WO2021019179A1 - Piste de recharge inductive pour véhicules électrifiés et système de recharge dynamique l'incorporant - Google Patents

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primary
inductive charging
inductive
track
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Mustapha Debbou
Karim KADEM
Eric Laboure
Mohamed BEN SETTI
Fouad CHERIET
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Definitions

  • the invention relates generally to the dynamic recharging by electromagnetic induction of the traction battery of an electrified vehicle, such as for example an electric or hybrid motor vehicle, a bus or a tram. More particularly, the invention relates to an inductive charging track included in a dynamic charging system by electromagnetic induction of an electrified vehicle and comprising a plurality of primary inductor modules arranged on the ground in a vehicle traffic lane. The invention also relates to the dynamic charging system by electromagnetic induction of an electrified vehicle incorporating such an inductive charging track.
  • Electric vehicles have the drawback of a low driving range, linked to the limited capacity of the electric traction battery, which slows down their
  • Magnetic induction charging is now considered a solution of the future to ensure efficient charging of electric vehicle batteries, allowing an optimal charging strategy according to the vehicle's life situation.
  • This technology is applicable both for the static recharging of the parked vehicle and for the dynamic recharging of the vehicle while driving, in slow or fast recharging modes. It brings the user a certain comfort of use by avoiding the tedious task of connecting the vehicle by cable to an electric charging station and by having a vehicle that recharges while driving, without having to stop for a recharge.
  • Magnetic induction charging systems for electric vehicles are the subject of various developments and experiments carried out by laboratories and the automotive industry.
  • the inductive recharging equipment imposes severe constraints on the design of the dynamic magnetic induction recharging system, relating in particular to energy efficiency during the power transfer phase, to the weight and volume on board and the safety of people with regard to with regard to electromagnetic radiation.
  • a state of the art of these charging systems is presented in Luigi FERRARO's thesis entitled “Design and control of inductive power transfer System for electric vehicle charging”, presented on May 3, 2017.
  • a dynamic magnetic induction charging system 1 comprises an inductive charging track 10 comprising a plurality of primary inductor modules MP and an inductive charging equipment 11 on board a electric vehicle and comprising a secondary inductor module MS.
  • the primary and secondary modules MP and MS are represented in Figs.1 and 2 respectively by their coils PC and SC shown schematically.
  • the inductive charging track 10 is integrated into the pavement of the roadway of an electrified road infrastructure comprising the plurality of primary MP inductor modules.
  • the MP primary inductor modules are arranged side by side and supplied at high frequency, typically at a frequency lower than 200 kHz, by electrical converters of the DC / AC type (direct current - alternating current) designated below.
  • DAP primary converters In this architecture, a DAP primary converter is dedicated to each MP primary inductor module. The DAP primary converters are connected to a continuous power source PS through a BDC continuous power supply bus integrated into the roadway.
  • the inductive recharging equipment 1 1 comprises a secondary inductor module MS which recharges an electric traction battery BAT through a power rectifier bridge RE and an electric converter of the DC / DC type ( direct current - direct current) designated DDS.
  • the electric traction motors MOT of the vehicle are supplied with electricity from the electric traction battery BAT via an electric converter, designated DAS, which is here of the DC / AC type.
  • the inductive coupler C1 formed by a primary inductor module MP and the secondary inductor module MS facing each other, is a particularly critical component of the dynamic recharging system. by magnetic induction.
  • This inductive coupler C1 which is characterized by a large air gap, a low mutual inductance, relatively large leakage inductances and a low and variable magnetic coupling coefficient, must meet various constraints aimed in particular at good transfer efficiency. power and a reduction in harmful electromagnetic radiation.
  • the primary module MP and the secondary module MS have a substantially identical architecture.
  • the primary module MP comprises a primary coil PC which is housed in an SP structure.
  • the secondary module MS comprises a secondary coil SC which is housed in a structure SS substantially identical here to the structure SP.
  • PC, SC coils are typically made with a multi-stranded conductor wire, called Litz wire, which is suitable for high frequency current.
  • a conductive strip or "Roebel” type bars can be used in other applications.
  • the coils PC, SC are preferably identical, of planar type and with a square geometric shape so as to maximize the power transfer coefficient between them.
  • the SP and SS structures are typically parts made of ferrite, for example a so-called “3C90” grade ferrite, obtained by sintering.
  • the materials most used for the shielding function are aluminum and 3C90 ferrite.
  • Aluminum, a non-magnetic material, is also used for shielding. In such a case, the shielding function is obtained thanks to the eddy currents at the surface which repel the field lines.
