Étude du couplage magnétique et des systèmes de transmission d’énergie inductifs

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Technique de transmission d’énergie en champ proche

Le chargement capacitif

Le principe du couplage capacitif est d’utiliser le champ électrique généré entre deux plaques électriquement conductrices. Un effet capacitif apparait ainsi et la charge générée par l’émetteur émet un champ électrique qui donnera naissance à une charge de signe opposé si un récepteur est placé à proximité. Une puissance pourra donc être extraite de cette charge vers la batterie électrique d’un appareil électronique. Mais deux inconvénients majeurs apparaissent sur cette technologie : le premier est que les surfaces des plaques doivent être de tailles importantes pour pouvoir générer des charges et des champs électriques convenables. Ce n’est donc pas compatible avec les tailles des appareils électroniques nomades actuels. Le deuxième est qu’un champ électrique d’une forte puissance est sujet à provoquer des problèmes de parasitage et de compatibilité électromagnétiques avec les autres appareils électroniques à proximité. De plus, il peut être dangereux pour le corps humain si l’utilisateur est trop longtemps exposé (voir le Chapitre IV de ce manuscrit).

Le chargement inductif

Le chargement inductif est basé sur le principe physique de l’induction magnétique entre deux bobines, appelées aussi antennes inductives. Un transfert d’énergie inductif apparait donc lorsque qu’une bobine émettrice génère un fort champ magnétique variant à proximité d’une bobine réceptrice, tel qu’illustré sur la Figure I.4. Ces deux bobines vont se coupler magnétiquement et ainsi échanger un flux magnétique, qui va générer une tension aux bornes de la bobine réceptrice. Cette tension entrainera donc la circulation d’un courant à travers la bobine réceptrice qui servira, une fois redressée, à alimenter la batterie d’un appareil électronique.
La fréquence d’application de tels systèmes se situe généralement entre 50 et 500 kHz et la distance de séparation entre les deux antennes émettrice et réceptrice est typiquement comprise entre quelques millimètres et quelques centimètres. En effet, les systèmes de transfert d’énergie par couplage inductif sont sensibles à la diminution du couplage magnétique qu’il peut y avoir lorsque les antennes sont trop éloignées l’une de l’autre. Ceci entrainant soit une diminution de l’efficacité énergétique (l’émetteur aura besoin de fournir une puissance plus élevée pour fournir une même puissance au récepteur) ou bien une diminution de la puissance au récepteur (l’émetteur fournit une puissance fixe et un éloignement du récepteur entraine une baisse de la puissance disponible pour recharger la batterie).
Malgré une distance d’émission limitée, la puissance fournie au récepteur peut être élevée et suffisante pour recharger des véhicules électriques. Les avantages du couplage magnétique inductif sont une facilité d’implémentation, des systèmes peu complexes, une efficacité énergétique qui peut être importante lorsque les antennes inductives d’émission et de réception sont proches ainsi qu’un fonctionnement sûr pour l’utilisateur car il se retrouve peu exposé.

Le chargement par résonance magnétique

Le chargement par résonance magnétique reprend le principe du couplage magnétique inductif, à savoir l’utilisation d’antennes inductives et du champ magnétique émis qui sert de vecteur au transfert de puissance [20]. La différence vient du fait que l’on crée une résonance avec l’antenne inductive par l’ajout d’un élément capacitif, tel qu’illustré par la Figure I.5. Ceci aura donc pour effet de travailler avec un courant élevé et permettre ainsi une puissance transférée beaucoup plus importante.
La fréquence d’application de tels systèmes se situe généralement entre 5 et 15 MHz et la distance de séparation entre émetteur et récepteur passe de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres.
Du fait d’une fréquence de fonctionnement plus élevée, le facteur de qualité des antennes est plus fort pour la technologie du couplage magnétique résonant que pour le couplage magnétique inductif. Ces forts facteurs de qualité permettent de conserver une efficacité énergétique convenable lorsque la séparation entre les antennes augmente. Cette technologie permet également pour un unique émetteur de recharger plusieurs récepteurs en même temps car il n’est pas nécessaire que les antennes soient parfaitement alignées pour avoir une efficacité énergétique correcte. En revanche, la question de l’adaptation d’impédance sera à considérer judicieusement ainsi que les interactions que peuvent avoir les récepteurs entre eux. De plus, le fait que le champ magnétique généré par l’émetteur interagira peu avec les circuits qui ne sont pas accordés à sa fréquence de résonance entrainera un parasitage réduit des autres appareils électroniques situés à proximité. C’est avec un dispositif de transfert d’énergie par couplage magnétique résonant que le MIT a démontré la faisabilité de la technologie Witricity. Une ampoule de 60 Watts située à plus de deux mètres de l’antenne émettrice a ainsi pu être alimentée avec une efficacité énergétique de 40%. Cette même efficacité est passée à 90% lorsque la distance de séparation a été réduite à un mètre.
Le principal inconvénient d’un système résonant est que ses capacités ne pourront être pleinement exploitées que pour une seule fréquence de fonctionnement. Il sera également difficile de concevoir par exemple un émetteur dont l’adaptation d’impédance sera parfaite pour tous les récepteurs qu’il aura à charger. Des solutions à partir de capacités commutées sont possibles mais l’implémentation reste complexe.
Les principales technologies de transfert d’énergie sans fil sont résumées avec leurs avantages et inconvénients dans le tableau ci-dessous.

