Titre de l'invention : Circuit résonant secondaire

[1] La présente invention concerne un circuit résonant secondaire.

[2] La présente invention porte sur un circuit résonant secondaire et sur un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger une batterie d’un véhicule automobile ou tout type de véhicule, terrestre, aérien, ou maritime, propulsé par l’intermédiaire d’une énergie électrique.

[3] De façon connue en soi, il est techniquement possible d’alimenter par transmission sans contact un véhicule automobile ou tout autre objet muni d'un dispositif de stockage d’énergie électrique à une puissance comprise entre 3 et 50 kW, lorsque cet objet est à l’arrêt (on parle dans ce cas de charge statique), ou lorsque celui-ci se déplace (on parle alors de charge dynamique). Cette alimentation par transmission sans contact se fait alors au moyen de circuits électriques distants couplés magnétiquement et accordés à la même fréquence. Les circuits couplés magnétiquement comportant chacun au moins un élément LC résonant, L et C désignant respectivement des inductances et condensateurs.

[4] Un problème avec ce type de solution est que pour transmettre un niveau de puissance satisfaisant, notamment plusieurs kW, il faut opérer à des fréquences élevées, notamment de l’ordre de 85 kHz ou plus, pour la fréquence de résonance de chaque sous-circuit résonant. En outre, ce type de solution nécessite d'opérer à faible distance entre les éléments résonants situés à la source et à la charge.

[5] Les niveaux de fréquence et de puissance mentionnés plus haut, pour une mise en œuvre en kWatts, peuvent en outre constituer un danger pour la santé des personnes exposées à proximité, ou à l’environnement en général.

[6] Il est connu de la demande US2011/0204845 de réaliser une recharge de véhicule électrique sans contact par couplage inductif à résonance à une fréquence comprise entre 60Hz et 1200Hz. Cette demande ne précise cependant pas la nature des composants électriques permettant une recharge sans contact par couplage inductif dans cette plage de fréquence. [7] La présente invention propose notamment de réaliser une recharge de véhicule électrique, ou autre système embarqué à stockage électrique, à très basse fréquence de transfert, optionnellement avec un flux de puissance réversible.

[8] L’ invention a ainsi pour objet un circuit résonant secondaire pour réaliser, dans un mode recharge, une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, avec un circuit résonant primaire comportant au moins un premier condensateur et une première inductance, cette transmission de puissance étant dirigée vers la charge résistive couplée au circuit résonant secondaire, ce circuit résonant secondaire comportant :

- un deuxième condensateur et une deuxième inductance, apte à être couplés magnétiquement et partiellement au premier condensateur et à la première inductance,

- un ensemble de découplage comprenant un redresseur agencé pour mettre à disposition une tension continue pour fournir une puissance de recharge à destination de la charge résistive, et un montage d’adaptation d’impédance qui est agencé pour faire varier l’impédance équivalente sur l’entrée de ce montage d’adaptation d’impédance, indépendamment de l’impédance de la charge résistive en sortie de ce montage d’adaptation d’impédance.

[9] L’ impédance équivalente sur l’entrée du montage d’adaptation d’impédance est représentée par le ratio V/l où V est la tension aux bornes du montage d’adaptation d’impédance et I l’intensité du courant qui le traverse.

[10] L’ invention permet ainsi de réaliser une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance à basse fréquence, contrairement à l’art antérieur, remédiant ainsi aux inconvénients précités. L’utilisation d’un montage d’adaptation d’impédance permet d’accroitre la puissance transmise, ce qui est d’autant plus favorable dans un transfert sans contact par couplage inductif à résonance à basse fréquence. On bénéficie ainsi d’une solution simple et efficace pour accroître la puissance transmise.

[11] De préférence, la pulsation de résonance des circuits primaire et secondaire est égale à 2.TT. FO avec Fo la fréquence de pulsation d’une source au circuit primaire qui fournit la puissance de recharge. [12] Les fonctions de redressement par le redresseur et d’adaptation d’impédance par le montage d’adaptation d’impédance peuvent être réalisées par deux étages électroniques distincts ou bien par un étage électronique unique.

[13] Selon l’un des aspects de l’invention, la source au circuit primaire présente une tension alternative, de forme sinusoïdale ou carrée, et à une fréquence de pulsation Fo.

[14] Selon l’un des aspects de l’invention, cette tension attaque un circuit Lp/Cp résonant, magnétiquement et partiellement couplé à un second circuit résonant Ls/Cs, couplage dont le coefficient de couplage magnétique est noté k.

[15] Le coefficient de couplage k est dans la plage 0<k<1 . On note que le coefficient k est lié à l’inductance mutuelle par la relation M ² = k ² .Lp.Ls qui traduit le couplage inductif entre deux inductances propres.