  • Sensors are provided in the dynamic magnetic induction charging system 1 to detect the presence of the secondary inductor module MS above the primary inductor modules MP, to control the sequencing of the switching activation of the
  • DAP primary converters as the vehicle moves and thus ensure the transfer of electrical power to the secondary inductor module MS.
  • parasitic electromagnetic couplings due to the proximity between them of the inductor modules, occur between the coils active inductor modules, MP n and MS, and the primary coils of the adjacent and neighboring primary modules, MP n -i, MP n + i and MP n -2, MP n + 2, mainly.
  • These parasitic electromagnetic couplings are
  • Fig.2 it is shown schematically the addition of additional semiconductor protective components C1, C2, in the resonant circuit of the DAP converter. These components C1, C2 have the function of completely disconnecting the switching bridge from the DAP converter when high voltages induced in the primary coil occur.
  • the components C1, C2 must have a high voltage withstand and strongly impact the cost of the DAP converter. Furthermore, the need for these components C1, C2, is unfavorable to the compactness of the DAP converter and can pose installation difficulties.
  • Reducing the unit cost of DAP primary converters is essential to minimize the investment required for a large-scale deployment of electrified road infrastructure for electromagnetic induction charging.
  • the invention relates to an inductive charging track in a dynamic induction charging system
  • electrified vehicle electromagnetic system comprising a plurality of primary inductor modules arranged side by side in which are contained a plurality of respective primary coils connected to power supply and switching means, and having a
  • the primary coils are arranged with a partial overlap between two adjacent primary coils.
  • the primary coils are of the planar type with a square geometric shape.
  • the partial overlap is between 14% and 21% of the side length of the primary coils.
  • the partial overlap is calculated optimally so as to cancel the effect of the coupling between the primary coils.
  • the primary coils are formed with Litz wire, a conductive strip and / or “Roebel” type bars.
  • the means
  • power supply and switching include a plurality of "DC / AC" type electrical converters respectively connected to the plurality of primary coils.
  • DC / AC type electrical converters are connected to the same DC power supply bus.
  • the invention also relates to a dynamic charging system by electromagnetic induction of an electrified vehicle comprising an inductive charging track and at least one inductive charging device on board an electrified vehicle and comprising a secondary inductor module with a secondary coil, in which the track inductive charging is an inductive charging track as described briefly above.
  • the secondary coil is of the same type as the primary coils.
  • the invention also relates to a vehicle traffic lane comprising an inductive charging track of the invention integrated into the ground.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a general architecture of a dynamic induction charging system
  • FIG. 2 is a block diagram showing the architecture of the primary DC / AC converters and the inductive charging equipment 1 1 on board the electric vehicle in the dynamic charging system by electromagnetic induction of Fig.1.
  • FIG. 3 is a schematic perspective view showing an inductive coupler in the dynamic induction charging system
  • FIG. 4 is a block diagram schematically showing a general architecture of a dynamic induction charging system
  • FIG. 5 is a schematic perspective view showing the partial overlap between the adjacent primary coils provided in the dynamic charging system by electromagnetic induction of an electrified vehicle according to the present invention.
  • FIG. 6 shows coupling coefficient measurement curves as a function of the displacement of the secondary coil on board the vehicle.
  • the dynamic magnetic induction charging system 2 comprises an inductive charging track 20 comprising a plurality of primary inductor modules MP2 and an inductive charging device 21 on board an electric vehicle and comprising a secondary inductor module MS2.
  • the primary and secondary modules MP2 and MS2 are represented in FIG. 4 respectively by their primary coils PC2 and secondary SC2 shown schematically.
  • the PC2, SC2 coils are typically made with Litz wire, a conductive strip. or “Roebel” type bars depending on the application.
  • the coils PC2, SC2 are substantially identical, of planar type and with a square geometric shape so as to maximize the power transfer coefficient between them.
  • the primary coils PC2 are supplied at a frequency close to 85 kHz by electrical converters of the DC / AC type (direct current - alternating current) designated hereafter as primary converters DAP2.
  • a DAP2 primary converter is dedicated to each PC2 primary coil.
  • the DAP2 primary converters are connected to a DC power source PS2 through a DC power supply bus BDC2 integrated into the roadway.
  • the inductive recharging equipment 21 has an architecture similar to that of the inductive recharging equipment 11 of the prior art, described above with reference to FIG. 2, and will not be detailed again here.
  • the architecture of the inductive recharging track 20 differs from that of the inductive recharging track 10 of the prior art essentially by the arrangement of the primary coils PC2 of its primary inductor modules MP2.
  • adjacent coils are arranged in an “interlaced” manner, as shown in Fig.5 for the coils PC2 n + i and PC2 n + 2 . More precisely, the adjacent primary coils PC2 are arranged with a partial overlap CH between them.