Les applications du transfert d’énergie sans fil

Les applications susceptibles d’utiliser un système de transfert d’énergie sans fil sont nombreuses et l’emploi de telle ou telle technologie dépendra des besoins de ces dernières. En effet, n’importe quel appareil électrique nomade ayant une batterie rechargeable embarquée aura besoin de voir celle-ci se recharger afin de rester fonctionnel.
Beaucoup d’applications ont choisi d’utiliser les technologies de couplage magnétique inductif et résonant de par la faible complexité des systèmes et la facilité d’industrialisation. Nous allons décrire par la suite les principales applications justifiant l’emploi de tels systèmes.

L’électronique grand public

Le marché de l’électronique grand public est certainement celui qui a connu le plus grand essor ces dernières années et les industriels ont donc développé une multitude de systèmes de rechargement sans fil. En effet, il est très facile et plus ergonomique pour l’utilisateur de pouvoir recharger ses appareils électriques nomades tels que les téléphones portables, les baladeurs mp3 ou bien les ordinateurs portables sans avoir besoin de les connecter à un fil électrique. Un autre exemple bien connu est celui des brosses à dents électriques à rechargement sans fil, permettant ainsi d’améliorer l’étanchéité du produit et augmenter la durée de vie.
Les technologies employées sont donc majoritairement portées sur le couplage magnétique inductif et résonant et les puissances fournies sont relativement faibles (entre 5 Watts pour un téléphone et 20 Watts pour un ordinateur portable). Les principales normes de chargement sans fil concernent le marché de l’électronique grand public et celui de la téléphonie mobile en particulier. Il est à noter qu’en plus des principales normes en concurrence (Qi et Rezence-PMA), de nombreux industriels commencent à développer leurs systèmes de transfert d’énergie sans fil propriétaires et compatibles uniquement avec leurs produits. De plus, les bases de rechargement accessibles depuis les aéroports ou les restaurants se démocratisent de plus en plus chaque année.

Les appareils électroniques médicaux

La transmission d’énergie sans fil a été largement utilisée pour les dispositifs médicaux implantés à l’intérieur du corps humain. Ces derniers sont munis d’une batterie et d’une antenne miniaturisée permettant d’une part une facilité de rechargement du dispositif électronique et d’autre part d’améliorer la qualité de vie de la personne concernée. En effet, les piles qui commencent à voir leur énergie diminuer n’ont plus besoin d’être remplacées par chirurgie car elles peuvent être rechargées sans fil.

Les véhicules électriques

Les véhicules automobiles de type électriques ou hybrides sont munis d’imposantes batteries ayant une autonomie relativement limitée. Les véhicules tout électriques ont besoin en particulier d’être rechargés après chaque sortie afin d’être opérationnels lors de la prochaine utilisation.
On peut donc imaginer une antenne inductive située au sol d’un garage chez un particulier et une antenne réceptrice située en dessous de la voiture. Une fois à l’intérieur du garage, les deux antennes se retrouvent couplées magnétiquement et le rechargement sans fil peut débuter sans la moindre intervention de la part de l’utilisateur. Des prototypes capables de délivrer 3.3 kWatts sur une distance de 20 cm commencent à voir le jour. Le fait de faciliter la recharge des batteries de manière automatisée pourrait rendre les véhicules tout électriques plus attractifs pour les consommateurs.
Des études sont également en cours pour construire des portions de routes dotées d’antennes permettant d’alimenter les batteries des véhicules tout électriques alors qu’ils sont en train de rouler. Ceci permettant de régler définitivement la problématique de l’autonomie pour l’instant très limitée de ces derniers.