[16] Selon l’un des aspects de l’invention, la fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire est inférieure à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1 kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz. La plage de fréquences peut être 50-2000 Hz. La fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire peut en variante être comprise entre 3 kHz et 5 kHz. En variante, la fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire peut être supérieure à 5 kHz, étant par exemple de l’ordre de 85 kHz.

[17] Le deuxième condensateur et la deuxième inductance peuvent être montées en série, c’est-à-dire être disposés entre deux nœuds du circuit secondaire. Une telle disposition permet que la valeur de la capacité du deuxième condensateur soit indépendante du coefficient de couplage k précité et d’accroître encore le transfert de puissance.

[18] Le circuit secondaire peut être dépourvu d’inductance variable pilotée, cette inductance variable étant agencée pour être pilotée de sorte à activer un effet d’amplification paramétrique du courant dans le circuit secondaire. Lorsque le deuxième condensateur et la deuxième inductance sont montés en série, ce montage en série peut être directement reçu sur l’entrée alternative de l’ensemble de découplage du circuit secondaire. [19] L’ invention permet un transfert de puissance électrique de la source vers la charge en mode recharge.

[20] L’ invention a également pour objet un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, notamment pour charger ou recharger en énergie électrique une charge résistive telle qu’une batterie de véhicule, comportant :

- un circuit résonant primaire comportant un premier condensateur et une première inductance, le circuit résonant primaire étant alimenté par une source de tension,

- un circuit résonant secondaire tel que précité, qui reçoit, en mode recharge, de la puissance électrique du circuit primaire, avec une fréquence de transfert entre le circuit primaire et le circuit secondaire qui est inférieure à 5 kHz, voire à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1 kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz, ou en variante qui est supérieure à 5 kHz, étant notamment égale à 85 kHz.

[21] Le premier condensateur et la première inductance sont par exemple montés en série.

[22] L’ ensemble de découplage peut comprendre deux bras montés en parallèle, chaque bras comprenant deux interrupteurs commandables en série, qui sont par exemple des transistors MOS, et l’un des bras peut commuter à la fréquence de la puissance transmise depuis le circuit primaire et avec un rapport cyclique de 50%, et l’autre bras peut commuter à une fréquence supérieure à celle de la puissance transmise depuis le circuit primaire, par exemple à une fréquence égale ou supérieure à 5 fois ou 10 fois la fréquence de la puissance transmise depuis le circuit primaire, et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif mesuré et la tension sur l’entrée alternative de l’ensemble de découplage.

[23] Dans les chargeurs de véhicules électriques usuels, il est courant de trouver une fonction de réversibilité en puissance pour participer à la fonction dite Réseau électrique intelligent, ou « smart grid » en anglais, d’un réseau électrique urbain.

[24] Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif est agencé pour être réversible en puissance permettant au circuit secondaire d’envoyer de la puissance vers le circuit primaire, cette puissance reçue dans le circuit primaire pouvant par exemple être injectée dans un réseau électrique urbain.

[25] Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif comporte, du côté du circuit secondaire, un étage de chargeur embarqué, notamment de type « Single-Phase Single-Stage Bidirectional Onboard Charger » en anglais, agencé pour échanger sans contact une puissance électrique avec le circuit secondaire pour permettre une fonction de recharge filaire embarquée supplémentaire.

[26] Dans tout ce qui précède, le circuit primaire peut être intégré à une borne de charge de véhicule électrique ou hybride. Cette borne reçoit alors de l’énergie électrique d’un réseau électrique via un câble qui peut être un câble monophasé ou un câble triphasé. Dans ce cas, le circuit primaire et le circuit secondaire ne sont pas intégrés à un même composant physique.

[27] En variante, le circuit primaire et le circuit secondaire peuvent être intégrés à un même composant physique. Un tel composant, qui est par exemple appelé

« chargeur », peut être embarqué dans un véhicule.

[28] Dans tout ce qui précède, la charge résistive peut être une batterie, cette dernière ayant alors une tension nominale de 12V, 48V, 60V ou plus, par exemple supérieure à 300V, par exemple de 400V, 800V ou 1000V.

[29] Dans tout ce qui précède, la première et/ou la deuxième inductance peut être réalisée en fil métallique, comme du cuivre. Un tel fil métallique est plein, par opposition à du fil de Litz. Un fil métallique plein n’a pas sa section transversale évidée. En variante, l’une au moins de ces inductances, voire chacune de ces inductances, est en fil de Litz.

[30] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description détaillée donnée ci-après, et d’exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés, sur lesquels :

[31] [Fig.1 ] est une représentation schématique d'un dispositif de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance selon un exemple de mise en œuvre de l’invention,

[32] [Fig.2] représente schématiquement le montage de découplage du circuit secondaire du dispositif de la figure 1 , [33] [Fig.3] représente schématiquement une variante de montage de découplage du circuit secondaire du dispositif de la figure 1 ,

[34] [Fig.4] représente schématiquement un étage de chargeur embarqué connecté au dispositif de la figure 1 .