  • LxL 450x450 mm of the primary and secondary coils PC2, PC, and SC2, SC.
  • a partial CH overlap of 80 mm has been determined to be an optimum value for the reduction of the voltages induced in the primary coils PC2.
  • the partial overlap CH will be between 14% and 21% of the side length L of the primary coils PC2.
  • the system 2 according to the invention and the system 1 of the prior art also retain the same control sequencing of the primary coils PC2, PC.
  • the control sequencing here provides for short-circuiting the primary coils directly adjacent to the active primary coil PC2 n , PCn.
  • the primary coils PC2 n + i , PC2 n -i, for the system 2 according to the invention and the primary coils PCn + i , PCn-i, for the system 1 of the prior art are short-circuited when the primary coil PC2 n , PCn, is active, respectively.
  • the primary coils PC2 n + i , PC2 n -i, and PCn + i, PCn-i, are then traversed by induced currents I2 n + i , I2 n -i, and ln + i, ln-i, respectively.
  • the primary coils PC2 n + 2 , PC2 n -2, for the system 2 according to the invention and the primary coils PC n + 2, PCn-2 for the system 1 of the prior art are not short-circuited and have at their terminals induced voltages V2 n + i , V2 n --i, and V n + 2, V n -2, respectively.
  • the value D is the displacement of the secondary coil SC2, SC, relative to the active primary coil PC2 n , PCn, movement which corresponds to that of the vehicle on a traffic lane.
  • the distance D 0 mm corresponds to a perfect alignment of the secondary coil SC2, SC, on the active primary coil PC2 n , PCn.
  • the invention also provides a reduction in the induced currents I2 n + i and I2 n - 1 in the primary coils PC2 n + i and PC2 n -i in short-circuit, such a reduction reducing joule losses and heating in the circuits. coils and associated converters.
  • the partial overlap recommended by the present invention also allows an increase in the coupling coefficient between the primary coil and the secondary coil at the end of the ground loop.
  • the curves of Fig. 6 show, for the system 2 of the invention, measurements of the coupling coefficient CF with the secondary coil SC2 as a function of the displacement D of the latter, for the coil PC2 n and the adjacent coils PC2 n -i, PC2 n + i .
  • the coupling coefficient CF between the secondary coil SC2 and the primary coil PC2 n varies between 0.15 and 0.26.
  • the measurements (not shown) carried out by the inventive entity give a variation in the coupling coefficient between 0.1 and 0.26.
  • the invention therefore provides an improvement of the order of 50% in the coupling coefficient between the primary coil and the secondary coil at the end of the ground loop.

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Abstract

La piste de recharge inductive (20) comprend une pluralité de modules inducteurs primaires (MP2) agencés côte-à-côte dans lesquels sont contenues une pluralité de bobines primaires (PC2) respectives connectées à des moyens d'alimentation électrique et de commutation (PS2, BDC2, DAP2), et une commande de séquencement d'alimentation excluant une alimentation électrique simultanée de deux bobines primaires adjacentes (PC2n, PC2n+1; PC2n, PC2n-1). Conformément à l'invention, les bobines primaires sont agencées avec un recouvrement partiel (CH) entre deux bobines primaires adjacentes (PC2n, PC2n+1; PC2n, PC2n-1).

Description

Description
Titre : PISTE DE RECHARGE INDUCTIVE POUR VÉHICULES
ÉLECTRIFIÉS ET SYSTÈME DE RECHARGE DYNAMIQUE
L’INCORPORANT
La présente invention revendique la priorité de la demande française
1908818 déposée le 1 er août 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
L’invention concerne de manière générale la recharge dynamique par induction électromagnétique de la batterie de traction d’un véhicule électrifié, comme par exemple un véhicule automobile électrique ou hybride, un autobus ou un tramway. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à une piste de recharge inductive incluse dans un système de recharge dynamique par induction électromagnétique de véhicule électrifié et comprenant une pluralité de modules inducteurs primaires agencés au sol dans une voie de circulation de véhicule. L’invention se rapporte aussi au système de recharge dynamique par induction électromagnétique de véhicule électrifié intégrant une telle piste de recharge inductive.
La propulsion électrique des véhicules apparaît comme étant une solution viable pour répondre aux enjeux environnementaux et de santé publique découlant de la dépendance aux énergies fossiles. Les puissances
spécifiques entre les moteurs électriques et les moteurs thermiques sont dans les mêmes ordres de grandeur, avec cependant un avantage important en termes de rendement pour les moteurs électriques. Les véhicules électriques ont l’inconvénient d’une faible autonomie de roulage, liée à la capacité limitée de la batterie électrique de traction, qui freine leur
développement. L’amélioration de l’autonomie des véhicules électriques exige des capacités de batterie électrique de traction plus importantes, ce qui impose le recours à des systèmes de recharge rapide et continu.
