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WO2021198140A1 - Système de charge par résonance magnétique - Google Patents

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WO2021198140A1
WO2021198140A1 PCT/EP2021/058087 EP2021058087W WO2021198140A1 WO 2021198140 A1 WO2021198140 A1 WO 2021198140A1 EP 2021058087 W EP2021058087 W EP 2021058087W WO 2021198140 A1 WO2021198140 A1 WO 2021198140A1
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WO
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inverter
charging system
voltage
resonant circuit
power
Prior art date
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Application number
PCT/EP2021/058087
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English (en)
Inventor
Sébastien VANAUD
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Tesc Innovation
Original Assignee
Tesc Innovation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CN202180029190.8A priority patent/CN115428294A/zh
Priority to IL296925A priority patent/IL296925A/en
Priority to EP21715247.9A priority patent/EP4128476A1/fr
Priority to JP2022559529A priority patent/JP2023520394A/ja
Priority to KR1020227036636A priority patent/KR20220160613A/ko
Priority to US17/915,830 priority patent/US20230127892A1/en
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Definitions

  • the present invention is in the field of electricity storage. It relates to a system for charging an accumulator, a rechargeable battery or a magnetic resonance battery.
  • the primary resonant circuit consists of an inductor and a capacitor, which can be connected in series or in parallel. We speak of a series or parallel LC circuit.
  • the series LC circuit is often used for magnetic resonance charging, for example of electric vehicles such as bicycles, scooters, or cars.
  • a charging system with a resonant serial LC circuit has the advantage of being simple to manufacture and therefore inexpensive. This is because the electric charge across the series LC circuit has no influence on its resonant frequency. It is therefore sufficient to supply the series LC circuit with a sinusoidal voltage source at the same frequency for it to operate.
  • the serial LC circuit has many drawbacks. It reveals high voltages at the coil and capacitor, which poses design problems.
  • the series LC system operates at constant RMS current, in the order of 60 to 80A, in the resonant circuit, which still generates losses.
  • the resonant frequency of the series LC circuit may start to vary, resulting in a frequency shift with respect to the voltage source, and therefore a loss of efficiency. This is particularly problematic for a system used outdoors, which has to function equally well in winter and summer.
  • the series LC circuit requires a charge regulator on the secondary resonant circuit intended to pick up the constant magnetic current, which increases the complexity and the costs.
  • the parallel LC circuit is not usually used for magnetic resonance charging due to many obstacles.
  • the parallel resonant circuit must be supplied from a power source, which is complex and expensive.
  • the electric charge across the parallel LC circuit influences its resonant frequency, which makes the design and manufacture of a charging system including such an LC circuit more complex and expensive.
  • a parallel LC resonant circuit can only power one secondary resonant circuit at a time.
  • An object of the present invention is to provide an inexpensive magnetic resonance charging system with improved performance.
  • the object of the present invention is to respond at least in part to the aforementioned objects by proposing a charging system with a self-oscillating parallel LC primary resonant circuit.
  • a magnetic resonance charging system comprising a voltage source (1) and an inverter (2), said inverter (2) comprising a parallel LC inverter resonant circuit (3) and at least one plate load (4), characterized in that said inverter resonant circuit (3) comprises a capacitor (32) connected in parallel with a primary winding (33) of said at least one load plate (4) and in that said inverter further comprises:
  • the resonant circuit can resonate at its natural frequency naturally, it is a self-oscillating circuit. The efficiency of the charging system is thus improved.
  • the present invention also relates to a method of using a charging system according to the invention comprising the following steps:
  • a single power supply can supply several inverters, the starting of a second inverter being able to be carried out during the charging of a first inverter during a change to low power, which makes it possible to start the inverter at full power. power by avoiding the risk of breaking the components of the second inverter.
  • FIG. 1 is a schematic view of a preferred embodiment of the charging system according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a preferred embodiment of the coil of the resonant circuit of the inverter of the charging system according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a preferred embodiment of a power supply of a charging system according to the invention.
  • FIG. 1 is a schematic view of a preferred embodiment of a charge regulator of a charging system according to the invention.
  • the charging system comprises a voltage source 1 and an inverter 2 comprising a parallel LC inverter 3 resonant circuit comprising at least one load plate 4.
  • the load plate 4 comprises a primary winding 33 capable of producing a magnetic field with a view to transferring energy, for example to a battery located on a mobile.
  • the primary winding 33 is connected in parallel with a capacitor 32 to form said inverter resonant circuit 3.
  • charging plates 4 can be used, each comprising a primary winding 33 connected in parallel with the capacitor 32.
  • the voltage source 1 delivers a positive voltage, which can oscillate between 0 V and a maximum voltage value, for example between 24 and 600 V.
  • the maximum voltage value depends on the power demand at the output of the charging system.
  • the inverter 2 comprises a means 5 for measuring the instantaneous voltage across the terminals of the capacitor 32.
  • This measuring means is preferably a transformer.
  • the signal measured by the measuring means 5 is sent to a phase shifter 6, which introduces a phase shift therein before sending it back to an excitation means 7.
  • the phase shift is a time of delay or advance with respect to the zero crossing. of the voltage measured at the terminals of the resonant inverter circuit 3.
  • the excitation means 7 is able to inject energy from the voltage source 1 into the resonant inverter circuit 3 during each cycle observed by the measuring means 5, with a phase shift indicated by phase shifter 6.
  • the excitation means 7 is therefore able to inject energy into the resonant inverter circuit 3 at the frequency of the signal measured by the measuring means 5.
