matière avec ladite partie plane périphérique (PE), lesdits bordures latérales (B1 , B2) étant symétriques par rapport audit axe longitudinal (AL) de ladite structure magnétique (SP, SS) et situées sur ladite face de couplage (FC).

5. Coupleur inductif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites bordures latérales (B1 , B2) et ladite partie plane centrale (NO) ont une même hauteur.

6. Coupleur inductif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que lesdites bordures latérales (B1 , B2) ont une section en L.

7. Coupleur inductif selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite partie plane périphérique (PE) est formée de quatre bandes régulières jointives (Pe1 , Pe2, Pe3, Pe4) qui entourent ladite partie plane centrale (NO), deux dites bandes régulières (Pe2, Pe4) symétriques par rapport audit axe longitudinal (AL) de ladite structure magnétique (SP, SS) ayant une largeur supérieure à deux autres dites bandes régulières (Pe1 , Pe3) symétriques par rapport audit axe transversal (AT) de ladite structure magnétique (SP, SS).

8. Coupleur inductif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite partie plane centrale (NO) comprend une paroi circonférentielle ayant une épaisseur (e1 ) sensiblement supérieure à l’épaisseur (Ep) du reste de ladite structure magnétique (SP, SS).

9. Coupleur inductif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite bobine planaire (BP, BS) est formée avec du fil de Litz.

10. Système de recharge dynamique par induction magnétique pour véhicule électrique ou hybride comprenant au moins un coupleur inductif (CP) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, ledit coupleur inductif (CP) comportant un dit module secondaire (MS) embarqué dans ledit véhicule et un dit module primaire (MP) compris dans un ensemble de modules primaires (MP-1 , MP, MP+1 ) intégrés dans le revêtement d’une voie de circulation électrifiée.