L’adoption des véhicules électriques comme moyen de transport de demain passe par le déploiement d’infrastructures de recharge électrique, avec des systèmes de recharge qui soient sûrs, économiques, efficaces énergétiquement et d’une utilisation aisée pour les personnes. Par ailleurs, les systèmes 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 et la disponibilité des véhicules électriques, et à réduire leur empreinte carbone. 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.
La recharge par induction magnétique est aujourd’hui considérée comme une solution d’avenir pour assurer une recharge efficace des batteries des véhicules électriques, en permettant une stratégie de recharge optimale en fonction de la situation de vie du véhicule. Cette technologie est applicable aussi bien pour la recharge statique du véhicule en stationnement que pour la recharge dynamique du véhicule en roulage, dans des modes de recharge lents ou rapides. Elle apporte à l’utilisateur un confort d’utilisation certain en lui évitant la tâche fastidieuse d’un raccordement par câble du véhicule à une station de recharge électrique et en ayant un véhicule qui se recharge en roulant, sans être dans l’obligation de s’arrêter pour une 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.
Les systèmes de recharge par induction magnétique pour les véhicules électriques font l’objet de différents développements et expérimentations menés par les laboratoires et l’industrie automobile.
De manière générale, l’intégration dans le véhicule électrique de
l’équipement de recharge inductive impose des contraintes sévères sur la conception du système de recharge dynamique par induction magnétique, relatives notamment à l’efficacité énergétique lors de la phase de transfert de puissance, aux poids et volume embarqués et la sécurité des personnes vis- à-vis des rayonnements électromagnétiques. Un état de l’art de ces systèmes de recharge est présenté dans la thèse de Luigi FERRARO intitulée « Design and control of inductive power transfer System for electric vehicle charging », présentée le 3 mai 2017.
Dans une architecture connue montrée aux Figs.1 à 3 ci-annexées, un système de recharge dynamique par induction magnétique 1 comprend une piste de recharge inductive 10 comprenant une pluralité de modules inducteurs primaires MP et un équipement de recharge inductive 1 1 embarqué dans un véhicule électrique et comprenant un module inducteur secondaire MS. Les modules primaires et secondaire MP et MS sont représentés aux Figs.1 et 2 respectivement par leurs bobines PC et SC montrées schématiquement.
La piste de recharge inductive 10 est intégrée dans le revêtement de la chaussée d’une infrastructure routière électrifiée comprenant la pluralité de modules inducteurs primaires MP. Les modules inducteurs primaires MP sont disposés côte-à-côte et alimentés à haute fréquence, typiquement à une fréquence inférieure à 200 kHz, par des convertisseurs électriques de type DC/AC (courant continu - courant alternatif) désignés ci-après
convertisseurs primaires DAP. Dans cette architecture, un convertisseur primaire DAP est dédié à chaque module inducteur primaire MP. Les convertisseurs primaires DAP sont raccordés à une source d’alimentation électrique continue PS à travers un bus d’alimentation électrique continue BDC intégré dans la chaussée.
Comme mieux visible à la Fig.2, l’équipement de recharge inductive 1 1 comprend un module inducteur secondaire MS qui recharge une batterie électrique de traction BAT à travers un pont de redressement de puissance RE et un convertisseur électrique de type DC/DC (courant continu - courant continu) désigné DDS.
L’alimentation électrique des moteurs électriques de traction MOT du véhicule est assurée à partir de la batterie électrique de traction BAT via un convertisseur électrique, désigné DAS, qui est ici de type DC/AC.
En référence à la Fig.3, le coupleur inductif Cl, formé par un module inducteur primaire MP et le module inducteur secondaire MS en vis-à-vis, est un composant particulièrement critique du système de recharge dynamique par induction magnétique. Ce coupleur inductif Cl, qui se caractérise par un entrefer d’air important, une inductance mutuelle faible, des inductances de fuite relativement importantes et un coefficient de couplage magnétique faible et variable, doit répondre à différentes contraintes visant notamment à une bonne efficacité du transfert de puissance et à une réduction des rayonnements électromagnétiques nocifs.
Le module primaire MP et le module secondaire MS ont une architecture sensiblement identique. Le module primaire MP comprend une bobine primaire PC qui est logée dans une structure SP. Le module secondaire MS comprend une bobine secondaire SC qui est logée dans une structure SS sensiblement identique ici à la structure SP.