  • the resonant inverter circuit 3 is thus automatically excited at its frequency. own. There is no frequency forcing, which improves the efficiency of the charging system.
  • the phase shift makes it possible to limit or even absorb current peaks in the inverter and thus prevent the destruction of its components, in particular any transistors. These current peaks appear when energy is suddenly injected into the circuit and cause voltage peaks which, if not attenuated, may cause the breakage of certain components, in particular any transistors.
  • the phase shift makes it possible to absorb the inductance introduced by the length of cable between the inverter and the resonant circuit of the load plate, which makes it possible to supply a resonant circuit in a load plate placed at a large distance from the inverter.
  • the excitation means 7 comprises a reservoir inductor 8, a charging diode 9, a charging transistor 10, a discharging diode 11, a discharging transistor 12 and a charging means.
  • the reservoir inductance 8 is connected between the voltage source and a first terminal 14 of the inverter resonant circuit 3.
  • the reservoir inductance 8 has a relatively low value, for example between 500 ⁇ H and 3 mH.
  • the value of the tank inductance 8 varies depending on the power at which you want to operate the charging device. Too low an inductance value causes the inverter to stall, and increases the risk of breakage, while too high an inductance value causes too great a drop in voltage across the latter.
  • the anode of the load diode 9 is connected to the second terminal 15 of the resonant inverter circuit 3, and its cathode is connected to the drain of a load transistor 10.
  • the source of the load transistor 10 is connected to a output terminal 16, while its gate is connected to the control means 13.
  • the anode of the discharge diode 11 is connected to the first terminal 14 of the resonant inverter circuit 3, and its cathode is connected to the drain of the discharge transistor 12.
  • the source of the discharge transistor 12 is connected to the terminal of output 16, while its gate is connected to the control means 13.
  • the control means 13 based on this measured phase-shifted signal coming from the phase shifter 6, successively controls the off-state setting of the load transistor 10 and the on-state setting of the discharge transistor 12, then the on-state setting. of the load transistor 10 and the off state of the discharge transistor 12.
  • the energy When the load transistor 10 is in the off state and the discharge transistor 12 is in the on state, the energy accumulates in the reservoir inductor 8. Then when the load transistor 10 is in the on state and the discharge transistor 12 is in a blocked state, the accumulated energy is released in the resonant inverter circuit 3.
  • the reservoir inductor 8 makes it possible to transform the voltage source 1 into a current source.
  • the charge 10 and discharge 12 transistors are preferably MOSFET (insulated gate field effect transistor) or IGBT (insulated gate bipolar transistor) type transistors.
  • the excitation means 7 can be produced in different ways than that explained above and illustrated in .
  • the excitation means 7 can comprise four transistors and four diodes, which makes it possible to inject energy into the resonant inverter circuit 3 not only at the load, but also at the discharge.
  • the inverter resonant circuit 3 consists of an inductor wound in parallel with a capacitor, to form a "trap" circuit.
  • the primary winding 33 is produced by a structure comprising two wires 17, for example Litz wires, connected in parallel.
  • two wires 17a, 17b are shown.
  • the wires 17 are spaced apart from each other over at least 50% of their length, which makes it possible to obtain the same magnetic flux density as a flat cable with a larger section, in particular the section of which would include the spaced wires 17.
  • the spacing is preferably at least 1 mm. This makes it possible to reduce the overall value of the inductance of plate 4 (placing two inductors in parallel) and thus reduce the current flowing in the primary winding 33. The same efficiency is thus obtained with significantly less cable mass. , which reduces costs.
  • the wires 17 are crossed after each winding turn, or after a certain number of winding turns, so that they have the same overall length, and thus the same inductance and resistance value.
  • the circuit thus formed is therefore balanced.
  • the two wires 17 are always parallel, even when crossing, in the sense that they are constantly spaced from one another, preferably by a constant distance.
  • the voltage source 1 can be generated by a power supply 18, shown in , capable of generating the voltage source 1 from an alternating current source 19.
  • the power supply 18 can thus be connected directly to the alternating current network, for example 220V / 50Hz, and deliver the voltage source 1 required for the correct operation of the inverter 2.
  • the power supply is in particular able to generate the power supply. power envelope required in relation to the power requested at the output of the charging system.
  • the power supply 18 can include a CEM filter 20 at its input, making it possible to filter the disturbances induced downstream and thus not to disturb the electrical network.
  • the power supply 18 may also include, at the input, or where appropriate at the output of the CEM filter 20, a transformer 21.
  • the transformer 21 makes it possible to modify the values of intensity and current. It enables galvanic isolation of stage 22 on output 1.
  • the ground reference of inverter 2 is earth.
  • the power supply may include a chopping module 22, located before the input of the transformer.
  • the chopping module 22 makes it possible to raise the frequency of the current, for example from a frequency of 50 Hz at the input to a frequency between 20 KHz and 200 KHz at the output. This is necessary in order to power the transformer 21, in case it is a high frequency transformer. However, the use of a high frequency transformer is preferred because the size of such a transformer is reduced.
  • the chopping module 22 can be composed of a diode rectifier 23, at the output of which is connected a chopper 24.
  • the chopper 24 makes it possible to adjust the power of the current according to the needs of the charging system.
  • a filter capacitor 25 is disposed between the diode rectifier 23 and the chopper 24.
  • the capacitance of the filter capacitor can be between 0.1 and 10 ⁇ F, and can typically be a few. ⁇ F.
