Optimisation du coupleur pour la recharge dynamique des véhicules électriques

En 2017, l’usage des transports représentait, en France, 32 % de la consommation énergétique totale, soit 45,4 Mtep (Mégatonne équivalent pétrole). La consommation énergétique du secteur des transports est principalement à base de produits pétroliers. Elle représente à elle seule plus de 60% de la consommation pétrolière de la France

En plus de la dépendance qu’engendre l’utilisation intensive de produits pétroliers, cette consommation engendre des effets néfastes sur l’environnement en augmentant les émissions de gaz à effet de serre. Des solutions telles que l’utilisation de véhicules électriques (VEs) et/ou hybrides rechargeables, peuvent représenter des alternatives de transports efficaces et propres. Les immatriculations de voitures particulières électriques en France sont ainsi passées de 184 en 2010 [2] à 42 764 en 2019 ce qui correspond à 1,9 % du marché automobile français [3]. Néanmoins, si le véhicule électrique n’arrive toujours pas à faire sa percée dans le marché automobile, c’est principalement à cause de son autonomie, en plus de la question du prix. L’autonomie moyenne des voitures électriques actuellement commercialisées varie de 150 à 400 km [4][5][6]. Même si cette autonomie permet de répondre à des trajets quotidiens, la réalisation de longs trajets reste toujours problématique et très loin de l’autonomie des véhicules thermiques qui eux peuvent parcourir plus de 1000 km [7].

Différentes solutions ont été présentées par le passé pour permettre d’améliorer l’autonomie des VEs, la plus répandue consiste à augmenter la capacité des batteries, ce qui revient à augmenter aussi leurs volumes, leurs masses, leurs coûts ainsi que leurs temps de recharge. De plus, cette augmentation de masse conduit inévitablement à une augmentation de la consommation d’énergie des VEs. Une alternative est de multiplier les bornes de recharge. Cependant le temps de recharge est un facteur très pénalisant pour le VE par rapport au véhicule thermique. C’est pour cela qu’une autre solution a été envisagée. Il s’agissait du développement d’un système permettant d’échanger des batteries vides contre des batteries déjà chargées préalablement. Cette opération devait permettre au conducteur du VE d’obtenir une batterie totalement chargée en quelques minutes. Cependant cette solution a été abandonnée pour différentes raisons liées, en particulier, aux difficultés rencontrées dans la conception mécanique et dans la gestion des problèmes de sécurité [8].

Une autre façon de faciliter l’utilisation des VEs est le recourt à un système de recharge sans contact, qui permet d’échanger de l’énergie entre deux systèmes sans aucune connexion électrique entre eux. Il existe deux types de recharge sans contact : la recharge statique et la recharge dynamique.

Recharge sans contact

Le transfert d’énergie sans contact appelé également Wireless Power Transfer (WPT), Contactless Energy Transfer (CET) ou encore Contactless Power Transfer (CPT) fait référence au principe permettant de transférer l’énergie électrique d’un point à un autre via un air gap (entrefer) sans aucun contact électrique direct. Le développement de ce type de système remonte au 19ème siècle avec Nicolas Tesla, qui a travaillé sur le transfert d’énergie entre deux bobines comme peut en témoigner la tour de Wardenclyffe, qui fut construite à long Island et qui malheureusement par la suite fut détruite [9]. Les recherches ont continué pendant le 20ème siècle où l’on notera par exemple l’idée de William C. Brown qui proposa l’utilisation des micro-ondes pour pouvoir transférer de  l’énergie sans contact à un hélicoptère [9] [10], ou encore l’essor des « tags » RFID dans les années 1970 qui peuvent être alimentés en utilisant des couplages inductifs ou radiatifs [11].

Les différentes techniques de recharge inductive présentées au chapitre 1 nous permettent d’identifier plusieurs voies d’amélioration de l’efficacité des systèmes de recharge dynamique. Les premières d’entre elles concernent par exemple l’accord de la capacité de résonance pour maintenir la compensation de puissance réactive pendant le mouvement [42]. D’autres concernent l’utilisation de nouvelles topologies de compensation [75] [76] ou encore l’accord de fréquence de résonance [77]. Notons toutefois que la conception des bobines du coupleur magnétique est une partie déterminante de l’efficacité énergétique du système [43 [44]. Pour cela, la topologie du coupleur doit permettre de maintenir un coefficient de couplage élevé sur une plage de désalignement important. Ceci en fait la principale différence avec les systèmes de recharge inductifs statiques.

Afin d’obtenir une topologie optimale prenant en compte le mouvement du VE, nous proposons une étude comparative de différentes formes de coupleurs. Avant cela, nous accordons un intérêt particulier au développement de méthodologies de caractérisation des paramètres électriques du coupleur. Ces dernières permettent de remonter aux différents éléments de modèle électrique en utilisant plusieurs approches (analytique, numérique et par la mesure) ; l’objectif de cette partie étant de maitriser une méthodologie de caractérisation et de valider l’utilisation de l’outil numérique (COMSOL) en vue d’une démarche de conception par prototypage virtuel. Cet objectif atteint, l’optimisation du coupleur magnétique à partir de ces outils peut être conduite.