Les bobines PC, SC, sont réalisées typiquement 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. Les bobines PC, SC, sont de préférence identiques, de type planaire et avec une forme géométrique carrée de façon à maximiser le coefficient de transfert de puissance entre elles.
Les structures SP, SS, sont typiquement des pièces en ferrite, par exemple une ferrite de nuance dite « 3C90 », obtenues par frittage. Généralement, les matériaux les plus utilisés pour assurer la fonction de blindage sont l’aluminium et la ferrite 3C90. L’aluminium, matériau non magnétique, est utilisé aussi pour le blindage. Dans un tel cas, la fonction de blindage est obtenue grâce aux courants de Foucault en surface qui repoussent les lignes de champs.
Des capteurs (non représentés) sont prévus dans le système de recharge dynamique par induction magnétique 1 pour détecter la présence du module inducteur secondaire MS au-dessus des modules inducteurs primaires MP, commander le séquencement des commutations d’activation des
convertisseurs primaires DAP au fur et à mesure du déplacement du véhicule et assurer ainsi le transfert de puissance électrique vers le module inducteur secondaire MS.
Dans un tel système, des couplages électromagnétiques parasites, dus à la proximité entre eux des modules inducteurs, se produisent entre les bobines des modules inducteurs actifs, MPn et MS, et les bobines primaires des modules primaires adjacents et voisins, MPn-i, MPn+i et MPn-2, MPn+2, principalement. Ces couplages électromagnétiques parasites sont
susceptibles de générer des tensions élevées induites dans les bobines primaires adjacentes et voisines et imposent un dimensionnement important de la tenue en tension des composants semi-conducteurs de commutation de puissance dans les convertisseurs primaires DAP et/ou l’ajout de composants semi-conducteurs supplémentaires de protection qui doivent souvent être dimensionnés à des tensions sensiblement plus élevées que celles mises en jeu dans le transfert de puissance.
A la Fig.2, il est montré schématiquement l’ajout de composants semi- conducteurs supplémentaires de protection C1 , C2, dans le circuit résonnant du convertisseur DAP. Ces composants C1 , C2, ont pour fonction de déconnecter complètement le pont de commutation du convertisseur DAP lors de la survenue de tensions élevées induites dans la bobine primaire.
Les composants C1 , C2, doivent avoir une tenue en tension importante et impactent fortement le coût du convertisseur DAP. Par ailleurs, la nécessité de ces composants C1 , C2, est défavorable à la compacité du convertisseur DAP et peut poser des difficultés d’implantation.
La réduction du coût unitaire des convertisseurs primaires DAP est essentielle pour minimiser les investissements nécessaires à un déploiement à grande échelle d’une infrastructure routière électrifiée de recharge par induction électromagnétique.
Il existe donc un besoin pour une topologie nouvelle de piste de recharge inductive qui apporte une solution aux inconvénients exposés ci-dessus de la technique antérieure, en autorisant une réduction des tensions élevées induites dans les bobines primaires par les couplages électromagnétiques parasites.
Selon un premier aspect, l’invention concerne une piste de recharge inductive dans un système de recharge dynamique par induction
électromagnétique de véhicule électrifié, comprenant une pluralité de modules inducteurs primaires agencés côte-à-côte dans lesquels sont contenues une pluralité de bobines primaires respectives connectées à des moyens d’alimentation électrique et de commutation, et ayant une
commande de séquencement d’alimentation excluant une alimentation électrique simultanée de deux bobines primaires adjacentes. Conformément à l’invention, les bobines primaires sont agencées avec un recouvrement partiel entre deux bobines primaires adjacentes.
Selon une caractéristique particulière, les bobines primaires sont de type planaire avec une forme géométrique carrée.
Selon une autre caractéristique particulière, le recouvrement partiel est compris entre 14% et 21 % de la longueur de côté des bobines primaires. Avantageusement, le recouvrement partiel est calculé optimalement de façon à annuler l’effet du couplage entre les bobines primaires.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les bobines primaires sont formées avec du fil de Litz, un feuillard conducteur et/ou des barres de type « Roebel ».
Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens
d’alimentation électrique et de commutation comprennent une pluralité de convertisseurs électriques de type « DC/AC » connectés respectivement à la pluralité de bobines primaires.
Selon encore une autre caractéristique particulière, la pluralité de
convertisseurs électriques de type « DC/AC » sont connectés à un même bus d’alimentation électrique continue.