Les systèmes de radio-identification

Les systèmes de radio-identification ont été peut être les premiers à utiliser les technologies de transfert d’énergie sans fil de manière industrielle. Ils sont regroupés sous le nom de RFID (Radio Frequency Identification) ou plus récemment NFC (Near Field Communications). En effet, ces dispositifs utilisent le champ magnétique émis par un lecteur (composée d’un circuit électronique relié à une antenne inductive) pour alimenter le circuit de réception situé sur un badge (ou une étiquette). Ce badge est composé d’une antenne de réception reliée à un microcontrôleur miniaturisé et ce dernier est directement alimenté par l’énergie reçue par couplage magnétique. On a donc des récepteurs qui sont alimentés uniquement quand ils sont à proximité d’un émetteur (à noter qu’il existe également des récepteurs disposant de batteries miniatures).
Le but de ces dispositifs est de disposer de systèmes d’identification rapides, efficaces et très économiques. La puissance transférée est de l’ordre de quelques µW et la distance d’utilisation va de quelques centimètres à plusieurs dizaines de centimètres.
De plus, certaines études ont montré la faisabilité de systèmes de récupération d’énergie tels que des capteurs électroniques munis d’une batterie rechargée avec l’énergie fournie par le rayonnement électromagnétique ambiant. Ces solutions sont envisageables pour les systèmes ayant une consommation électrique très faible et intéressantes pour des applications embarquées nécessitant un fonctionnement ponctuel.

Théorie du champ magnétique et notion d’inductance

Dans le cas du transfert d’énergie par induction magnétique, les antennes utilisées seront apparentées à des bobines. La bobine émettrice va donc créer un champ magnétique, où un flux magnétique sera échangé si une bobine émettrice se trouve à l’intérieur de ce champ magnétique. De l’intensité de ce flux découlera la puissance transmise vers le circuit récepteur (et sa charge) tandis que le rendement électrique du circuit de transfert d’énergie (ou efficacité) sera dépendant de la quantité de flux reçu par la bobine réceptrice par rapport à celui émis par la bobine émettrice.
Un système de transfert d’énergie par induction magnétique doit donc fonctionner à des fréquences basses (inférieures à 100 MHz) sans quoi le champ magnétique serait beaucoup moins intense et les antennes ne pourraient plus être considérées comme des bobines.
Comme nous l’avons abordé dans le premier chapitre de ce manuscrit, le champ magnétique est un élément clé d’un système de transfert d’énergie inductif, dans le sens où il va servir de support au transfert de puissance. Cependant, comprendre les principes du transfert d’énergie inductif nécessite de comprendre les principes physiques généraux de l’électromagnétisme.
Le mouvement de charges électriques, autrement dit la circulation d’un courant électrique alternatif, crée un champ magnétique. L’amplitude de ce champ magnétique est décrite par l’excitation magnétique . Selon le théorème d’Ampère et si on considère un conducteur électrique parcouru par un courant électrique, la circulation de ce courant engendrera l’apparition d’une excitation magnétique en tout point de l’espace. Deux cas sont typiquement considérés : le segment de fil électrique et la spire du courant.
Si l’on considère le dessin ci-dessous où un segment de fil électrique d’une certaine longueur est parcouru par un courant.

Technologies de réalisation des antennes

Une antenne inductive est donc une bobine dont on a ajusté les propriétés afin de correspondre aux besoins d’un système de transfert d’énergie inductif. [30] Pour ce faire, n’importe quel matériau qualifié comme étant un bon conducteur électrique peut être employé mais dans les faits le cuivre va être celui rencontré le plus souvent, principalement pour des raisons de simplicité et de coûts. Ce cuivre peut être utilisé de trois manières différentes : en un seul brin (monobrin), en multibrins torsadés (fil de Litz) ou bien en piste de cuivre sur circuit imprimé [31]. Ces trois configurations différentes sont représentées sur la Figure II.4 ci-dessous :
Figure II.4 Les différentes technologies de réalisation d’antennes inductives : monobrin (à gauche), multibrins-fil de Litz (milieu) et circuit imprimé (droite)
Chaque technologie possédant des avantages et des inconvénients en fonction de l’application et du budget visés, nous allons les détailler ci-après.

