Techniques employées, technologie de transmission d’énergie sans fil
Chapitre II : Technologie de transmission d’énergie sans fil
I- Introduction :
La mise au point de la première technique de transmission d’énergie sans fil (TESF) – la technique d’induction – remonte au XIXe siècle.
Depuis 2006 et l’innovation du Massachusetts Institute of Technology relative à une technique de transmission d’énergie sans fil n’utilisant pas de faisceau, de nombreuses techniques de transmission d’énergie sans fil (TESF) sont étudiées, par exemple la transmission par faisceau radiofréquence, par induction d’un champ magnétique, par résonance, etc.
Les applications de la TESF vont des dispositifs mobiles et portables aux véhicules électriques en passant par les appareils domestiques et les équipements de bureau. De nouvelles caractéristiques sont définies, offrant par exemple une certaine latitude pour le positionnement des chargeurs.
Certaines techniques permettent de recharger simultanément plusieurs dispositifs. Aujourd’hui, les techniques TESF par induction sont largement disponibles sur le marché, tandis que les techniques TESF par résonance font leur apparition sur le marché grand public.
L’industrie automobile envisage d’utiliser la TESF pour les véhicules électriques dans un avenir proche.
I-2 Définition :
La transmission d’énergie sans fil TESF ou Wireless Power Transmission WPT, est une technique permettant la distribution de l’énergie électrique sans utiliser de support matériel. Cette technique est destinée à être utilisée pour alimenter des lieux difficiles d’accès.
Contrairement à la transmission de données, le rendement est le critère à maximiser pour la transmission d’énergie, il détermine le choix entre les différentes technologies.
La transmission d’énergie sans fils n’est pas une idée nouvelle. Au début du 20ème siècle, Nikola Tesla avait déjà effectué une transmission d’électricité sans fil. Il utilisait alors l’induction électromagnétique.
Il avait découvert que l’électricité pouvait être transmise à travers l’air mais aussi la terre. Au cours de ses recherches, il avait réussi à allumer des lampes à une distance moyenne.
Figure 2_1 : tour de tesla
I-3 l’induction électromagnétique :
un conducteur parcouru par un courant électrique génère un champ magnétique ( loi de Biot et Savart).
La loi de Lenz-Faraday décrit le phénomène suivant : lorsque le flux du champ magnétique qui traverse un circuit conducteur varie au cours du temps, il apparaît dans ce circuit une tension appelée force électromotrice.
La f.e.m. ainsi créée est orientée de façon à générer des courants s’opposant à la variation du flux :
e = -d∅/𝒅𝒕
Toute variation du courant produit une variation de ce champ induit, ce qui a pour effet de produire une tension qui s’oppose à la variation du champ donc qui s’oppose à la variation du courant :
U=−𝑳𝒅𝒊/𝒕.
Figure 2_2 : l’induction magnétique
II- Techniques employées dans les applications TESF :
II-2 Technique TESF par induction magnétique :
La TESF par induction magnétique est une technique bien connue, qui est utilisée depuis longtemps dans les transformateurs, dans lesquelles une bobine primaire et une bobine secondaire sont couplées par induction, par exemple grâce à l’utilisation d’un noyau magnétique perméable commun.
La transmission d’énergie par induction dans l’air, dans laquelle la bobine primaire et la bobine secondaire est séparée physiquement, est également une technique connue depuis plus d’un siècle.
Egalement appelée TESF à couplage étroit, cette technique est caractérisée par le fait que le rendement de la transmission d’énergie chute si la distance dans l’air est supérieure au diamètre de la bobine et si les bobines ne sont pas alignées en deçà de la distance de décalage.
Le rendement de la transmission d’énergie dépend du facteur de couplage (k) entre les inducteurs et de leur qualité (Q). Cette technique permet d’obtenir un rendement plus élevé que la méthode de résonance magnétique. Elle est commercialisée pour la recharge des smartphones.
Avec un réseau de bobines, cette technique offre par ailleurs une certaine souplesse concernant l’emplacement de la bobine du récepteur par rapport à l’émetteur.
Figure 2_3 : Exemple de schéma de système TESF par induction magnétique
II-2 Technique TESF par résonance magnétique :
La TESF par résonance magnétique est également appelée TESF à faible couplage. Le principe théorique de cette méthode de résonance magnétique a commencé à être élaboré en 2005 par le Massachusetts Institute of Technology, et il a été validé expérimentalement en 2007.
La méthode utilise une bobine et un condensateur en tant que résonateur, l’énergie électrique étant transmise par résonance électromagnétique entre la bobine de l’émetteur et celle du récepteur (couplage par résonance magnétique).
En faisant correspondre la fréquence de résonance des deux bobines avec un facteur Q élevé, l’énergie électrique peut être transmise sur une grande distance sur laquelle le couplage magnétique entre les deux bobines est faible.
La TESF par résonance magnétique permet de transmettre l’énergie électrique sur une distance pouvant aller jusqu’à plusieurs mètres. Cette technique offre également une certaine souplesse concernant l’emplacement de la bobine du récepteur par rapport à la bobine d’émission.