L’invention concerne aussi un système de recharge dynamique par induction électromagnétique de véhicule électrifié comprenant une piste de recharge inductive et au moins un équipement de recharge inductive embarqué dans un véhicule électrifié et comprenant un module inducteur secondaire avec une bobine secondaire, dans lequel la piste de recharge inductive est une piste de recharge inductive telle que décrite brièvement ci-dessus.
Selon une caractéristique particulière, la bobine secondaire est de même type que les bobines primaires.
L’invention concerne aussi une voie de circulation de véhicule comprenant une piste de recharge inductive de l’invention intégrée au sol.
D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de formes de réalisation particulières de l’invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
[Fig. 1 ] est un bloc-diagramme montrant schématiquement une architecture générale d’un système de recharge dynamique par induction
électromagnétique de véhicule électrifié selon la technique antérieure.
[Fig. 2] est un bloc-diagramme montrant l’architecture des convertisseurs primaires DC/AC et de l’équipement de recharge inductive 1 1 embarqué dans le véhicule électrique dans le système de recharge dynamique par induction électromagnétique de la Fig.1.
[Fig. 3] est une vue schématique en perspective montrant un coupleur inductif dans le système de recharge dynamique par induction
électromagnétique de la Fig.1.
[Fig. 4] est un bloc-diagramme montrant schématiquement une architecture générale d’un système de recharge dynamique par induction
électromagnétique de véhicule électrifié selon la présente invention.
[Fig. 5] est une vue schématique en perspective montrant le recouvrement partiel entre les bobines primaires adjacentes prévu dans le système de recharge dynamique par induction électromagnétique de véhicule électrifié selon la présente invention.
[Fig. 6] montre des courbes de mesure de coefficient de couplage en fonction du déplacement de la bobine secondaire embarquée dans le véhicule.
En référence aux Figs.4 et 6, il est maintenant décrit une forme de réalisation particulière 2 d’un système de recharge dynamique par induction magnétique selon l’invention.
Le système de recharge dynamique par induction magnétique 2 comprend une piste de recharge inductive 20 comprenant une pluralité de modules inducteurs primaires MP2 et un équipement de recharge inductive 21 embarqué dans un véhicule électrique et comprenant un module inducteur secondaire MS2. Les modules primaires et secondaire MP2 et MS2 sont représentés à la Fig.4 respectivement par leurs bobines primaires PC2 et secondaire SC2 montrées schématiquement.
Comme les bobines PC, SC, de la technique antérieure, les bobines PC2, SC2, sont réalisées typiquement avec du fil de Litz, un feuillard conducteur ou des barres de type « Roebel » selon les applications. Les bobines PC2, SC2, sont sensiblement identiques, de type planaire et avec une forme géométrique carrée de façon à maximiser le coefficient de transfert de puissance entre elles.
Dans cette exemple de réalisation, les bobines primaires PC2 sont alimentées à une fréquence voisine de 85 kHz par des convertisseurs électriques de type DC/AC (courant continu - courant alternatif) désignés ci- après convertisseurs primaires DAP2. Un convertisseur primaire DAP2 est dédié à chaque bobine primaire PC2. Les convertisseurs primaires DAP2 sont raccordés à une source d’alimentation électrique continue PS2 à travers un bus d’alimentation électrique continue BDC2 intégré dans la chaussée. L’équipement de recharge inductive 21 a une architecture analogue à celle de l’équipement de recharge inductive 1 1 de la technique antérieure, décrit plus haut en référence à la Fig.2, et ne sera détaillé de nouveau ici.
Comme visible à la Fig.4, l’architecture de la piste de recharge inductive 20 se distingue de celle de la piste de recharge inductive 10 de la technique antérieure essentiellement par l’agencement des bobines primaires PC2 de ses modules inducteurs primaires MP2.
Conformément à la présente invention, les bobines primaires PC2
adjacentes sont agencées de manière « entrelacées », comme montré à la Fig.5 pour les bobines PC2n+i et PC2n+2. Plus précisément, les bobines primaires PC2 adjacentes sont disposées avec un recouvrement partiel CH entre elles.
Les simulations et essais expérimentaux réalisés par l’entité inventive ont mis en évidence qu’un tel recouvrement partiel entre les bobines primaires PC2 permet de réduire de manière très significative les tensions induites par les couplages électromagnétiques parasites dans les bobines primaires adjacentes et voisines à la bobine primaire active.
Les tableaux ci-dessous Table 1 , Table 2, et Table 3, Table 4, montrent comparativement des résultats de simulations et essais obtenus
respectivement pour le système 2 selon l’invention et le système 1 de la technique antérieure.