Monobrin

Une antenne inductive réalisée en fil plein emploie un conducteur de section circulaire, présentant une certaine longueur et section pleine. C’est de cette manière que sont réalisées la plupart des bobines utilisées en électronique. L’avantage d’un conducteur plein est sa simplicité, sa facilité de réalisation, sa disponibilité et sa faculté à pouvoir supporter un courant relativement important. Le tout dépendant bien entendu de la section de conducteur employée. Mais il présente également des inconvénients importants du fait de l’effet de peau qui empêche une utilisation à des fréquences élevées. L’effet de peau (qui sera détaillé un peu plus loin) est dû à la tendance du courant électrique à se concentrer en périphérie du conducteur au fur et à mesure que la fréquence d’utilisation augmente. Ceci entraine une « non utilisation » de la partie centrale du conducteur, et donc une augmentation de la résistance linéique du conducteur du fait de la faible section de conducteur où circule le courant. De plus, ces bobines sont sensibles aux parasites extérieurs.

Multibrins et fils de Litz

On désigne l’ensemble des câbles constitués de brins élémentaires de cuivre sous le terme de fil de Litz. Chacun de ces brins sont isolés électriquement les uns des autres et ces fils sont généralement utilisés en électronique de puissance, pour réaliser des capteurs inductifs ou bien dans les systèmes de sonorisation [33]. Comme on l’a vu pour les fils de cuivre simples, la résistance linéique et donc l’impédance augmente fortement quand on y fait circuler un courant à haute fréquence. Ceci entrainant donc des pertes de puissance importantes par effet Joules, et donc à des températures élevées pouvant provoquer la détérioration du fil ainsi que du système. Pour remédier à ce problème, on peut utiliser un fil de Litz constitué d’une grande quantité de brins de cuivre ayant chacun un diamètre inférieur à l’épaisseur de peau à la fréquence de travail du système. Étant donné que le courant circulera dans chacun de ces brins, l’impédance diminuera tout comme les pertes de puissance et les hausses de température [34]. On observe également que l’impédance peut être toujours assez élevée si les brins composant le fil de Litz ne sont pas tressés ou toronnés entre eux, ceci étant dû aux effets de proximités d’un courant circulant dans une multitude de brins extrêmement proches les uns des autres [35]. L’effet de proximité se produit lorsqu’un courant circule dans un ou plusieurs conducteurs électriques à proximité les uns des autres. Les différents champs magnétiques émis par chacun de ces conducteurs vont influencer la distribution du courant dans chacun d’entre eux, et provoquer une concentration de celui-ci dans les régions des conducteurs les plus étroites. Ceci entrainant donc une augmentation de la résistance lorsque la fréquence augmente. Une faible résistance à des fréquences élevées permet donc de réaliser des bobines électriques ayant un facteur de qualité élevé, et pouvant donc supporter un courant d’excitation important sans voir leur température s’élever de manière critique. De plus une limitation des pertes énergétiques permet d’optimiser le bilan de puissance, élément clé d’un système de transfert d’énergie inductif comme on le verra par la suite.

Circuit imprimé

Après avoir cité les bobines électriques réalisées de manière classique en fil de cuivre et de manière plus originale en utilisant du fil de Litz, on va voir à présent les bobines réalisées en circuit imprimé [36]. L’impression de circuit électrique est très répandue de nos jours, car elle permet de réaliser des cartes électroniques de manière rapide et efficace après un simple routage des pistes conductrices et du circuit par CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Une plaque d’un matériau diélectrique, généralement une résine de type FR-4 et préalablement recouverte d’une couche de cuivre, est donc usinée afin de dessiner dessus les contours des pistes conductrices et du circuit électronique.
Cette technologie peut tout logiquement être employée pour réaliser une antenne inductive plate, par la gravure et le bobinage des pistes conductrices de manière concentrique. Les principaux avantages d’utiliser cette technologie sont la liberté totale de conception d’antennes, qui peuvent prendre n’importe quelle forme ou dimension et ce avec un processus de fabrication simple. Viennent ensuite la facilité de gravure des circuits imprimés et l’accessibilité des matériaux qui permettent un processus d’industrialisation optimisé, une reproductibilité optimale entre les différentes pièces usinées et donc des coûts et performances maitrisés. On peut également relever la résistance importante de la bobine d’un point de vue mécanique. Ceci ayant pour conséquence une insensibilité totale aux vibrations produites par l’environnement extérieur (on peut citer l’exemple des vibrations moteur pour un système embarqué à l’intérieur d’un véhicule). Le principal inconvénient de ces bobines réalisées en technologie imprimée est la mauvaise dissipation thermique. En effet l’épaisseur des couches de cuivre est très faible, de l’ordre de 35 à 75 µm en fonction du design et des coûts. Cette faible épaisseur va entrainer une résistance linéique importante, et rendre ainsi ces bobines plus sensibles aux pertes par effet Joule et donc aux élévations de température lorsqu’un fort courant y circule. Ces aspects doivent impérativement être pris en compte, en fonction de l’intensité du courant requis selon les spécifications système ainsi qu’à la fréquence d’application.