On trouvera des détails techniques pratiques dans un grand nombre d’articles techniques
Figure 2_4 Exemple de schéma de système TESF par résonance magnétique
II-3 Technique TESF par couplage capacitif
Le système TESF par couplage capacitif possède deux ensembles d’électrodes et n’utilise pas de bobines comme dans le cas des systèmes TESF de type magnétique.
L’énergie est transmise via un champ d’induction généré par le couplage des deux ensembles d’électrodes. Le système à couplage capacitif présente les avantages suivants :
1) Le système à couplage capacitif offre une certaine latitude pour le positionnement horizontal avec un système de recharge facile à utiliser pour les utilisateurs finals.
2) Une électrode très mince (moins de 0,2 mm) peut être utilisée entre l’émetteur et le récepteur du système, ce qui permet de l’intégrer dans les dispositifs mobiles de faible épaisseur.
3) Pas de génération de chaleur dans la zone de transmission d’énergie sans fil. Autrement dit, la température ne s’élève pas dans cette zone, de sorte que la batterie est protégée contre la chaleur y compris lorsqu’elle est placée à proximité.
4) Le niveau d’émission du champ électrique est faible en raison de la structure du système de couplage. Le champ électrique émane des électrodes destinées à la transmission d’énergie.
Figure 2_5 : Schéma du système TESF par couplage capacitif
III- Les dispositifs utilisant la technique TESF :
III-1 Smart phone et la technologie QI :
Crée en 2008 par le Wireless Power Consortium, Qi est une technologie basée sur la transmission d’énergie sans fil sur une distance maximale de 40 mm.
Pour fonctionner, le système Qi a besoin d’un support de transmission et d’un récepteur compatible dans un appareil mobile, tel qu’un smartphone, une tablette ou un autre appareil compatible.
Le fonctionnement est un jeu d’enfant : il vous suffit de placer le périphérique mobile compatible sur le support de transmission pour que la recharge se mette en route grâce à l’induction électromagnétique entre les deux appareils.
Pour faire simple, l’induction magnétique est un phénomène électrique qui se produit grâce à une différence de potentiel électrique aux bornes d’un conducteur électrique.
Ce phénomène a de nombreux usages, comme les transformateurs électriques, les bobines, et bien sûr les plaques à induction avec une poêle appropriée qui sert à faire cuire des aliments. C’est aussi de cette manière que les puces RFID sont alimentées par le lecteur.
À terme, son objectif est que la technologie Qi devienne un standard au niveau mondial dans le domaine de la transmission d’énergie sans-fil.
Figure 2_6 : chargeur QI pour smart phone
Actuellement, la norme Qi est conçue pour les appareils utilisant 5 watts de puissance ou moins, tels que les smartphones, les appareils photo ou les télécommandes.
Le Wireless Power Consortium travaille actuellement à l’expansion de Qi pour une utilisation dans des appareils plus imposants comme les tablettes, les ordinateurs portables ou la plupart des appareils électroménagers, les véhicules électriques et d’autres solutions.
Pour les téléphone ou tablette qui sont pas dotés de cette technologie on peut même ajouté un petit module récepteur qu’on branche dans le port microUSB , ce module contient une bobine et un circuit BQ51015 tu Texas Instrument
Figure 2_7 : Module récepteur QI pour smart phone
III-2 Voiture Electrique :
Pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables. La TESF pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables utilise à la fois l’induction et la résonance magnétique. L’énergie électrique est transmise de la bobine primaire à la bobine secondaire efficacement par un champ magnétique en utilisant la résonance entre la bobine et le condensateur.
Les applications prévues pour les véhicules de tourisme reposent sur les aspects suivants:
1) Application de la TESF: transmission d’énergie électrique depuis une prise de courant d’une résidence ou d’un service public d’électricité vers les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables.
2) Cadre d’utilisation de la TESF: résidence, appartement, parking public, etc.
3) Utilisation de l’électricité dans les véhicules: tous les systèmes électriques, par exemple les batteries rechargeables, ordinateurs, climatiseurs, etc.
4) Exemples de cadre d’utilisation de la TESF: un exemple concernant les véhicules de tourisme est illustré sur la figure qui suit.
5) Méthode TESF: un système TESF pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables a au moins deux bobines, l’une étant le dispositif primaire et l’autre le dispositif secondaire. L’énergie électrique est transmise du dispositif primaire au dispositif secondaire par un flux/champ magnétique.
6) Emplacement des dispositifs (emplacement des bobines):
a) Dispositif primaire: sur ou dans le sol.
b) Dispositif secondaire: sous le véhicule.
7) Entrefer entre les bobines primaire et secondaire: moins de 30 cm.
8) Exemple de classe de puissance d’émission: 3 kW, 6 kW ou 20 kW.
9) Sécurité : le dispositif primaire ne peut commencer à transmettre de l’énergie que si le dispositif secondaire est situé au bon endroit pour la TESF.
Le dispositif primaire doit cesser la transmission en cas de difficulté à maintenir une transmission en toute sécurité.
Figure 2_8 : Exemple de système TESF pour les véhicules électriques et les véhicules électriques hybrides rechargeables