La configuration suivante a été choisie pour les simulations et essais : - une puissance du système égale à 2,5 kW ;
- un courant continu maximal de 42 A dans le bus d’alimentation électrique continue BDC2, BDC ;
- une tension continue de 60 V dans le bus d’alimentation électrique continue BDC2, BDC ;
- une fréquence comprise entre 84 kHz et 95 kHz pour l’alimentation haute fréquence des bobines primaires PC2, PC ; et
- une forme carrée LxL = 450x450 mm des bobines primaires et secondaires PC2, PC, et SC2, SC.
Pour le système 2 selon l’invention, le recouvrement partiel CH entre les bobines primaires PC2 est de CH = 80 mm, soit un recouvrement partiel sur (CH/L)x100 = 17,8% de la longueur de côté L des bobines primaires PC2. Pour le système 2 avec la configuration définie ci-dessus, un recouvrement partiel CH de 80 mm a été déterminé comme étant une valeur optimale pour la réduction des tensions induites dans les bobines primaires PC2. De manière générale, en fonction des applications, le recouvrement partiel CH sera compris entre 14% et 21 % de la longueur de côté L des bobines primaires PC2.
Le système 2 selon l’invention et le système 1 de la technique antérieure conservent également un même séquencement de commande des bobines primaires PC2, PC.
Le séquencement de commande prévoit ici une mise en court-circuit des bobines primaires directement adjacentes à la bobine primaire active PC2n, PCn. Ainsi les bobines primaires PC2n+i, PC2n-i, pour le système 2 selon l’invention et les bobines primaires PCn+i , PCn-i , pour le système 1 de la technique antérieure sont mises en court-circuit lorsque la bobine primaire PC2n, PCn, est active, respectivement. Les bobines primaires PC2n+i, PC2n-i , et PCn+i, PCn-i , sont alors parcourues par des courants induits I2n+i, I2n-i, et ln+i , ln-i , respectivement. Les bobines primaires PC2n+2, PC2n-2, pour le système 2 selon l’invention et les bobines primaires PCn+2, PCn-2 pour le système 1 de la technique antérieure ne sont pas mises en court-circuit et ont à leurs bornes des tensions induites V2n+i, V2n--i, et Vn+2, Vn-2, respectivement.
Dans les tableaux Table 1 , Table 2, Table 3 et Table 4 ci-dessous, la valeur D, montrée aux Figs.1 et 4, est le déplacement de la bobine secondaire SC2, SC, par rapport à la bobine primaire active PC2n, PCn, déplacement qui correspond à celui du véhicule sur une voie de circulation. La distance D = 0 mm correspond à un alignement parfait de la bobine secondaire SC2, SC, sur la bobine primaire active PC2n, PCn.
Système 2 selon l’invention : Résultats de simulation et essais
[Table. 1 ]
Figure imgf000012_0001
Résultats de simu ation
[Table. 2]
Figure imgf000012_0002
Résultats d’essais expérimentaux
Système 1 de la technique antérieure : Résultats de simulation et essais [Table. 3]
Figure imgf000013_0001
Résultats de simu ation
[Table. 4]
Figure imgf000013_0002
Résultats d’essais expérimentaux
Pour le système 1 selon l’invention, les résultats de simulation (Table 1 ) donnent les valeurs maximales suivantes de courants induits et tensions induites : I2n+i = 56 A, I2n-i = 7,41 A, V2n+2 = 24 V et V2n-2 = 41 V, qui sont obtenues avec un déplacement D = 234 mm.
Pour le système 2 de la technique antérieure, les résultats de simulation (Table 3) donnent les valeurs maximales suivantes de courants induits et tensions induites : ln+i = 77 A, ln-i = 55 A, Vn+2 = 455 V et Vn-2 = 351 V qui sont obtenues avec un déplacement D = 234 mm.
Les résultats des essais expérimentaux (Tables 2 et 4) confirment les ordres de grandeur des résultats de simulation (Tables 1 et 2).
Les résultats ci-dessus montrent le bénéfice important apporté par la présente invention en termes de réduction des tensions induites dans les bobines primaires PC2n+2 et PC2n-2 voisines de la bobine primaire active, avec une tension induite maximale V2n-2 = 41 V pour le système 2 de l’invention à comparer à une tension induite maximale Vn+2 = 455 V pour le système 1 de la technique antérieure. Cette réduction importante des tensions induites autorise un dimensionnement en tension sensiblement inférieur des composants semi-conducteurs de commutation de puissance dans les convertisseurs primaires DAP2 du système 2 de l’invention, comparativement à ceux utilisés dans les convertisseurs primaires DAP du système 1 de la technique antérieure. De plus, les composants semi- conducteurs supplémentaires de protection C1 , C2, (Fig.2) prévus dans les convertisseurs primaires DAP du système 1 de la technique antérieure ne sont pas nécessaires dans les convertisseurs primaires DAP2 du système 2 de l’invention.