  • Such relatively weak filtering makes it possible, during a power transfer, to obtain a "ripple" effect on this power, that is to say that an oscillation at twice the network frequency occurs. Due to this oscillation, the power transferred to an inverter 2 passes through minimums.
  • the charging system comprises several inverters 2 connected to a single power supply 18.
  • the power supply 18 is transferring power to a first inverter 2
  • a second inverter 2 if a second inverter 2 is started, one can wait for a passage through a minimum of power within the power supply 18 to allow starting. of the second inverter.
  • the second inverter 2 can be started at full power, without the risk of a power peak damaging a component.
  • the power supply may include a rectifier 26, capable of converting the alternating current at the output of the transformer into a current whose voltage varies between 0 V and an adjustable maximum value, for example between 24 and 600 V, to obtain the source of voltage 1.
  • a rectifier 26 capable of converting the alternating current at the output of the transformer into a current whose voltage varies between 0 V and an adjustable maximum value, for example between 24 and 600 V, to obtain the source of voltage 1.
  • the inverter 2 may include a microcontroller capable of giving orders to start and stop the inverter 2 based on the following data: the operating frequency of the resonant circuit of inverter 3, recovered by the measuring means 5, the values of voltages and currents, recovered for example at the level of the first terminal 14 of the inverter resonant circuit 3 and of the output terminal 16.
  • the microcontroller may also be able to communicate with the power supply 18 so that if the power supply 18 is already supplying another inverter 2, the microcontroller authorizes the starting of the inverter 2 at the right time, when switching to low power. To do this the microcontroller of the inverter 2 can also calculate the power from several measurements taken in the inverter 2. These measurements can include the current and the voltage in the loop of the resonant circuit of inverter 3, the current and the voltage at the output of voltage source 1, and the voltage zero crossing times in inverter 2.
  • the power supply 18 can also include a microcontroller capable of giving orders to start and stop the power supply 18 based on the following data: temperature of the power components, voltage values and currents in the chopping module and the rectifier.
  • the charging system according to the invention can comprise a charge regulator 27, one embodiment of which is illustrated in .
  • the charge regulator converts the magnetic energy generated by the charging plate 4 into an electrical signal which can be used to charge / recharge a charge 28, for example a battery, an accumulator or a rechargeable cell.
  • the charge regulator 27 has a secondary resonant circuit 29 in frequency match with the primary resonant circuit of the charge plate 4. If the charge 28 is a battery requiring constant current charging, the secondary resonant circuit 29 is preferably a battery. LC series circuit. If the load is an AC / DC converter, for example a battery charger to be connected to the 220V AC network, then the secondary resonant circuit is preferably a parallel LC circuit in order to obtain a large DC voltage at the output of the charge regulator. .
  • the charge regulator comprises a rectifier and filtering module 30, making it possible to transform the current coming from the secondary resonant circuit 29 into a direct current capable of charging the load 28.
  • a BUCK converter 31 is preferably added at the output of the rectifier and filter module 30, before the current is sent to the load 28.
  • the BUCK converter allows the voltage of the current to be lowered to the value required by the load 28.
  • the charge regulator 27 may include a microcontroller capable of communicating with the power supply 18. Thus, the charge regulator 27 can send a charge current request for the load 28 directly to the power supply 18, which will attempt to satisfy this request.
  • the charging of the load 28 can be done in two phases repeating at the frequency of the network: a charging phase, when the voltage delivered by the power supply 18 is greater than the voltage at the terminals of the load 28, then a relaxation phase , when the voltage delivered by the power supply 18 is lower than the voltage at the terminals of the load 28.
  • a charging phase when the voltage delivered by the power supply 18 is greater than the voltage at the terminals of the load 28, then a relaxation phase , when the voltage delivered by the power supply 18 is lower than the voltage at the terminals of the load 28.
  • the power supply 18 does not send a continuous power which the charge regulator 27 can have, but just sends the necessary power requested by the load 28. The overall efficiency of the charging system is thus optimized.
  • the charging system according to the invention can be used in a charging process comprising the following steps:

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Abstract

La présente invention concerne un système de charge par résonance magnétique comportant une source de tension (1) et un onduleur (2), ledit onduleur (2) comprenant un circuit résonant d'onduleur (3) LC parallèle et au moins une plaque de charge (4), caractérisé en ce que ledit circuit résonant d'onduleur (3) comprend un condensateur (32) connecté en parallèle à un bobinage primaire (33) de ladite au moins une plaque de charge (4) et en ce que ledit onduleur (2) comporte en outre : - un moyen de mesure (5) de la tension instantanée aux bornes dudit circuit résonant d'onduleur (3), - un déphaseur (6) connecté audit moyen de mesure (5), - un moyen d'excitation (7) connecté au déphaseur (6), apte à injecter de l'énergie provenant de ladite source de tension (1) dans le circuit résonant d'onduleur (3) lors de chaque cycle observé par le moyen de mesure (5), avec un déphasage indiqué par le déphaseur (6). La présente invention concerne également un procédé d'utilisation d'un système de charge selon l'invention.

Description

Système de charge par résonance magnétique
La présente invention se situe dans le domaine du stockage de l’électricité. Elle concerne un système de charge d’un accumulateur, d’une pile rechargeable ou d’une batterie par résonance magnétique.
Les systèmes existants conçus pour transmettre de l’énergie par résonance magnétique comportent habituellement un circuit résonant primaire, apte à transmettre un courant magnétique vers un circuit résonant secondaire. Le circuit résonant primaire est composé d’une inductance et d’un condensateur, qui peuvent être branchés en série ou en parallèle. On parle de circuit LC série ou parallèle.