[35] On a représenté sur la figure 1 un dispositif 1 de transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, pour charger ou recharger en énergie électrique une charge résistive 2, ici une batterie de véhicule.

[36] Le dispositif 1 comporte :

- un circuit résonant primaire 3 comportant un premier condensateur Cp et une première inductance Lp, le circuit résonant primaire 3 étant alimenté par une source de tension 4 ici un réseau électrique domestique,

- un circuit résonant secondaire 5 qui reçoit, en mode recharge, de la puissance électrique du circuit primaire 3.

[37] Le circuit primaire 3 comprend en outre, après la source 4, un étage redresseur avec correcteur de facteur de puissance 7, ou redresseur PFC 7 (PFC désignant en anglais « Power Factor Correction »), suivi d’un convertisseur DC/AC 8 (convertisseur continu alternatif) qui fournit une tension VACL

[38] La source au circuit primaire présente une tension VAO alternative, de forme sinusoïdale ou carrée, et à une fréquence de pulsation Fo.

[39] La fréquence est à 50 Hz dans l’exemple décrit.

[40] L’étage redresseur PFC 7 sert, d’une part, à transformer le courant alternatif (AC) en courant continu (DC), et, d’autre part, à permettre que le courant prélevé sur le réseau alternatif 4 soit le plus proche d’un sinus parfait à la pulsation du réseau. Un des buts est de réduire le courant réactif et les sous-harmoniques qui augmentent les pertes énergétiques en conduction.

[41] Le circuit résonant secondaire 5 sert à réaliser, dans un mode recharge, une transmission de puissance sans contact par couplage inductif à résonance, avec le circuit résonant primaire 3, cette transmission de puissance étant dirigée vers la charge résistive 2 couplée au circuit résonant secondaire 5, cette charge résistive 2 ayant une impédance active équivalente.

[42] Le circuit résonant secondaire 5 comporte : - une deuxième condensateur Cs de valeur Cs et une deuxième inductance Ls de valeur Ls, couplées magnétiquement et partiellement au premier condensateur Cp et la première inductance Lp,

- un ensemble de découplage 10 agencé pour découpler l’impédance équivalente de la charge résistive 2 de la puissance de recharge.

[43] Comme on peut le voir sur la figure 2, cet ensemble de découplage 10 peut dans un exemple comprendre un redresseur 11 agencé pour mettre à disposition une tension continue pour fournir une puissance de recharge à destination de la charge résistive 2, et un montage d’adaptation d’impédance 12 qui est agencé pour faire varier l’impédance équivalente sur l’entrée de ce montage d’adaptation d’impédance, indépendamment de l’impédance active équivalente de la charge résistive en sortie de ce montage d’adaptation d’impédance.

[44] Le redresseur 11 comprend, de manière classique, quatre diodes D1 à D4.

[45] Le montage d’adaptation d’impédance 12, ou PFC, comprend deux condensateurs C1 , C2 et un interrupteur Q, tous dans des branches parallèles respectives, et une inductance L et une diode D5.

[46] Ce montage 12 voit en entrée une tension redressée à partir de la tension Vin et délivre en sortie une tension Vout. étant dans l’exemple décrit égale à la tension Vbatt aux bornes de la charge résistive.

[47] L’ ensemble de découplage 10 réalise ainsi deux fonctions. La première fonction est de faire un redressement du courant alternatif pour amener un courant continu vers la batterie 2. La seconde fonction est de s’assurer que le ratio de la tension présente en entrée de l’ensemble 10 divisée par le courant d’entrée soit égale à une impédance de référence R. En d’autres termes, cet ensemble 10 transforme le redressement couplé à la batterie en une résistance équivalente vue de la maille résonante embarquée côté véhicule.

Le but de cette régulation d’impédance équivalente de charge est de placer la maille résonante dans une disposition favorable à l’établissement d’un courant pour maximiser le transfert de puissance vers la batterie. La valeur de référence de cette charge est un compromis. Elle doit être assez haute pour ne pas nécessiter beaucoup de courant pour transférer de la puissance. Elle doit être assez basse pour garantir qu’en entrée de cet ensemble, la tension soit strictement inférieure à la tension de batterie, autrement le système serait hors de contrôle et la régulation devient impossible.

[48] La pulsation de résonance des circuits primaire 3 et secondaire 5 est égale à 2.TT.FO avec Fo la fréquence de pulsation de la source au circuit primaire 3 qui fournit la puissance de recharge.