Propriétés électriques d’une antenne

Nous allons maintenant présenter les composantes d’une antenne inductive réelle, et réalisée en technologie d’impression sur circuit car c’est cette technologie que nous avons retenue pour la suite de ce chapitre. Les avantages de l’emploie d’antenne imprimée de type PCB (de l’anglais Printed Circuit Board) telles qu’une fabrication industrielle à faible cout associée à une bonne reproductibilité entre les différents produits sont très intéressants dans la problématique d’un chargeur inductif intégré dans une véhicule. Les principes généraux énoncés pour des antennes imprimées sur circuit seront valables pour toutes les technologies de réalisation de bobines électriques.
Comme dit précédemment, une antenne inductive dans un système de transfert d’énergie sans fil utilisant le principe de l’induction magnétique peut être représentée par une bobine électrique. A des fréquences basses et inférieures à quelques dizaines de MHz, il est tout à fait acceptable de représenter une bobine directement par un modèle discret comprenant une inductance , une résistance parasite en série ainsi qu’un condensateur en parallèle C [37] [38].
L’impédance d’une antenne inductive idéale et parfaite peut donc être représentée sous sa seule partie imaginaire représentant son inductance, alors que la partie réelle représentera les pertes résistives d’une bobine réelle. L’effet capacitif d’une bobine à une certaine fréquence, dite fréquence de résonance propre, démontre lui l’influence qu’ont les enroulements composant cette bobine les uns sur les autres. En effet, lorsqu’une bobine présentent des enroulements de sections fines et très proches les uns des autres, il se créé des effets capacitifs qui vont entrainer la création d’un circuit équivalent parallèle. A la fréquence de résonance, on aura donc une partie réelle (et donc résistive) très importante. Les différents éléments composant une antenne inductive sont définis et explicités les uns après les autres ci-dessous.

Inductance série

L’inductance propre d’une bobine ne sera que peu affectée par la fréquence d’excitation appliquée à ses bornes, contrairement à sa résistance parasite et condensateur parallèle qui sont eux des variables dépendantes de la fréquence.
Il existe dans la littérature une multitude d’études présentant des formulations plus ou moins complexes sur les calculs d’inductance. Ces équations peuvent être fonction de la forme de la bobine, de la technologie de réalisation, de sa structure, de sa taille ou bien valable dans certaines conditions de calculs. La référence en matière de formulation théorique de l’inductance des bobines est la compilation des différentes études de Frederick Grover, qui a rassemblé ses calculs d’inductances pour différentes bobines [39]. Ces formulations sont fonction de différents coefficients et peuvent prendre en compte l’influence de l’inductance propre de chacun des tours composants la bobine ainsi que l’inductance mutuelle (positive ou négative) qui se créée entre eux, impactant donc l’inductance totale. Mais l’inconvénient est qu’elles peuvent se révéler finalement assez complexes et ne pas être le meilleur moyen pour qualifier une antenne inductive dans notre application de transfert d’énergie. Le site de Microchip diffuse même des notes d’applications pour le dimensionnement d’antennes RFID (à 13.56 MHz) [40].
L’état de l’art montrant différents travaux permettant de prédire les paramètres électriques d’une bobine en fonction de ses paramètres géométriques [41], les formules nous intéressant donc sont celles correspondant à des bobines plates et circulaires.

Méthode de résolutions numériques hybrides

Comme nous l’avons vu précédemment, chaque méthode de résolution numérique est particulière dans sa façon d’aborder et de résoudre les problèmes électromagnétiques [56]. D’un côté, la méthode des éléments finis va proposer une discrétisation complète des structures à étudier en incluant l’espace libre dans lequel elles sont plongées avec un calcul précis des champs électriques et magnétiques. D’un autre côté, la méthode des moments va déterminer les valeurs des champs en tout point de l’espace à partir des calculs des courants induits à la surface des structures. Cette dernière va donc réaliser un maillage et un domaine d’étude sur des éléments électriquement conducteurs uniquement.
On peut donc conclure que la méthode des éléments finis va proposer une bonne modélisation de la distribution des champs électrique et magnétique sur des structures complexes, électriquement conductrices ou non, tandis que la méthode des moments va apporter une précision supplémentaire sur la distribution des courants et donc sur le comportement en impédance de structures conductrices. C’est pourquoi plusieurs sujets d’études ont porté sur l’utilisation de méthodes de résolutions numériques hybrides, en particulier MoM/FEM, qui vont associer les avantages et utilités de chacune des deux méthodes dans la résolution des problèmes électromagnétiques [57].