Le circuit LC série est souvent utilisé pour la charge par résonance magnétique, par exemple de véhicules électriques comme des vélos, trottinettes, ou voitures. Un système de charge comportant un circuit LC série résonant présente l’avantage d’être simple à fabriquer et donc peu coûteux. En effet, la charge électrique aux bornes du circuit LC série n’a pas d’influence sur sa fréquence de résonance. Il suffit donc d’alimenter le circuit LC série par une source de tension sinusoïdale à la même fréquence pour qu’il fonctionne. Toutefois le circuit LC série a de nombreux inconvénients. Il fait apparaître de fortes tensions au niveau de la bobine et du condensateur, ce qui pose des problèmes de conception. De plus le système LC série fonctionne à courant efficace constant, de l’ordre de 60 à 80A, dans le circuit résonant, ce qui génère encore des pertes. En cas de variations de températures importantes, la fréquence de résonance du circuit LC série peut se mettre à varier, ce qui entraîne un décalage de fréquence par rapport à la source de tension, et donc une perte de rendement. Ceci pose particulièrement problème pour un système utilisé en extérieur, qui doit fonctionner aussi bien en hiver qu’en été. Enfin le circuit LC série nécessite un régulateur de charge sur le circuit résonant secondaire destiné à capter le courant magnétique constant, ce qui augmente la complexité et les coûts.
Le circuit LC parallèle, quant à lui, n’est habituellement pas utilisé pour la charge par résonance magnétique en raison de nombreux obstacles. Le circuit résonant parallèle doit être alimenté par une source d’alimentation en courant, ce qui est complexe et cher. De plus la charge électrique aux bornes du circuit LC parallèle influe sur sa fréquence de résonance, ce qui rend la conception et la fabrication d’un système de charge comportant un tel circuit LC plus complexes et coûteuses. Enfin un circuit résonant LC parallèle ne permet d’alimenter qu’un circuit résonant secondaire à la fois.
Un objet de la présente invention est de proposer un système de charge par résonance magnétique peu coûteux, et aux performances améliorées.
La présente invention a pour objet de répondre au moins en partie aux objets précités en proposant un système de charge à circuit résonant primaire LC parallèle auto-oscillant. A cet effet, elle propose un système de charge par résonance magnétique comportant une source de tension (1) et un onduleur (2), ledit onduleur (2) comprenant un circuit résonant d’onduleur (3) LC parallèle et au moins une plaque de charge (4), caractérisé en ce que ledit circuit résonant d’onduleur (3) comprend un condensateur (32) connecté en parallèle à un bobinage primaire (33) de ladite au moins une plaque de charge (4) et en ce que ledit onduleur comporte en outre :
  • un moyen de mesure de la tension instantanée aux bornes dudit circuit résonant d’onduleur,
  • un déphaseur connecté audit moyen de mesure,
  • un moyen d’excitation connecté au déphaseur, apte à injecter de l’énergie provenant de ladite source de tension dans le circuit résonant d’onduleur lors de chaque cycle observé par le moyen de mesure, avec un déphasage indiqué par le déphaseur.
Grâce à ces dispositions, le circuit résonant peut résonner à sa fréquence propre naturellement, c’est un circuit auto-oscillant. Le rendement du système de charge est ainsi amélioré.
Selon d’autres caractéristiques :
  • ledit moyen d’excitation peut comprendre :
    • une inductance réservoir connectée entre ladite source de tension et une première borne du circuit résonant d’onduleur,
    • une diode de charge dont l’anode est connectée à une deuxième borne dudit circuit résonant d’onduleur,
    • un transistor de charge dont le drain est connecté à la cathode de ladite diode de charge, la source est connectée à une borne de sortie, et la grille est connectée à un moyen de pilotage,
    • une diode de décharge dont l’anode est connectée à la première borne dudit circuit résonant d’onduleur,
    • un transistor de décharge dont le drain est connecté à la cathode de ladite diode de décharge, la source est connectée à une borne de sortie, et la grille est connectée audit moyen de pilotage,
    • ledit moyen de pilotage étant connecté au déphaseur, et apte à piloter la mise en état bloqué du transistor de charge et la mise en état passant du transistor de décharge, puis la mise en état passant du transistor de charge et la mise en état bloqué du transistor de décharge lors de chaque cycle observé par le moyen de mesure, avec un déphasage indiqué par le déphaseur,
ce qui est un mode de réalisation simple, peu cher et efficace de l’invention,
  • la source de tension peut délivrer une tension variant entre 0 V et une tension maximale réglable, par exemple comprise entre 24 et 600 V, à une fréquence comprise entre 20 KHz et 200 kHz, ce qui permet d’alimenter la plupart des types de batteries, pile rechargeables et accumulateurs,
  • ledit moyen de mesure peut comporter un transformateur, ce qui est un mode de réalisation simple, peu cher et efficace,
  • ledit bobinage primaire peut comprendre au moins deux fils connectés en parallèle et espacés les uns des autres d’au moins 1 mm sur au moins 50% de leur longueur, ce qui permet d’obtenir une efficacité similaire à un câble unique de section bien plus importante ; c’est ainsi un mode de réalisation simple, peu cher et efficace,
  • ladite source de tension peut être générée par une alimentation apte à convertir une source de courant alternatif, par exemple à une tension de 220 V et une fréquence de 50 Hz, en une source de tension délivrant une tension variant entre 0 V et une tension maximale réglable, par exemple comprise entre 24 et 600V, ce qui permet par exemple d’utiliser le réseau de distribution domestique d’électricité,
  • ladite alimentation peut comporter un condensateur filtrant, ayant une capacité par exemple comprise entre 0,1 et 10 µF, permettant de créer dans ladite source de tension une oscillation de la puissance au double de la fréquence de ladite source de courant alternatif, ce qui permet l’alimentation de plusieurs onduleurs par la même alimentation, le démarrage d’un deuxième onduleur pouvant être effectué pendant la charge d’un premier onduleur lors d’un passage en basse puissance,
  • ledit onduleur peut comporter un microcontrôleur, apte à communiquer avec l’alimentation et à donner des ordres de marche ou d’arrêt de l’onduleur, ce qui est un mode de réalisation simple et efficace de l’invention,
  • le système de charge selon l’invention peut comporter un régulateur de charge apte à communiquer avec l’alimentation et à lui envoyer une demande de courant de charge, ce qui permet d’optimiser la puissance envoyée par l’alimentation vers la batterie, accumulateur ou pile rechargeable à charger.
