De nombreux appareils technologiques de pointe alimentés par batterie prévoient la possibilité de se recharger sans connexion physique à une alimentation électrique, mais par simple support à une station de base spéciale, qui ne doit d’ailleurs pas nécessairement être fournie par le même fabricant de l’appareil. Si les appareils de différents fabricants sont capables d’interopérer entre eux, c’est grâce à l’existence de normes ouvertes, très souvent développées par un consortium de diverses marques intéressées par le développement de cette technologie donnée.
Le concept de transfert d’énergie sans fil est connu depuis un certain temps, plus de 100 ans pour être précis, et remonte à l’invention de la bobine de Tesla. Un facteur clé de la transmission d’énergie sans fil est l’efficacité : pour pouvoir définir efficacement le système, une grande partie de l’énergie transmise par le générateur doit atteindre le dispositif récepteur. Les deux types de procédés de couplage inductif qui peuvent être utilisés pour le transfert sans fil en champ proche sont le couplage inductif standard et le couplage inductif résonnant.
Généralement, le couplage inductif standard est praticable à une distance de communication relativement courte, car la majeure partie du flux magnétique n’est pas connectée entre les bobines et les champs magnétiques se désintègrent rapidement. Le couplage inductif résonnant offre une plus grande efficacité (jusqu’à 95 %) et fonctionne même à des distances relativement longues (plusieurs mètres), étant donné que la bobine résonnante réduit considérablement les pertes d’énergie permettant le transfert d’énergie d’une bobine à l’autre.
Applications
Le transfert d’énergie sans fil (WPT) peut être utilisé soit pour alimenter directement l’appareil comme des lumières LED ou un téléviseur et pour recharger une batterie comme un téléphone mobile en le plaçant simplement à bord. La communication entre les dispositifs médicaux implantés dans le corps humain et les équipements externes est connue depuis longtemps. Un exemple est donné par les paramètres de diagnostic transmis par un peacemaker vers l’extérieur. Dans cette application, un couplage inductif entre une petite spire placée dans le boîtier du dispositif et une plus grande positionnée sur la poitrine du patient permet la communication. Cependant, les dispositifs médicaux implantés doivent être correctement alimentés et, bien que l’utilisation de batteries lithium-ion leur permette de fonctionner de manière autonome, leur remplacement nécessite des opérations invasives avec des risques relatifs pour la santé du patient. La technologie WPT peut remédier à ce problème grâce à des systèmes de charge sans fil. Ces dernières années, l’application de la technologie WPT au domaine de l’e-mobilité durable a suscité un intérêt croissant dans les institutions de recherche, notamment en Asie. Aujourd’hui, les véhicules électriques doivent être reliés, par l’intermédiaire d’un connecteur, à une prise électrique pour recharger les batteries. Le transfert d’énergie sans fil permet d’éliminer de tels connecteurs et permet une recharge automatique (figure 1).
Technologie
Le champ électromagnétique qui rayonne d’une antenne prend des caractéristiques qui dépendent de la distance à l’élément rayonnant. En particulier, on peut distinguer deux zones : la zone de champ proche et la zone de champ lointain.
Un exemple que nous connaissons tous est le transformateur, qui transfère l’énergie d’une bobine primaire à une bobine secondaire sans connexion électrique directe, mais en utilisant le couplage magnétique inductif. Les transformateurs sont fabriqués avec des noyaux de ferrite et nécessitent un alignement précis entre le côté primaire et secondaire pour obtenir un couplage fort. La figure 2 montre le schéma fonctionnel d’un circuit typique mettant en œuvre un couplage magnétique inductif.
Le premier étage est représenté par un onduleur, qui convertit le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) à la fréquence appropriée (généralement dans la gamme entre des centaines de kilohertz et plusieurs mégahertz). Ensuite, un réseau d’adaptation d’impédance ajuste l’impédance vue par la bobine émettrice en fonction de la charge, de sorte qu’un rendement d’environ 90 % peut être atteint. L’étape suivante est composée des bobines d’émission et de réception, respectivement utilisées pour générer le champ magnétique et pour l’intercepter. Un deuxième réseau d’adaptation d’impédance garantit que la charge voit l’impédance appropriée et, enfin, un redresseur convertit le courant alternatif en un courant continu stable grâce à un régulateur de tension.
L’utilisation de cette technologie dans les appareils électroniques portables est conditionnée par la liberté de mouvement limitée par la nécessité d’un rendement élevé et par le poids des matériaux magnétiques en vrac. Pour que le couplage soit efficace, les côtés primaire et secondaire doivent être bien alignés, et aussi la distance entre eux ne doit pas dépasser des longueurs de l’ordre de quelques dizaines de centimètres. Pour ces raisons, le couplage inductif est souvent utilisé pour alimenter les véhicules électriques.