L’invention procure également une réduction des courants induits I2n+i et I2n- 1 dans les bobines primaires PC2n+i et PC2n-i en court-circuit, une telle réduction réduisant les pertes joules et l’échauffement dans les bobines et les convertisseurs associés.
Outre les bénéfices susmentionnés, le recouvrement partiel préconisé par la présente invention permet également une augmentation du coefficient de couplage entre la bobine primaire et la bobine secondaire en fin de boucle au sol. Les courbes de la Fig.6 montrent, pour le système 2 de l’invention, des mesures du coefficient de couplage CF avec la bobine secondaire SC2 en fonction du déplacement D de celle-ci, pour la bobine PC2n et les bobines adjacentes PC2n-i, PC2n+i. Comme visible à la Fig.6, le coefficient de couplage CF entre la bobine secondaire SC2 et la bobine primaire PC2n varie entre 0,15 et 0,26. Avec le système 1 de la technique antérieure, sans le recouvrement partiel préconisé par la présente invention, les mesures (non représentées) effectuées par l’entité inventive donnent une variation du coefficient de couplage entre 0,1 et 0,26. Dans cet exemple de réalisation, l’invention procure donc une amélioration de l’ordre de 50% du coefficient de couplage entre la bobine primaire et la bobine secondaire en fin de boucle au sol. Il est clair pour l’homme du métier que l’agencement proposé dans la présente invention, qui prévoit un recouvrement partiel entre les bobines primaires adjacentes, diffère de la structure de double bobine connue dite « BP », pour « Bipolar Polarized » en anglais. La structure de double bobine « BP » est décrite dans la thèse de Luigi FERRARO susmentionnée, intitulée
« Design and control of inductive power transfer System for electric vehicle charging » et présentée le 3 mai 2017. Dans cette structure de double bobine « BP », les deux bobines sont disposées avec un recouvrement partiel et alimentées simultanément par des courants en sens inverse. Dans la présente invention, une seule à la fois des deux bobines primaires
adjacentes est alimentée en courant.
L’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. 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. Piste de recharge inductive (20) dans un système de recharge dynamique par induction électromagnétique de véhicule électrifié (2), comprenant une pluralité de modules inducteurs primaires (MP2) agencés côte-à-côte dans lesquels sont contenues une pluralité de bobines primaires respectives (PC2) connectées à des moyens d’alimentation électrique et de commutation (PS2, BDC2, DAP2), et ayant une commande de
séquencement d’alimentation excluant une alimentation électrique
simultanée de deux bobines primaires adjacentes (PC2n, PC2n+i ; PC2n, PC2n-i), caractérisée en ce que lesdites bobines primaires (PC2) sont agencées avec un recouvrement partiel (CH) entre deux bobines primaires adjacentes (PC2n, PC2n+i ; PC2n, PC2n-i).
2. Piste de recharge inductive selon la revendication 1 , caractérisée en ce que lesdites bobines primaires (PC2) sont de type planaire avec une forme géométrique carrée.
3. Piste de recharge inductive selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit recouvrement partiel (CH) est compris entre 14% et 21 % de la longueur de côté (L) desdites bobines primaires (PC2).
4. Piste de recharge inductive selon l’une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisée en ce que lesdites bobines primaires (PC2) sont formées avec du fil de Litz, un feuillard conducteur et/ou des barres de type
« Roebel ».
5. Piste de recharge inductive selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que lesdits moyens d’alimentation électrique et de commutation comprennent une pluralité de convertisseurs électriques de type « DC/AC » (DAP2) connectés respectivement à ladite pluralité de bobines primaires (PC2).
6. Piste de recharge inductive selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite pluralité de convertisseurs électriques de type « DC/AC » (DAP2) sont connectés à un même bus d’alimentation électrique continue (BDC2).
7. Système de recharge dynamique par induction électromagnétique de véhicule électrifié (2) comprenant une piste de recharge inductive (20) et au moins un équipement de recharge inductive (21 ) embarqué dans un véhicule électrifié et comprenant un module inducteur secondaire (MS2) avec une bobine secondaire (SC2), caractérisé en ce que ladite une piste de recharge inductive est une piste de recharge inductive (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Système de recharge dynamique selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite bobine secondaire (SC2) est de même type que lesdites bobines primaires (PC2).
9. Voie de circulation de véhicule caractérisée en ce qu’elle comprend une piste de recharge inductive (20) selon l’une quelconque des
revendications 1 à 6 intégrée au sol.
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