Maillage et discrétisation de la géométrie des structures

Afin de réaliser des simulations électromagnétiques, il est essentiel d’opérer sur le modèle considéré une discrétisation de sa structure. Il s‘agit donc de diviser sa géométrie en plusieurs éléments simples qui diffèrent suivant la méthode de résolution numérique adoptée. Si on prend l’exemple de la méthode des éléments finis, les structures seront divisées en triangles pour une résolution en deux dimensions et en tétraèdres pour une résolution en trois dimensions. La méthode des moments quant à elle utilise des triangles pour mailler les structures conductrices, ainsi que des segments pour modéliser des fils.
L’étape suivante est maintenant de dimensionner la taille de ces éléments simples. En effet, des éléments simples de petites tailles vont permettre une discrétisation fine de la structure à étudier ce qui sera très utile lorsque ces structures sont par exemples complexes (beaucoup de détails) ou bien présentant des couches de matériaux très proches ayant des propriétés électriques ou magnétiques différentes. Mais le principal inconvénient d’une discrétisation fine est la génération d’une multitude d’éléments de petites tailles, ce qui va de facto impacter le temps de résolution des calculs ainsi que les besoins en termes de ressources calculatoires. On aura donc des simulations qui dureront plus longtemps en monopolisant beaucoup de machines (processeurs et mémoire vive). C’est pourquoi un compromis doit être fait entre précision des résultats de calcul, temps de simulation et besoins en termes de ressources.
Des exemples sont montrés sur la Figure II.13 ci-dessous où l’on voit des extraits de structures représentant un corps humain. On voit bien que l’opération de maillage des structures peut être critique pour les représentations complexes et de tailles importantes. Quand on compare le modèle du corps tel que construit par rapport à sa discrétisation réalisée avec un maillage faible, on observe une déformation du modèle de calcul importante ce qui peut nuire à la précision des résultats. Ces exemples illustrent bien la nécessité d’avoir une discrétisation des structures réalisée à partir d’un maillage optimal en fonction de la complexité de ces dernières ainsi que des besoins en termes de précisions de résultats, temps de simulations et ressources calculatoires. Un maillage est également fonction de la longueur d’onde de l’onde électromagnétique dans la région de propagation.
Les logiciels de simulations électromagnétiques modernes proposent de plus en plus des options de maillage automatique ou semi-automatique, avec des tailles et densités d’éléments simples adaptées à la complexité des structures étudiées. Mais ces maillages doivent être fréquemment ajustés, surtout si le modèle contient une grande diversité des structures en termes de dimensions.
Figure II.13 Une structure type (gauche) peut être discrétisée de manière précise (milieu) ou plus approximative (droite)
Dans notre cas, il est important de modéliser finement les densités de courant dans les éléments conducteurs car on traite des antennes inductives dans un environnement automobile qui peut également voir des courants induits en son sein. Mais il faut également prendre en compte précisément les impacts des différents matériaux diélectriques et magnétiques que peut rencontrer un système de transfert d’énergie inductif et qui peuvent avoir une forte influence sur son comportement sans pour autant voir de courants induits en leur sein. La modélisation des champs électriques et magnétiques aux abords de ces structures est donc essentielle.

Choix des méthodes de résolutions numériques appliquées au système de transfert d’énergie inductif