La comparaison des différentes formes de bobines de coupleur est menée en termes de coefficient de couplage. Les différentes formes étudiées ont été sélectionnées lors de la recherche bibliographique. Nous avons spécifiquement sélectionné celles adaptées à la recharge inductive des VE. La particularité de l’étude proposée réside dans le fait que l’encombrement ou les zones occupées par les enroulements des bobines restent les mêmes pour toutes les formes choisies et la surface retenue correspond à celle effectivement disponible sous le VE. Les résultats obtenus sont analysés et discutés en tenant en compte de l’aspect dynamique (déplacement et désalignement du véhicule) de l’application (DWPT pour VE).

Comparaison de différentes formes de bobines adaptées à la recharge des véhicules électriques

Les bobines des coupleurs magnétiques sont parmi les composants les plus importants d’un système DWPT. Leur conception affecte en effet de façon importante le rendement du système complet [60] [44]. Dans [73] le rendement maximum pouvant être atteint par un système de recharge sans contact est directement lié au coefficient de couplage.

L’architecture des bobines doit donc en tout premier lieu, permettre d’améliorer le coefficient de couplage en conservant un coefficient de qualité élevé (celui-ci étant majoritairement lié aux pertes dans les conducteurs de l’émetteur et du récepteur). Notons que dans le cadre d’un système DWPT, les inductances propres, de fuites et mutuelles changent avec le déplacement du véhicule. Ceci se traduit par une variation et une possible réduction du coefficient de couplage lorsque les bobines émettrices et réceptrices s’éloignent l’une de l’autre. Il faudra donc analyser ces variations pour tenter de les minimiser afin de réduire l’impact du mouvement relatif des bobines primaires et secondaires sur le rendement du système WPT.

Afin de concevoir une topologie de coupleur optimale pour un système DWPT, la comparaison, en termes de coefficient de couplage, de différentes géométries de bobines sélectionnées lors de la recherche bibliographique  est opérée. Le but est d’optimiser la forme géométrique du coupleur pour obtenir le maximum de couplage. Contrairement à ce qui est fait dans [60][72] où les dimensions des bobines sont différentes d’une topologie à une autre, nous considérons dans notre étude que les surfaces occupées par les bobines primaires et secondaires restent les mêmes et nous fixerons pour leurs dimensions celles effectivement disponibles sous le VE (468 mm × 468 mm). Pour les différentes topologies évaluées, nous déterminerons le coefficient de couplage et l’influence du déplacement sur ce dernier.

La surface utile pour les bobines du coupleur est définie et fixée à 468 mm × 468 mm. Le dispositif expérimental correspondant est monté sur un véhicule de type TWIZY (voiture électrique Renault).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. État de l’art
I.1 Introduction
I.2 Recharge sans contact
I.3 Recharge inductive
I.3.1 Recharge par induction en statique
I.3.2 Recharge par induction en dynamique
I.4 Coupleur magnétique
I.4.1 Modèle électrique du coupleur et compensation de la puissance réactive
I.4.2 Formes des coupleurs
I.5 Positionnement des travaux de thèse
I.6 Conclusion
Chapitre II.Optimisation du coupleur pour la recharge dynamique des véhicules électriques
II.1 Introduction
II.2 Caractérisation des coupleurs magnétiques
II.2.1 Détermination des éléments propres d’une bobine
II.2.2 Détermination de l’influence de l’« air gap » et du déplacement sur la mutuelle inductance
II.3 Comparaison de différentes formes de bobines adaptées à la recharge des véhicules électriques
II.3.1 Déplacement du véhicule dans l’axe de la route électrique
II.3.2 Déplacement désaxé du véhicule par rapport à la route électrique
II.3.3 Variations des inductances propres
II.3.4 Conclusion partielle
II.4 Comparaison de différentes topologies de ferrites
II.4.1 Variation de la surface occupée par le matériau ferrite
II.4.2 Variation de l’épaisseur de la plaque de matériau ferrite
II.4.3 Variation de la surface occupée par le matériau ferrite : évidement de la partie centrale
II.4.4 Impact de la distance bobine-ferrite
II.4.5 Discrétisation de la structure magnétique par utilisation de barreaux
II.4.6 Proposition de géométrie de coupleur magnétique
II.5 Validation expérimentale de l’évolution du coefficient de couplage
II.6 Conclusion
Chapitre III. Rayonnement et blindage du coupleur
III.1 Introduction
III.2 Compatibilité électromagnétique, recommandation ICNIRP et norme J2954
III.3 Rayonnements électromagnétiques de différentes topologies de coupleurs
III.4 Modélisation du rayonnement et pré-dimensionnement d’un blindage
III.4.1 Définition d’un blindage électromagnétique
III.4.2 Dimensionnement d’une plaque conductrice pour le blindage du champ magnétique
III.5 Influence d’un blindage magnétique sur le couplage
III.6 Conclusion
Chapitre IV. Détection de la présence du véhicule et séquencement des bobines au sol
IV.1 Introduction
IV.2 Détection de la présence du véhicule électrique
IV.2.1 Travaux antérieurs
IV.2.2 Solution de détection proposée
IV.2.3 Validation expérimentale
Conclusion générale

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