La présente invention concerne également un procédé d’utilisation d’un système de charge selon l’invention comportant les étapes suivantes :
  • alimentation d’un premier onduleur 2 par l’alimentation,
  • ordre d’alimenter un deuxième onduleur 2 par l’alimentation,
  • calcul de la puissance au niveau du premier onduleur 2,
  • lorsque ladite puissance passe par une valeur basse, par exemple inférieure à 0,1 x le maximum de ladite puissance, démarrage de l’alimentation du deuxième onduleur.
Grâce à ces dispositions, une alimentation unique peut alimenter plusieurs onduleurs, le démarrage d’un deuxième onduleur pouvant être effectué pendant la charge d’un premier onduleur lors d’un passage en basse puissance, ce qui permet de démarrer l’onduleur à pleine puissance en évitant le risque de casser les composants du deuxième onduleur.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui fait suite, en référence aux figures annexées dans lesquelles :
est une vue schématique d’un mode de réalisation préféré du système de charge selon l’invention.
est une vue schématique d’un mode de réalisation préféré du bobinage du circuit résonant de l’onduleur du système de charge selon un l’invention.
est une vue schématique d’un mode de réalisation préféré d’une alimentation d’un système de charge selon l’invention.
est une vue schématique d’un mode de réalisation préféré d’un régulateur de charge d’un système de charge selon l’invention.
Le système de charge selon l’invention, dont un mode de réalisation préféré est représenté en , comporte une source de tension 1 et un onduleur 2 comprenant un circuit résonant d’onduleur 3 LC parallèle comprenant au moins une plaque de charge 4. La plaque de charge 4 comporte un bobinage primaire 33 apte à produire un champ magnétique en vue de transférer de l’énergie, par exemple à destination d’une batterie située sur un mobile. Le bobinage primaire 33 est connectée en parallèle à un condensateur 32 afin de former ledit circuit résonnant d’onduleur 3.
Plusieurs plaques de charge 4 peuvent être utilisées, chacune comprenant un bobinage primaire 33 connecté en parallèle avec le condensateur 32.
La source de tension 1 délivre une tension positive, qui peut osciller entre 0 V et une valeur de tension maximale, par exemple comprise entre 24 et 600 V. La valeur de tension maximale dépend de la demande de puissance en sortie du système de charge.
L’onduleur 2 comporte un moyen de mesure 5 de la tension instantanée aux bornes du condensateur 32. Ce moyen de mesure est de préférence un transformateur.
Le signal mesuré par le moyen de mesure 5 est envoyé à un déphaseur 6, lequel y introduit un déphasage avant de le renvoyer vers un moyen d’excitation 7. Le déphasage est un temps de retard ou d’avance par rapport au passage à zéro de la tension mesurée aux bornes du circuit résonant d’onduleur 3. Le moyen d’excitation 7 est apte à injecter de l’énergie provenant de la source de tension 1 dans le circuit résonant d’onduleur 3 lors de chaque cycle observé par le moyen de mesure 5, avec un déphasage indiqué par le déphaseur 6.
Le moyen d’excitation 7 est donc apte à injecter de l’énergie dans le circuit résonant d’onduleur 3 à la fréquence du signal mesuré par le moyen de mesure 5. Le circuit résonant d’onduleur 3 est ainsi excité automatiquement à sa fréquence propre. Il n’y a pas de forçage de fréquence, ce qui permet une amélioration du rendement du système de charge.
Le déphasage permet de limiter, voire d’absorber les pics de courant dans l’onduleur et ainsi d’éviter la destruction de ses composants, en particulier d’éventuels transistors. Ces pics de courant apparaissent lorsque de l’énergie est soudainement injectée dans le circuit et provoque des pics de tension qui, s’ils ne sont pas atténués, risquent de provoquer la casse de certains composants, en particulier d’éventuels transistors. De plus, le déphasage permet d’absorber l’inductance introduite par la longueur de câble entre l’onduleur et le circuit résonnant de la plaque de charge, ce qui permet d’alimenter un circuit résonnant dans une plaque de charge placée à une grande distance de l’onduleur.
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le moyen d’excitation 7 comporte une inductance réservoir 8, une diode de charge 9, un transistor de charge 10, une diode de décharge 11, un transistor de décharge 12 et un moyen de pilotage 13 des diodes 9, 11, arrangés comme décrit ci-dessous :
L’inductance réservoir 8 est connectée entre la source de tension et une première borne 14 du circuit résonant d’onduleur 3. L’inductance réservoir 8 a une valeur relativement faible, par exemple comprise entre 500 µH et 3 mH. La valeur de l’inductance réservoir 8 varie en fonction de la puissance à laquelle on veut faire fonctionner le dispositif de charge. Une valeur trop faible d'inductance fait décrocher l'onduleur, et augmente le risque de casse, alors qu’une valeur trop élevée d'inductance entraine une trop forte chute de tension aux bornes de cette dernière.