Avant de réaliser les modèles de simulation, il est nécessaire de réfléchir à une méthode de résolution numérique optimisée par rapport au problème. Le but de ces simulations est de caractériser des modèles d’antennes inductives d’un point de vue électrique (inductance, résistance série, résonance propre) et électromagnétique (champs électrique et magnétique rayonnés en tout point de l’espace). Pour ce faire, nous avons employé le logiciel de simulation électromagnétique FEKO développé par la société EMSS et maintenant détenu par la société Altair. Ce logiciel a comme base de résolution numérique la méthode des moments (MoM). Mais les autres méthodes de résolutions classiquement utilisées en électromagnétisme et précédemment citées peuvent être choisies si nécessaire. Il utilise plusieurs techniques d’approximation et d’accélération algorithmique des calculs permettant de pouvoir réaliser des simulations électromagnétiques dans divers domaines. L’un des autres avantages est aussi la possibilité de faire du calcul parallélisé, autrement dit de soumettre les calculs de simulations sur plusieurs processeurs simultanément (serveur ou cluster dédié) afin d’optimiser les résultats et le temps de simulation.
La méthode des moments est particulièrement adaptée dans notre cas d’étude d’antennes inductives car à partir des calculs des courants surfaciques, il est aisé de remonter aux paramètres électriques et magnétiques de ces dernières. Le fait de ne pas avoir à imposer des conditions de limite du domaine d’études, et donc une discrétisation de l’espace libre entourant les antennes inductives, permet de limiter la densité du maillage nécessaire à une bonne précision des résultats. Ceci ayant donc une conséquence directe sur les temps de calculs et les besoins en ressources calculatoires.
Pour pallier au fait que la méthode des moments ne permet de modéliser que des surfaces et éléments conducteurs, FEKO propose également des solutions telles qu’une hybridation des méthodes de résolutions MoM/FEM mais également des extensions dans la formulation de la méthode des moments afin de simuler des éléments magnétiques et diélectriques. Ceci est donc utile si l’on veut par exemple pouvoir modéliser une pièce de ferrite (matériau magnétique) ou bien la résine d’un circuit imprimé (matériau diélectrique) tout en bénéficiant des avantages de la méthode des moments [58]. Pour cela deux extensions de la méthode des moments existent:
• Principe d’équivalence des surfaces (SEP, de l’anglais Surface Equivalence Principle) : elle introduit des courants électriques et magnétiques équivalents sur la surface de corps diélectriques, avec un maillage utilisant des triangles
• Principe d’équivalence des volumes (VEP, de l’anglais Volume Equivalence Principle) : elle permet la création de corps diélectriques à partir de tétraèdres, et présente généralement une formulation stable à basses fréquences.
Après avoir considéré les deux méthodes de résolution numérique proposées par FEKO, la méthode des moments associée au principe d’équivalence des volumes est la méthode qui nous a semblé la plus polyvalente et la plus efficace en terme de temps de calculs et besoin en ressources calculatoires. Pour les besoins de notre étude, il est nécessaire de connaitre à la fois les paramètres électriques et magnétiques d’une antenne inductive ainsi que l’impact de matériaux diélectriques ou magnétiques situés à proximité. La discrétisation des structures non conductrices en tétraèdres nous permettra de les considérer en tant que volume entier et non en tant que simple surface.

Validation des modèles de simulation à travers la mesure

La modélisation ainsi que les simulations électromagnétiques sont des étapes essentielles pour mener à bien notre étude sur les antennes inductives. Mais avant de mener une campagne d’étude et d’optimisation sur des antennes inductives, il est nécessaire de s’assurer que les modèles avec lesquels on va travailler donnent des résultats fidèles à la réalité. Un moyen efficace pour s’en assurer est de mettre en place des modèles types par rapport à des prototypes physiques et de comparer les résultats de simulations électromagnétiques avec ceux obtenus par voie expérimentale. Cette étape est cruciale dans le sens où c’est la bonne corrélation entre ces résultats qui va déterminer la viabilité des modèles.
Le but de cette étude est d’extraire les paramètres électriques (inductance, résistance série) et électromagnétiques (champ électrique, magnétique) des antennes inductives et ceci à des fréquences différentes. Sans oublier bien entendu d’évaluer le comportement fréquentiel des antennes inductives, en particulier la fréquence de résonance propre qui limitera leur limite d’utilisation fréquentielle.

Méthodologie de modélisation

Pour ce faire, nous considérons des modèles d’antennes de type imprimé (sur PCB) car plus faciles d’emploi. Un premier modèle comportant une antenne circulaire seule a été développé ainsi qu’un deuxième modèle où nous ajoutons à cette antenne une pièce de ferrite juste en dessous. De par ces modèles, nous pourrons ainsi déterminer les paramètres électriques et magnétiques de l’antenne ainsi que l’influence de la ferrite. À noter que ces modèles seront réalisés avec et sans la présence de la résine (diélectrique FR4) servant de support aux pistes de cuivre. Le but est de vérifier l’impact que peut avoir la présence d’un diélectrique sur le comportement des antennes inductives et valider l’approximation comme quoi son influence est négligeable aux fréquences couramment employées dans les systèmes de transfert d’énergie inductifs. Si sa présence s’avérait négligeable, sa modélisation pourrait être superflue ; ce qui permettrait de l’enlever et ainsi réduire fortement les temps de calculs ainsi que les besoins en ressources calculatoires.