En partant des principes de base du couplage inductif, il est possible d’augmenter les distances de transmission par la technique du couplage magnétique résonnant. Le concept du couplage magnétique résonnant est le suivant : une grande spirale inductive excitée par une source de radiofréquence peut exploiter sa résonance pour induire un mode résonnant dans une autre structure similaire, placée à une certaine distance. Cela permet d’obtenir un transfert de puissance sans utiliser de champ radiatif, sur une distance qui peut même être quatre fois supérieure à la taille de la spirale (figure 3).
Le courant alternatif 50-60 Hz est redressé et converti en courant continu par le bloc redresseur. Le signal continu alimente ensuite le bloc RF, un amplificateur qui convertit la tension continue en tension radiofréquence utilisée pour entraîner la boucle dans la transmission. Du côté de la réception, la boucle de résonance entrante transmet le signal RF au redresseur, qui alimente la charge avec un courant continu convenablement régulé. Bien qu’ils ne soient pas représentés sur la figure, ces systèmes comprennent souvent des réseaux d’adaptation d’impédance pour obtenir un rendement de transmission acceptable entre la source et la charge.
Les systèmes peuvent être représentés comme un circuit RLC (figure 4) dans lequel, à la fréquence de résonance, l’énergie oscille entre l’inducteur L où elle est stockée dans le champ magnétique et le condensateur C où elle est accumulée dans le champ électrique. La qualité avec laquelle le résonateur accumule l’énergie est définie par le facteur de qualité Q, qui est fonction de la fréquence de résonance w0 et du facteur de perte Γ:
Lorsque deux résonateurs similaires sont placés à proximité l’un de l’autre à la fréquence de résonance, un couplage se produit entre eux, permettant un transfert d’énergie. La formule suivante donne le rendement optimal avec lequel le transfert d’énergie a lieu :
Comme on peut le voir, il dépend uniquement du facteur de mérite U qui indique la bonté du couplage.
Par rapport au couplage magnétique inductif, le couplage magnétique résonnant présente des avantages considérables :
- l’absence de noyaux de ferrite les rend plus légers et donc plus intégrables ;
- les distances entre émetteur et récepteur peuvent atteindre jusqu’à 4 mètres sans la contrainte très contraignante d’un alignement parfait entre les deux boucles ;
L’alignement des bobines de réception et d’émission dans le champ d’écoulement et la distance entre les bobines déterminent l’efficacité avec laquelle l’énergie est transmise. La fréquence de résonance, le rapport entre les dimensions des bobines d’émission, et celles des bobines de réception, le facteur de couplage, l’impédance de l’enroulement, et les courants parasites de la bobine sont d’autres facteurs qui ont un grand impact sur l’efficacité de transmission de l’énergie.
Protocole Qi
Le système Qi est une norme pour le transfert d’énergie sans fil. Il se compose de deux modules de base, à savoir la station de base et le dispositif mobile. Son architecture du plus haut niveau est représentée sur la figure 5.
La station de base comprend un ou plusieurs émetteurs d’énergie : chacun d’eux peut fournir une fonctionnalité de transfert d’énergie sans fil à un seul appareil mobile à la fois et se compose en principe d’une unité de conversion d’énergie et d’une unité de contrôle et de communication. La norme Qi est déjà présente sur le marché grand public, à bord d’une large gamme d’appareils mobiles. Mais même le monde développé peut bénéficier de cette technologie grâce à des projets comme le récent TIDA-00881, une carte Texas Instruments conçue pour ajouter à d’autres cartes basse consommation TI (notamment celles de la série Launchpad) la fonctionnalité d’alimentation sans fil conforme à la norme Qi.
Infineon propose des MOSFET de puissance pour de nombreuses normes de recharge sans fil et est un membre actif du Wireless Power Consortium (WPC) et de l’AirFuel Alliance, les deux principaux consortiums d’entreprises pour la technologie de recharge sans fil. L’AirFuel Alliance a défini une norme pour le WPT résonant, qui fonctionne à une fréquence de 6,78 MHz et permet de charger plusieurs appareils simultanément. BSZ0909ND convient notamment aux architectures de recharge sans fil ou aux composants de pilotage (par exemple, dans les drones ou les multimoteurs) où les concepteurs doivent simplifier l’agencement et gagner considérablement de l’espace, sans compromettre l’efficacité.
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