L’anode de la diode de charge 9 est connectée à la deuxième borne 15 du circuit résonant d’onduleur 3, et sa cathode est connectée au drain d’un transistor de charge 10. La source du transistor de charge 10 est connectée à une borne de sortie 16, tandis que sa grille est connectée au moyen de pilotage 13.
L’anode de la diode de décharge 11 est connectée à la première borne 14 du circuit résonant d’onduleur 3, et sa cathode est connectée au drain du transistor de décharge 12. La source du transistor de décharge 12 est connectée à la borne de sortie 16, tandis que sa grille est connectée au moyen de pilotage 13.
Le moyen de pilotage 13, en se basant sur ce signal mesuré déphasé en provenance du déphaseur 6, pilote successivement la mise en état bloqué du transistor de charge 10 et la mise en état passant du transistor de décharge 12, puis la mise en état passant du transistor de charge 10 et la mise en état bloqué du transistor de décharge 12.
Lorsque le transistor de charge 10 est en état bloqué et le transistor de décharge 12 est en état passant, l’énergie s’accumule dans l’inductance réservoir 8. Puis lorsque le transistor de charge 10 est en état passant et le transistor de décharge 12 est en état bloqué, l’énergie accumulée est libérée dans le circuit résonant d’onduleur 3. L’inductance réservoir 8 permet de transformer la source de tension 1 en une source de courant.
Les transistors de charge 10 et décharge 12 sont de préférence des transistors de type MOSFET (transistor à effet de champ à grille isolée) ou IGBT (transistor bipolaire à grille isolée).
Le démarrage de l’onduleur, dans ce mode de réalisation, peut se faire selon un procédé comprenant les étapes suivantes :
  • demande de démarrage de l’onduleur,
  • le transistor de décharge est mis en état bloqué, tandis que le transistor de charge est mis en état passant,
  • un faible courant est envoyé au circuit résonant d’onduleur 3 et amorce l'oscillation,
  • une lecture de la fréquence de résonance du circuit résonant d’onduleur 3 est réalisée grâce au moyen de mesure 5 et si elle, et le cas échéant d’autres paramètres, sont corrects, la puissance est entièrement libérée dans l’onduleur.
Le moyen d’excitation 7 peut être réalisé de différentes manières que celle exposée ci-dessus et illustrée en . Par exemple, le moyen d’excitation 7 peut comporter quatre transistors et quatre diodes, ce qui permet d’injecter de l’énergie dans le circuit résonant d’onduleur 3 non plus seulement à la charge, mais également à la décharge.
Le circuit résonant d’onduleur 3 se compose d’une inductance bobinée en parallèle avec un condensateur, pour former un circuit « bouchon ».
Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, dont un exemple est illustré en , le bobinage primaire 33 est réalisé par une structure comportant deux fils 17, par exemple des fils de Litz, connectés en parallèle. Dans la , deux fils 17a, 17b sont représentés. Les fils 17 sont espacés les uns des autres sur au moins 50% e leur longueur, ce qui permet d’obtenir la même densité de flux magnétique qu’un câble plat à plus grande section, notamment dont la section engloberait les fils 17 espacés. L’espacement est de préférence d’au moins 1 mm. Cela permet la réduction de la valeur globale de l’inductance de la plaque 4 (mise en parallèle de deux inductances) et de réduire ainsi le courant circulant dans le bobinage primaire 33. On obtient ainsi une même efficacité avec significativement moins de masse de câble, ce qui permet de réduire les coûts. De préférence, les fils 17 sont croisés après chaque tour de bobinage, ou après un certain nombre de tours de bobinage, afin qu’ils aient globalement la même longueur, et ainsi une même valeur d’inductance et de résistance. Le circuit ainsi constitué est donc équilibré. Les deux fils 17 sont toujours parallèles, même lors des croisements, dans le sens qu’ils sont constamment espacés l’un de l’autre, de préférence d’une distance constante.
La source de tension 1 peut être générée par une alimentation 18, représentée en , apte à générer la source de tension 1 à partir d’une source de courant 19 alternatif. L’alimentation 18 peut ainsi être branchée directement sur le réseau de courant alternatif, par exemple 220V/50Hz, et délivrer la source de tension 1 requise pour le bon fonctionnement de l’onduleur 2. L’alimentation est en particulier apte à générer l’enveloppe de puissance requise par rapport à la puissance demandée en sortie du système de charge.
L’alimentation 18 peut comporter en entrée un filtre CEM 20, permettant de filtrer les perturbations induites en aval et ainsi de ne pas perturber le réseau électrique.
L’alimentation 18 peut encore comporter en entrée, ou le cas échéant en sortie du filtre CEM 20, un transformateur 21. Le transformateur 21 permet de modifier les valeurs d’intensité et de courant. Il permet de réaliser une isolation galvanique de l’étage 22 sur la sortie 1. Ainsi la référence masse de l’onduleur 2 est la terre.
