Modeling of wireless power transfer system by inductive coupling for electronic systems in automotive environment
Etude et modélisation d’un système de transmission d’énergie et de données par couplage inductif pour des systèmes électroniques dans l’environnement automobile
Résumé
Nowadays there is a strong demand of systems allowing to transfer energy in a wirelessly way to small electronic devices. So we can well understand the interest of such systems in embedded environments such as vehicle cockpit. The principle of magnetic induction comes from a magnetic flux exchange between two inductive antennas. The magnetic field will be used to transport an electrical power from an emitter to a receiver. These systems using the magnetic induction to transfer energy contain an emitter, inductive antennas (coils) and a receiver. A first chapter will be dedicated to the antennas employed in inductive wireless power transfer systems on theoretical and technological points of views. An electromagnetic modeling of these inductive antennas will be realized and validated through correlation with measurements. Once the modeling process defined and the validations done, it will be used through intensive electromagnetic simulations in order to show the impact of antennas parameters on their electrical and electromagnetic performances. After the inductive antennas characterization and their key parameters identification done, we will study in a second time the magnetic induction effects when emission and reception antennas are placed together in order to realize an inductive power transfer. Notions of magnetic coupling which appears between inductive antennas and magnetic efficiency which characterizes how much quantities of power are transferred will be highlighted. In the same conditions as before, the impact of antennas parameters on the power transfer and magnetic coupling will be investigated through electromagnetic modeling of inductive antennas and the use of intensive electromagnetic simulations. Thus, we will have the opportunity to precisely understand the meaning of the inductive power transfer and the different ways of optimizations. By this way, we will also propose some general design guidelines for antennas employed in inductive wireless power transfer systems. A third chapter will be dedicated to the presentation of the different electronic stages used in inductive wireless power transfer systems. A part of it will be employed on the definitions of the different elements allowing the wireless power transfer on a system approach. The design, optimization and measurement of power amplifiers used on the emission stage will be presented too.. Indeed, it is necessary to have efficient power amplification in order to transfer the required power to different receivers such as phones at the same time to limit the power losses. From circuit modeling of different emitter and receiver and with circuit simulations, we will develop power budgets in order to evaluate the performances and limits of these systems. Once the simulation validated by measurement, we will be able to quantify the total power transfer efficiency and propose optimization ways. Because of the current existence of different inductive wireless power standards on the industrial market for electronic consumer, analogies with them will be done all along the different steps of this thesis in order to highlighted their different functioning principles.
Actuellement, les systèmes permettant de transférer de l’énergie dans le but de recharger les accumulateurs d’appareils électroniques sans l’emploi de câble se démocratisent davantage chaque jour. On comprend donc bien l’intérêt de tels systèmes dans des environnements embarqués et confinés tels que l’habitacle d’un véhicule. Le principe de l’induction magnétique réside dans un transfert de flux magnétique entre deux antennes inductives. Le champ magnétique servira de vecteur au transport d’une puissance électrique, puisque c’est au travers de cette création de flux magnétique que sera échangée ou transférée la puissance d’un émetteur vers un récepteur. Un tel système d’émission-réception de puissance utilisant le principe d’induction magnétique contient un émetteur, des antennes (bobines) inductives couplées et un récepteur. Un premier chapitre sera donc consacré à l’étude des antennes d’un point de vue théorique et technologique. Des modèles électromagnétiques d’antennes inductives seront développés, et après validation par corrélation avec des mesures électriques et électromagnétiques, ils seront employés au travers d’intenses simulations électromagnétiques. Ceci afin de montrer l’impact des paramètres définissant ces antennes inductives sur leurs comportements électrique et électromagnétique. Une fois les antennes inductives optimisées et leurs paramètres clés identifiés, on étudiera dans un deuxième temps les effets de l’induction magnétique lorsque qu’une antenne d’émission et une autre de réception sont présentées ensembles et mises en condition de transfert d’énergie. On mettra donc en évidence le principe de couplage magnétique entre les antennes ainsi que la notion de rendement de puissance appelé aussi efficacité de liaison. Les différents paramètres des antennes seront là aussi caractérisés afin d‘étudier leur influence sur le transfert d’énergie inductif. Le tout illustré de la même manière que précédemment, en s’appuyant sur d’intenses simulations électromagnétiques et des modèles validés par rapport à différentes méthodes de mesure. Ceci dans le but de comprendre les mécanismes de fonctionnement et d’optimisation d’un système de transfert d’énergie par induction magnétique ainsi que de proposer des règles générales de conception d’antennes inductives. Dans un troisième temps, on présentera les différents étages électroniques composant les systèmes de transfert d’énergie inductif. Une partie sera dédiée à la définition du point de vue système des éléments constituant la chaine complète d’émission et de réception. La conception, l’optimisation et la mesure des amplificateurs de puissance utilisés au niveau de l’émetteur seront également présentés. En effet, ces systèmes doivent être suffisamment performants afin de transférer des puissances capables d’alimenter des appareils électroniques de type téléphones tout en ayant un bilan de puissance efficace avec des pertes limitées. A partir de modèles de circuits émetteur et récepteur et en s’appuyant sur des simulations circuits, nous estimerons les bilans de puissances afin d’évaluer les performances et les limites des différents systèmes. Ces simulations une fois validées par mesures permettront de quantifier l’efficacité du transfert de puissance et proposer des voies d’optimisation. Ces systèmes et technologies sont de plus en plus utilisés pour l’électronique grand public et il existe actuellement plusieurs standards régissant le transfert d’énergie inductif. Les différentes études présentées dans cette thèse seront donc orientées vers ces différentes normes, et des analogies seront réalisées tout le long du mémoire afin de mettre en exergue leurs différents principes de fonctionnement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)