[49] Les fonctions de redressement par le redresseur 11 et d’adaptation d’impédance par le montage d’adaptation d’impédance 12 peuvent être réalisées par deux étages électroniques distincts, comme illustré sur la figure 2, ou bien au sein d’un étage électronique unique, comme illustré sur la figure 3.

[50] Le montage 10 peut être un montage électronique de type « Totem POLE PFC rectifier » ou « dual Boost PPC rectifier », ces montages étant connus dans la littérature électronique pour leur structure.

[51] Dans l’exemple de la figure 3, le montage 10 constitue un unique étage électronique réalisant à la fois un redressement de tension et une adaptation d’impédance par l’intermédiaire de deux bras 20 montés en parallèle. Chaque bras comprend deux interrupteurs commandables en série qui sont par exemple des transistors MOS. L’un des deux bras commute à la fréquence de la puissance transmise depuis le circuit primaire et avec un rapport cyclique de 50%, et l’autre bras commute à une fréquence supérieure à celle de la puissance transmise depuis le circuit primaire, par exemple à une fréquence égale ou supérieure à 5 fois ou 10 fois la fréquence de la puissance transmise depuis le circuit primaire, et avec un rapport cyclique modulé selon le courant alternatif mesuré et la tension sur l’entrée alternative du montage 10.

[52] Le montage d’adaptation d’impédance 10 de la figure 3 est agencé pour faire varier l’impédance équivalente RRef aux bornes de l’entrée alternative, définie entre les deux points milieux des bras, indépendamment de l’impédance de la charge résistive en sortie de ce montage 10.

[53] L’ impédance équivalente RRef est représentée par le ratio V/l où V est la tension aux bornes de l’entrée alternative, et I l’intensité du courant sur cette entrée alternative.

[54] RRef a par exemple une valeur comprise entre 5'Q et 15'Q. Pour une configuration de recharge donnée, cette configuration étant notamment déterminée par l’un au moins parmi : la position du circuit résonant secondaire 5 par rapport au circuit résonant primaire 3 et/ou le niveau de puissance à transmettre et/ou la tension aux bornes de la batterie, RRef peut avoir une valeur fixe et cette valeur est par exemple dans la plage précitée. D’une configuration de recharge à l’autre, par exemple en cas d’éloignement plus important entre le circuit résonant primaire 3 et le circuit résonant secondaire 5 et/ou pour tenir compte du vieillissement du système, la valeur de RRef peut être modifiée, restant notamment dans la plage précitée.

[55] L’ un des interrupteurs commandables du bras qui commute à une fréquence supérieure à celle de la puissance transmise depuis le circuit résonant primaire 3 est par exemple piloté selon un rapport cyclique a tandis que l’autre interrupteur commandable de ce bras est piloté selon un rapport cyclique 1 - a, et a est par exemple déterminé selon l’équation ci-dessousoc= ^Rfie/X|/| batt

[56] La tension VACI, dite de source, à la sortie du convertisseur 8 attaque une cellule Lp/Cp résonante, magnétiquement et partiellement couplée à une cellule résonante Ls/Cs du circuit résonant secondaire, couplage dont le coefficient de couplage magnétique est noté k.

[57] Le coefficient de couplage k est dans la plage 0<k<1 .

[58] La fréquence de transfert de puissance entre le circuit primaire et le circuit secondaire est inférieure à 5 kHz, voire inférieure à 3kHz, voire inférieure à 2kHz ou 1 kHz, notamment encore sensiblement égale à 400 Hz ou 50 Hz. Cette fréquence de transfert est notamment celle appliquée à la cellule LC résonante du circuit primaire.

[59] L’ invention permet un transfert de puissance électrique de la source VAO vers la charge 2 en mode recharge.

[60] Selon l’un des aspects de l’invention, le dispositif comporte, du côté du circuit secondaire, un étage de chargeur embarqué 30, notamment de type « Single- Phase Single-Stage Bidirectional Onboard Charger » en anglais, agencé pour échanger sans contact une puissance électrique avec le circuit secondaire pour permettre une fonction de recharge filaire embarquée supplémentaire.

[61] Cet étage de chargeur embarqué 30, connu en soi, est représenté en pointillés sur la figure 1. [62] Cet étage de chargeur embarqué 30 est de type convertisseur AC/DC isolé qui intègre les fonctions de redresseur, notamment à 50Hz, d’onduleur Hautes Fréquences et PFC avec un unique étage d’entrée à MOSFETs.

[63] Comme illustré sur la figure 4, cet étage de chargeur embarqué 30 est connecté à un pont redresseur 29 de l’ensemble de découplage 10 qui comprend le montage d’adaptation d’impédance 12, présent en parallèle de la batterie.

[64] Cet étage 30 sert un réseau embarqué 31 qui permet la recharge filaire.