Etude et mise en oeuvre du transfert de l'énergie électrique par induction : application à la route électrique pour véhicules en mouvement

Study and implementation of the inductive power transfer : application to the electric road for in motion vehicles.

• Auteur / Autrice : Antoine Caillierez
• Direction : Daniel Sadarnac, Alain Jaafari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 19/01/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Génie électrique et électronique de Paris (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Georges Zissis
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Sadarnac, Alain Jaafari, Zoubir Khatir, Mustapha Nadi, Moumen Darcherif
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Khalil El Khamlichi Drissi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commutation (électricité)

Transfert d'énergie

Véhicules électriques

Mots clés libres

Véhicule électrique

Couplage magnétique

Sans capteur de position

Commutation douce

Résonance série-série

Diagramme de Fresnel

Electric vehicle

Magnetic coupling

Position sensorless

Soft switching

Serie-serie resonant converter

Phasor diagram

Résumé

La transmission d’énergie par induction est devenue un sujet extrêmement porteur compte tenu du contexte géopolitique et environnemental du moment ; ainsi que des possibilités technologiques. Les enjeux de l’alimentation électrique d’un véhicule en roulant sont importants : réduction de la taille de la batterie embarquée, du poids et du coût du véhicule, limitation des importations de cellules de batteries et réduction des importations pétrolières au profit d’investissements locaux et extension du rayon d’action des véhicules électriques voire hybrides rechargeables pouvant aller d’un simple bonus à un rayon d’action infini selon le dimensionnement de l’infrastructure.La solution développée utilise le vecteur magnétique. Elle fait donc appel à des bobines faiblement couplés qui impliquent de fortes inductances de fuite et des chutes de tensions associées hors du commun. Un nouveau type de convertisseur « continu-continu » a été imaginé afin de répondre à ces contraintes. Celui-ci se fonde sur le concept de symétrie ; l’analyse détaillée basée sur les diagrammes de Fresnel, a conduit à l’élaboration d’un fonctionnement particulier qui a été appelé la « recopie de tension ». Le prototype réalisé fonctionne avec un entrefer réaliste de 15 centimètres, une tolérance au décentrage de +/-50% sur l’axe longitudinal, une tension de sortie stable avec de faibles pertes malgré d’importantes variations de couplage. Le tout sans aucune communication entre la partie au sol et la partie mobile. Ces résultats permettent d’envisager sérieusement un fonctionnement en roulant.Celui-ci nécessite de pouvoir séquencer l’alimentation d’une multitude de bobines de petite taille enfouies sous la chaussée, au bon moment et à la bonne position. La mise en court-circuit résonnant des bobines inactive permet d’utiliser la mesure des courants pour déterminer précisément l’instant d’activation de la bobine suivante. Cette solution originale, qui s’affranchi de tout capteur de position, conserve la propriété de recopie de tension et le principe de dimensionnement développés dans la première partie.

Inductive power transfer has become a flourishing subject, considering the current geopolitical and environmental situation and the new technological possibilities. The electric road may lead to important and valuable consequences: extended range for electric vehicles and even hybrids, from a simple bonus to an infinite range, depending on the infrastructure set up, down-sized on-board batteries, reduction of the weight and cost of the vehicle and lowered importations of both battery cells and oil for the benefit of local investments .The solution developed uses a magnetic medium for the transfer. Therefore, it involves loosely coupled coils, implying inevitably strong leakage inductances and outstanding associated voltage drops. A new type of DC-DC converter was imagined to answer those issues. It is based on the concept of symmetry; a detailed analysis conducted with phasor diagrams leads to a specific working principle, which has been named the “voltage copying”. Thus, the DC/DC converter designed works with a realistic air-gap of 15 centimeters, a longitudinal tolerance to displacement up to +/-50% and a stable output voltage with low losses despite large coupling variations. And it all works without any communication between the ground part and the mobile part. These results make a dynamic charging seriously worth investigating.It requires to sequence the power supply of a multitude of small coils buried beneath the road surface, at the right time and for the right position. Putting inactive coils in a resonant short-circuit mode enables to use current measures to precisely detect the switching time from one coil to the next. This original solution, free of any position sensor, does not prevent the specific “voltage copying” property and the design principles developed in the first part.