L’alimentation peut comporter un module de hachage 22, situé avant l’entrée du transformateur. Le module de hachage 22 permet d’élever la fréquence du courant, par exemple d’une fréquence de 50 Hz en entrée à une fréquence comprise entre 20 KHz et 200 KHz en sortie. Ceci est nécessaire afin d’alimenter le transformateur 21, dans le cas où il s’agit d’un transformateur haute fréquence. Or l’utilisation d’un transformateur haute fréquence est préférée car la taille d’un tel transformateur est réduite.
Le module de hachage 22 peut être composé d’un redresseur à diode 23, à la sortie duquel est branché un hacheur 24. Le hacheur 24 permet de régler la puissance du courant selon les besoins du système de charge. Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, un condensateur filtrant 25 est disposé entre le redresseur à diode 23 et le hacheur 24. La capacité du condensateur filtrant peut être comprise entre 0,1 et 10 µF, et peut typiquement être de quelques µF. Un tel filtrage relativement faible permet, lors d’un transfert de puissance, d’obtenir un effet « ripple » sur cette puissance, c’est-à-dire qu’une oscillation au double de la fréquence du réseau apparait. Du fait de cette oscillation, la puissance transférée vers un onduleur 2 passe par des minimums. Ceci a un avantage lorsque le système de charge comporte plusieurs onduleurs 2 branchés sur une alimentation 18 unique. Lorsque l’alimentation 18 est en train de transférer de la puissance vers un premier onduleur 2, si l’on démarre un deuxième onduleur 2, on peut attendre un passage par un minimum de puissance au sein de l’alimentation 18 pour autoriser le démarrage du deuxième onduleur. Ainsi le deuxième onduleur 2 peut être démarré à pleine puissance, sans risque qu’un pic de puissance ne vienne détériorer un composant.
Enfin l’alimentation peut comporter un redresseur 26, apte à convertir le courant alternatif en sortie du transformateur en un courant dont la tension varie entre 0 V et une valeur maximale réglable, par exemple comprise entre 24 et 600 V, pour obtenir la source de tension 1.
L’onduleur 2 peut comporter un microcontrôleur apte à donner des ordres de marche et d’arrêt de l’onduleur 2 en se basant sur les données suivantes : la fréquence de fonctionnement du circuit résonant d’onduleur 3, récupérée par le moyen de mesure 5, les valeurs de tensions et courants, récupérées par exemple au niveau de la première borne 14 du circuit résonant d’onduleur 3 et de la borne de sortie 16. Le microcontrôleur peut aussi être capable de communiquer avec l’alimentation 18 afin que si l’alimentation 18 est déjà en train d’alimenter un autre onduleur 2, le microcontrôleur autorise le démarrage de l’onduleur 2 au bon moment, lors d’un passage en basse puissance. Pour ce faire le microcontrôleur de l’onduleur 2 peut également calculer la puissance à partir de plusieurs mesures prises dans l’onduleur 2. Ces mesures peuvent comporter le courant et la tension dans la boucle du circuit résonant d’onduleur 3, le courant et la tension en sortie de la source de tension 1, et les temps de passage à zéro de tension dans l’onduleur 2.
L’alimentation 18 peut également comporter un microcontrôleur apte à donner des ordres de marche et d’arrêt de l’alimentation 18 en se basant sur les données suivantes : température des composants de puissance, valeurs de tensions et courants dans le module de hachage et le redresseur.
Le système de charge selon l’invention peut comprendre un régulateur de charge 27, dont un mode de réalisation est illustré en . Le régulateur de charge permet de convertir l’énergie magnétique générée par la plaque de charge 4 en un signal électrique pouvant être utilisé pour charger/recharger une charge 28, par exemple une batterie, un accumulateur ou une pile rechargeable.
Le régulateur de charge 27 comporte un circuit résonant secondaire 29 en accord de fréquence avec le circuit résonant primaire de la plaque de charge 4. Si la charge 28 est une batterie nécessitant une charge en courant constant, le circuit résonant secondaire 29 est de préférence un circuit LC série. Si la charge est un convertisseur AC/DC, par exemple un chargeur de batterie à brancher sur le réseau 220V AC, alors le circuit résonant secondaire est de préférence un circuit LC parallèle afin d’obtenir une grande tension continue en sortie du régulateur de charge.
En sortie du circuit résonant secondaire 29, le régulateur de charge comporte un module redresseur et de filtrage 30, permettant de transformer le courant en provenance du circuit résonant secondaire 29 en un courant continu apte à charger la charge 28.
Dans le cas d’une puissance peu élevée, par exemple une tension de charge inférieure à 50V, un convertisseur BUCK 31 est de préférence ajouté en sortie du module redresseur et de filtrage 30, avant que le courant ne soit envoyé à la charge 28. Le convertisseur BUCK permet de baisser la tension du courant jusqu’à la valeur requise par la charge 28.
Le régulateur de charge 27 peut comporter un microcontrôleur apte à communiquer avec l’alimentation 18. Ainsi le régulateur de charge 27 peut envoyer une demande de courant de charge pour la charge 28 directement à l’alimentation 18, qui tentera de satisfaire cette demande.
Dans le cas où l’alimentation 18 comporte un condensateur filtrant 25 permettant de faire osciller la puissance produite par l’alimentation 18 à la fréquence double de la source de courant 19, l’oscillation étant par exemple à une fréquence de 100 Hz, la charge de la charge 28 peut se faire en deux phases se répétant à la fréquence du réseau : une phase de charge, lorsque la tension délivrée par l’alimentation 18 est supérieure à la tension aux bornes de la charge 28, puis une phase de relaxation, lorsque la tension délivrée par l’alimentation 18 est inférieure à la tension aux bornes de la charge 28. Ainsi contrairement à un système de charge classique l’alimentation 18 n’envoie pas une puissance continue dont le régulateur de charge 27 peut disposer, mais envoie juste la puissance nécessaire demandée par la charge 28. Le rendement global du système de charge est ainsi optimisé.