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Table des matières

 I. Les systèmes de transmission d’énergie sans fil
I.1 État de l’art.
I.2Historique
I.3 Les technologies du transfert d’énergie sans fil
I.3.1 Technique de transmission d’énergie en champ lointain 
I.3.2 Technique de transmission d’énergie en champ proche
I.3.2.1 Le chargement capacitif 
I.3.2.2 Le chargement inductif 
I.3.2.3 Le chargement par résonance magnétique 
I.4 Architecture classique d’un système de transfert d’énergie sans fil 
I.5 Les applications du transfert d’énergie sans fil
I.5.1 L’électronique grand public 
I.5.2 Les appareils électroniques médicaux.
I.5.3 Les véhicules électriques
I.5.4 Les systèmes de radio-identification
II. Études des antennes inductives pour les systèmes de transfert d’énergie sans fil
II.1 Introduction aux antennes inductives 
II.1.1 Généralités 
II.1.1.1 Théorie du champ magnétique et notion d’inductance
II.1.1.2 Technologies de réalisation des antennes
II.1.1.3 Propriétés électriques d’une antenne 
II.1.1.4 Les matériaux ferromagnétiques
II.1.2 Méthodes de modélisation électromagnétique
II.1.2.1Principes de la modélisation électromagnétique
II.1.2.2 Méthodes de résolutions numériques
II.1.2.3 Validation des modèles de simulation à travers la mesure 
II.2 Dimensionnement des antennes inductives et études paramétriques
II.2.1 Études paramétriques..
II.2.1.1 Présentation des modèles de simulation
II.2.1.2 Présentation des résultats de simulation 
II.2.1.3Analyses et commentaires des résultats de l’étude paramétriques 
II.2.1.4 Conclusions
II.2.2 Influence des paramètres de ferrite sur le comportement d’une antenne inductive
II.2.2.1 Présentations des résultats de simulations
II.2.2.2 Analyses et commentaires des résultats de l’étude paramétriques 
II.2.2.3 Conclusion
III. Étude du couplage magnétique et des systèmes de transmission d’énergie inductifS
III.1 Étude du transfert d’énergie inductif antenne antenne
III.1.1 Étude du couplage magnétique inductif 
III.1.1.1 Généralités
III.1.1.2 Caractérisation et modélisation électromagnétique du couplage inductif 
III.1.1.3. Analyse paramétrique du couplage magnétique inductif
III.1.1.3 Analyse de l’impact de la ferrite sur le couplage magnétique inductif 
III.1.2 Efficacité de liaison antenne à antenne
III.1.2.1 Généralités
III.1.2.2 Étude de l’efficacité de liaison sur trois topologies d’antennes 
III.2 Étude du transfert d’énergie inductif
III.2.1 Études d’un système de couplage par induction
III.2.1.1 Notions d’efficacité énergétique et bilan de puissances
III.2.1.2 Notions d’impédance réfléchie
III.2.1.3 Modélisation circuit et méthode de mesure
III.2.1.4 Validation de la méthode de simulation à travers la mesure d’un système couplé
III.2.2 Études d’un système de transfert d’énergie inductif complet
III.2.2.1 Généralités
III.2.2.2 Transfert d’énergie suivant les différents standards de chargement inductif
III.2.2.3 Les différentes classes d’amplificateurs de puissance
III.2.2.4 Les amplificateurs employés dans un système de transfert d’énergie inductif
III.2.2.5 Amplificateurs de puissance classe D compatible WPC 
III.2.2.6 Exemples d’études et de modélisations dans un but d’optimisation
III.3 Conclusions sur le transfert d’énergie inductif
IV. Le transfert d’énergie inductif et son influence sur l’environnement extérieur
IV.1 Le transfert d’énergie inductif et le corps humain 
IV.1.1 Généralités
IV.1.2 Les normes de régulations d’exposition aux champs électromagnétiques pour la sécurité des
personnes

IV.1.2.1 La norme ICNIRP 
IV.1.2.2 La norme IEEE
IV.1.3 Etudes de l’exposition électromagnétique de tissus humains aux champs générés par un
système de transfert d’énergie inductif

IV.1.3.1 Modélisation électromagnétique d’un corps humain 
IV.1.3.2 Etude de l’exposition d’un corps humain au champ électromagnétique généré par un
système couplé

IV.2 Le transfert d’énergie inductif et les autres systèmes
IV.2.1 Optimisation de la structure d’une solution multi-systèmes sur la distribution de champ NFC
IV.2.2 Optimisation du rayonnement en sortie d’une solution multi-systèmes 
IV.3 L’influence du transfert d’énergie inductif sur les Objets Métalliques Étrangers (OMEs)
IV.3.1 Impact d’un champ magnétique sur des OMEs
IV.3.1.1 Évolution de la température d’objets métalliques standardisés
IV.3.1.2 Bilan de puissance avec un objet étranger en aluminium à proximité
IV.3.2 Solutions de détection d’OMEs
Conclusion

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