Un nouveau récepteur à solénoïde creux compatible avec le double global

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11925 (2023) Citer cet article

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La technologie de transfert de puissance inductif (IPT) est une solution prometteuse pour charger les véhicules électriques (VE) en permettant à un EV de charger son système de stockage d'énergie (batterie) sans aucun fil de connexion via un couplage magnétique. Cet article propose une nouvelle conception de récepteur appelée récepteur Hollow Solenoid qui est compatible avec l'émetteur standard double D défini par la norme SAE J2954. Une analyse approfondie de la conception du récepteur à solénoïde creux proposé est présentée pour définir les paramètres de conception optimaux pour la bobine (inductances, nombre de tours, dimensions, fils, etc.) et le noyau de ferrite (dimensions, nombre, disposition, etc.). Plusieurs conceptions de récepteurs solénoïdes (SR) WPT3 (11,1 kVA) ont été présentées et analysées en fonction de leur efficacité, de leur poids, de leur taille, de leur volume et de leur coût. Les performances du SR proposé ont été comparées à celles du récepteur Double-D global (DDR) présenté par la norme SAE J2954 dans différentes conditions d'alignement et de chargement latéral et rotatif, en tenant compte du facteur de couplage, de la puissance et de l'efficacité de transmission, ainsi que des champs électromagnétiques parasites (CEM). L'ensemble du système IPT, y compris les bobines, le réseau de compensation, les convertisseurs de puissance, les commandes et la charge de la batterie, a été modélisé et analysé pour les bobines SR et DDR. Les résultats révèlent que le SR proposé est compatible avec l'émetteur global DD dans différentes conditions d'alignement et de charge et est capable de transmettre la puissance souhaitée (11 kW) avec un rendement > 85 %. La conception Hollow SR présente l'efficacité la plus élevée et la taille, le poids et le coût les plus bas par rapport aux conceptions DDR et autres.

Le secteur des transports constitue une source majeure d'émissions nocives (la plus élevée aux États-Unis), car il dépend principalement des combustibles fossiles, qui constituent une source d'énergie non permanente et sont susceptibles de s'épuiser avec le temps. Il existe donc un besoin urgent d’utiliser des véhicules électriques (VE) pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles et réduire les émissions de gaz à effet de serre (GES). Le déploiement des véhicules électriques à grande échelle peut être entravé si l’infrastructure de recharge appropriée n’est pas disponible ou accessible. La technologie de transfert de puissance inductif (IPT) présente des fonctionnalités prometteuses qui permettent de recharger les véhicules électriques pendant le stationnement de longue durée ainsi que pendant les déplacements. L'IPT est une technique permettant de charger les batteries de véhicules électriques sur une grande distance d'entrefer (100 à 400 mm) sans aucun contact physique. Il présente plusieurs avantages par rapport aux chargeurs rechargeables en termes d'automatisation, de flexibilité, de sécurité, de maintenance et de commodité. Il convient également aux conditions environnementales difficiles telles que la pluie, la neige, la poussière, etc.1. Le système IPT se compose de deux côtés isolés ; le côté terre (émetteur) qui contient un plot primaire, un circuit résonant, un onduleur haute fréquence (HF) et un redresseur de réseau. Le côté du véhicule (récepteur) qui contient un tampon secondaire, un circuit résonant et un redresseur à diode qui alimente la batterie du véhicule électrique, comme indiqué sur la figure 1. L'alimentation alimente l'onduleur en énergie basse fréquence qui la convertit en alimentation HF et alimente le bobine de l'émetteur (primaire). Les champs électromagnétiques générés par la bobine primaire sont couplés à la bobine secondaire pour transmettre la puissance à la même fréquence d'alimentation. L'alimentation secondaire HF est recertifiée pour charger la batterie du VE. Les côtés principal et secondaire communiquent entre eux via une liaison de communication sans fil pour permettre l'alignement, l'authentification, le contrôle et le paiement des factures.

Exemples de composants de système IPT faiblement couplés.

Le coupleur magnétique inductif (plaquettes primaires et secondaires) est un composant essentiel du système IPT qui est responsable du transfert de puissance de la source à la charge. De nombreuses structures et conceptions de plots ont été introduites et discutées dans la littérature en fonction de la forme des champs électromagnétiques générés. Ces structures sont divisées en trois types, structures polarisées, dans lesquelles les composants de flux se déplacent horizontalement, comme le plot double D (DD) et le plot solénoïde2. Les structures avec des composantes de flux verticales sont dites non polarisées, comme les plots rectangulaires et circulaires3. La troisième structure se compose de plusieurs bobines superposées qui sont mutuellement découplées et peuvent générer des flux verticaux et horizontaux tels que des plots bipolaires et tripolaires4. Les plots rectangulaires et DD pour l'émetteur et le récepteur sont présentés dans les normes SAE J2954 pour la recharge des véhicules électriques légers. Ces pads présentent de bons avantages en termes de simplicité et de performances, ce qui les rendent adaptés au pad émetteur. Cependant, en raison de la grande quantité de fils de Litz et de ferrite utilisés dans ces coussinets, ils présentent un poids élevé, une grande taille et un coût élevé, ce qui les rend inappropriés pour un coussin de véhicule, où l'espace et le poids sont critiques. La bobine solénoïde est une structure magnétique prometteuse pour les véhicules, avec de très bonnes performances (facteur de couplage élevé avec une densité de puissance élevée et une petite taille) et un faible coût. Il permet également une grande tolérance de désalignement avec des entrefers moyens et grands en raison de l'absence de position de couplage nulle car il s'agit d'une structure double face et génère un rayonnement non ionisant important5,6. Les auteurs in7 ont conçu un système de charge sans fil composé d'une bobine solénoïde plate et d'un convertisseur boost entrelacé. Un prototype a été construit pour une étude pratique, transmettant une puissance de 500 W à travers un entrefer de 170 mm. Les paramètres de la bobine solénoïde ont été optimisés et une efficacité de transmission CC-CC de 90,1 % a été obtenue. Dans l’étude 8, les chercheurs ont combiné une bobine solénoïde avec une bobine rectangulaire pour former une plaque émettrice. En revanche, les tampons circulaires et rectangulaires ont été utilisés séparément. Une comparaison a été faite entre eux en termes de variation de l'inductance de la bobine, de degré de disparité de désalignement, ainsi que de facteur de couplage. Il a été constaté que lorsque le solénoïde est combiné et placé au milieu de la bobine rectangulaire, le coefficient de couplage est considérablement augmenté. In5, un système IPT est conçu sur la base d'une configuration solénoïde pour transmettre la puissance souhaitée à travers un entrefer de 200 mm. Des noyaux de ferrite guidant le flux ont été proposés pour augmenter le coefficient de couplage, et un blindage métallique en aluminium a été utilisé pour éliminer les champs électromagnétiques de fuite. Les chercheurs ont proposé un système IPT basé principalement sur la configuration du solénoïde en9. Ce système se compose d'un solénoïde plat côté émetteur et de deux solénoïdes côté récepteur. Une analyse du système a été réalisée pour obtenir le coefficient de couplage le plus élevé, et le principe d'interopérabilité du système proposé avec les configurations DD et bipolaires a été testé. Une transmission de puissance de 6 kW est obtenue grâce à un entrefer de 50 mm, avec une tolérance de désalignement horizontal de 125 mm.