▪ Contexte du stage

La transition énergétique implique un changement technologique profond des méthodes permettant de stocker, transformer et distribuer l’énergie. Les énergies fossiles présentent toujours l'intérêt d'être facilement accessibles, peu chères, concentrées et stockables sans effort, contrairement à l'électricité qui se stocke difficilement, se transfert lentement et avec des pertes conséquentes. La transition énergétique oblige donc à transformer et à adapter les infrastructures de toute sa chaîne de production, distribution et consommation vers des solutions plus décentralisées, dotées de l'intelligence embarquée et d’une grande capacité d’adaptabilité. Le transfert d’énergie sans contact permet de distribuer de l’énergie électrique pour des applications courtes portées soit en couplant des bobines via l’induction électromagnétique, soit en couplant des plaques métalliques à l’aide du couplage capacitif. Dans le cas où l’objet à recharger est nomade (voiture, drone, implant, …), l’efficacité de transfert d’énergie peut être drastiquement réduite compte tenu du désalignement des bobines (ou plaques métalliques); il faut donc pouvoir mesurer cette efficacité en temps réel et l’améliorer via une loi de contrôle pour modifier ce système cyber-physique. Si l’objet à recharger, une fois rechargé, peut servir à son tour de chargeur, le système doit être réversible, comme c’est le cas des applications « vehicle-to-grid » où le chargeur de la voiture électrique doit permettre la charge/décharge de la batterie. C’est à ce type de problématique que nous souhaiterions répondre, en nous focalisant sur des systèmes basse puissance, c’est-à-dire pour une puissance maximum de 100W.

▪ Descriptif scientifique

Nous souhaiterions étudier le couplage magnétique pour le transfert réversible de l’énergie sans fils. Il serait intéressant de faire un état de l’art sur les systèmes réversibles conductifs et sans fil autour de 85kHz-100kHz pour les véhicules électriques légers. C’est la bande de fréquences qui est utilisée dans les systèmes industrialisés, dans les chargeurs du commerce notamment. Cette technologie est mature, du moins pour un chargement en statique, mais pas pour le chargement dynamique, ni pour le chargement réversible sans fil. Nous pouvons optimiser en temps réel le rendement du transfert sans fils de l’énergie, en connaissant l’inductance mutuelle à l’aide d’une harmonique au secondaire du signal appliqué au primaire [1], en utilisant un lien de communication radio entre le primaire et le secondaire [2], ou en déterminant indépendamment la phase des signaux appliqués (courant/tension) aux convertisseurs au primaire et au secondaire [3].

Un travail préliminaire a été réalisé dans le cadre d’un stage de niveau M1 [4] et a permis de réaliser un système inductif à 100kHz ainsi qu’un circuit sur plaque Labtech qui permet expérimentalement de mesurer l’inductance mutuelle entre les 2 boucles et de l’afficher sur un afficheur LCD en se basant sur l’article [1]. Le circuit électronique analogique d’extraction de la troisième harmonique du signal mesuré au secondaire a été modifié [4] pour déterminer l’inductance mutuelle, alors qu’un signal carré est appliqué au primaire. Une première carte électronique a été réalisée et doit être revue.

Nous souhaiterions mettre en œuvre le principe décrit dans l’article [3]. Dans cet article, les auteurs déterminent la phase entre la tension d’entrée et le courant d’entrée, c’est-à-dire qu’on extrait l’impédance d’entrée, afin de compenser les variations de phase en inductance dues au désalignement entre les boucles. Avec cette technique, le système proposé est opérationnel avec un seul convertisseur de tension pour assurer une puissance de sortie optimale et une efficacité maximum malgré le désalignement lors de la charge des bobines, avec toutefois un point à améliorer pour s’assurer de la synchronisation entre les signaux au primaire et au secondaire. Le sujet portera alors à la fois sur l’aspect automatique et l’aspect informatique temps-réel embarquée. La problématique en automatique consistera à modéliser le système dans son ensemble, développer et simuler différentes lois de commande. L’objectif de commande est double, il s’agit à la fois de contrôler l’adaptation d’impédance pour améliorer le rendement, ainsi que d’asservir la tension (ou courant) en sortie pour assurer la première fonctionnalité de chargement. La problématique en informatique temps-réel concernera le choix et le dimensionnement des cartes à microcontrôleur (p.ex. STM32 ou Raspberry Pi Pico), l’implémentation du système de commande (solution « bare metal » ou avec un système d’exploitation temps réel FreeRTOS ou Zephyr) et une estimation du coût énergétique de cette configuration. La mise en œuvre de ce système peut se faire de façon distribuée nécessitant ainsi une communication entre plusieurs cartes (p.ex. ZigBee) et une gestion intelligente d’énergie de l’ensemble (p.ex. power modes, dynamic voltage and frequency scaling).

▪ Principales étapes

- Bibliographie sur le transfert d’énergie par couplage inductif.

- Mise à niveau si nécessaire dans le domaine RF.

- Mesurer le couplage inductif à des boucles avec fils cuivrés en fil de Litz, puis à l’aide du circuit sur plaque Labtech.

- Modifier le circuit électronique sur PCB et le tester.

- Etat de l’art des systèmes réversibles conductifs et sans fil autour de 85kHz-100kHz pour les véhicules électriques légers

- Etudier la publication [3] qui permet de déterminer le couplage entre les boucles, mais également de réguler en tension la sortie sur la charge. La synchronisation entre le primaire et le secondaire de la structure sera également à étudier.

- Réaliser les briques de base de ce circuit et les associer pour mesurer les différents paramètres attendus (phase de l’impédance d’entrée, tension aux bornes de la charge, voir si le secondaire se synchronise sur le primaire).

- Modélisation de la dynamique du circuit et du couplage inductif.

- Développement et simulation de lois de commande automatique.

- Choix/dimensionnement de la carte à microcontrôleur.

- Mise en œuvre des lois de commande sur un microcontrôleur embarqué.

- Campagne d’essais sur banc de test.

- Estimation du rendement énergétique pour l’ensemble du système.

- Communication scientifique sur le travail.

▪ Matériel utilisé et environnement

- La simulation des circuits électriques sera effectuée sous LTSpice et ADS (Advanced Design Systems) et des circuits de conversion sur PLECS.

- Réalisation par photolithographie par le laboratoire électronique de l’UPS ou par micro-graveuse.

- Exploitation des mesures à l’aide d’un VNA et d’oscilloscope numérique.

- Simulation des lois de commande sur MATLAB/Simulink et tests sur banc par prototypage rapide.

- Microcontrôleur STM32, Raspberry Pi Pico ou FPGA.

▪ Références

[1] J. Hu et al, A Real-Time Maximum Efficiency Tracking for Wireless Power Transfer Systems Based on Harmonic-Informatization, IEEE Transactions on Power electronics, Vol. 38, No. 1, January 2023, doi :10.1109/TPEM.2022.3200096.

[2] A. Trivino-Cabrera, J. C. Quiros, J. M. Gonzalez-Gonzalez, J. A. Aguado, Optimized Design of a Wireless Charger Prototype for an e-Scooter, IEEE Access, Vol.11, pp. 33014-33026, February 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3243958.

[3] Y. Liu, R. Mai, Z. He, Zero-Phase-Angle Controlled Bidirectional Wireless EV Charging Systems for Large Coil Misalignments, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 35, No. 5, pp 5343-5353, May 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2941709.

[4] A. Collet, stage M1, “Transfert d’énergie sans fil par couplage inductif”, Février-Juillet 2024.