Le système de charge selon l’invention peut être utilisé dans un procédé de charge comportant les étapes suivantes :
  • alimentation d’un premier onduleur 2 par l’alimentation 18,
  • ordre d’alimenter un deuxième onduleur 2 par l’alimentation 18,
  • calcul de la puissance dans le premier onduleur 2,
  • lorsque ladite puissance passe par une valeur basse, par exemple inférieure à 0,1 x le maximum de ladite puissance, démarrage de l’alimentation du deuxième onduleur 2.
Bien que la description ci-dessus se base sur des modes de réalisation particuliers, elle n’est nullement limitative de la portée de l’invention, et des modifications peuvent être apportées, notamment par substitution d’équivalents techniques ou par combinaison différente de tout ou partie des caractéristiques développées ci-dessus.

Claims (10)

  1. Système de charge par résonance magnétique comportant une source de tension (1) et un onduleur (2), ledit onduleur (2) comprenant un circuit résonant d’onduleur (3) LC parallèle et au moins une plaque de charge (4), caractérisé en ce que ledit circuit résonant d’onduleur (3) comprend un condensateur (32) connecté en parallèle à un bobinage primaire (33) de ladite au moins une plaque de charge (4) et en ce que ledit onduleur (2) comporte en outre :
    • un moyen de mesure (5) de la tension instantanée aux bornes dudit circuit résonant d’onduleur (3),
    • un déphaseur (6) connecté audit moyen de mesure (5),
    • un moyen d’excitation (7) connecté au déphaseur (6), apte à injecter de l’énergie provenant de ladite source de tension (1) dans le circuit résonant d’onduleur (3) lors de chaque cycle observé par le moyen de mesure (5), avec un déphasage indiqué par le déphaseur (6), le déphasage étant un temps de retard ou d’avance par rapport au passage à zéro de la tension mesurée aux bornes du circuit résonant d’onduleur (3).
  2. Système de charge selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d’excitation comprend :
    • une inductance réservoir (8) connectée entre ladite source de tension (1) et une première borne (14) du circuit résonant d’onduleur (3),
    • une diode de charge (9) dont l’anode est connectée à une deuxième borne (15) dudit circuit résonant d’onduleur (3),
    • un transistor de charge (10) dont le drain est connecté à la cathode de ladite diode de charge (9), la source est connectée à une borne de sortie (16), et la grille est connectée à un moyen de pilotage (13),
    • une diode de décharge (11) dont l’anode est connectée à la première borne (14) dudit circuit résonant d’onduleur (3),
    • un transistor de décharge (12) dont le drain est connecté à la cathode de ladite diode de décharge (11), la source est connectée à une borne de sortie (16), et la grille est connectée audit moyen de pilotage (13),
    • ledit moyen de pilotage (13) étant connecté au déphaseur (6), et apte à piloter la mise en état bloqué du transistor de charge (10) et la mise en état passant du transistor de décharge (12), puis la mise en état passant du transistor de charge (10) et la mise en état bloqué du transistor de décharge (12) lors de chaque cycle observé par le moyen de mesure 6), avec un déphasage indiqué par le déphaseur (6).
  3. Système de charge selon la revendication précédente, dans lequel la source de tension (1) délivre une tension variant entre 0 V et une tension maximale réglable, par exemple comprise entre 24 et 600 V, à une fréquence comprise entre 20 KHz et 200 kHz.
  4. Système de charge selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit moyen de mesure (5) comporte un transformateur.
  5. Système de charge selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit bobinage primaire (33) comprend au moins deux fils (17a, 17b) connectés en parallèle et espacés les uns des autres d’au moins 1 mm sur au moins 50% de leur longueur.
  6. Système de charge selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ladite source de tension (1) est générée par une alimentation (18) apte à convertir une source de courant alternatif (19), par exemple à une tension de 220 V et une fréquence de 50 Hz, en une source de tension (1) délivrant une tension variant entre 0 V et une tension maximale réglable, par exemple comprise entre 24 et 600V.
  7. Système de charge selon la revendication précédente, dans lequel ledit onduleur (2) comporte un microcontrôleur, apte à communiquer avec l’alimentation (18) et à donner des ordres de marche ou d’arrêt de l’onduleur (2).
  8. Système de charge selon l’une des revendications 6 à 7, comportant un régulateur de charge (27) apte à communiquer avec l’alimentation (18) et à lui envoyer une demande de courant de charge.
  9. Système de charge selon l’une des revendications 6 à 8, dans lequel ladite alimentation (18) comporte un condensateur filtrant (25), ayant une capacité par exemple comprise entre 0,1 et 10 µF, permettant de créer dans ladite source de tension (1) une oscillation de la puissance au double de la fréquence de ladite source de courant alternatif (19).
  10. Procédé d’utilisation d’un système de charge selon la revendication précédente comportant au moins deux onduleurs (2), comportant les étapes suivantes :
    • alimentation d’un premier onduleur (2) par l’alimentation (18),
    • ordre d’alimenter un deuxième onduleur (2) par l’alimentation (18),
    • calcul de la puissance au niveau du premier onduleur (2),
    • lorsque ladite puissance passe par une valeur basse, par exemple inférieure à 0,1 x le maximum de ladite puissance, démarrage de l’alimentation du deuxième onduleur (2).
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