Étude de la transmission d'énergie sans fil (WPT) basée sur la résonance couplée magnétique

Depuis la fin du 20e siècle, les appareils électroniques portables (ordinateurs, téléphones cellulaires, tablettes, implants, …), sont de plus en plus présents dans notre vie quotidienne. Mais ces appareils électronique, bien que populaires sont fortement tributaires de la courte durée de leur alimentation (piles ou batteries). Pour l'utilisateur, la commodité de l'électronique portable est peu à peu compromise par la nécessité de recharger les batteries de plus en plus fréquemment au cours des mois, à mesure que la capacité de la batterie diminue. En ce qui concerne les appareils qui ne peuvent pas être branchés sur un chargeur comme les implants biomédicaux, le problème devient encore plus délicat à cause de l'opération chirurgicale nécessaire pour le remplacement de la pile. Après des recherches de plusieurs années, la transmission d'énergie sans fil (WPT pour Wireless Power Transmission) basée sur la résonance magnétique couplée est en train de devenir assez mature pour enfin apporter une solution aux problèmes énergétiques de nos appareils mobiles. Cependant, beaucoup d'avancements restent à faire dans le domaine des dispositifs médicaux implantables où le transfert d'énergie est fortement limité par la taille du récepteur ainsi que par les pertes du tissu humain dispersif. Parce que la gamme du bas GHz est reconnue comme la fréquence de transfert optimale à travers ces tissus, une alternative au résonateur à bobine doit être étudiée et développée. Dans ce document, une solution originale de transmetteur est présentée. Elle tient compte du besoin d'avoir un fort champ magnétique en zone de champ proche et d'un faible champ rayonné en zone de champ lointain, choses ordinairement difficile à combiner à ces fréquences.

Abstract

Since the late 20th century, highly portable and mobile electronic devices such as laptops, cell phones, robots, tablets and implants, have emerged and have been playing an increasingly important role in our daily life. However, such electronic apparatus and popular gadgets are highly dependent on power supply that is enabled by various types of battery. The convenience of portable electronics has been increasingly compromised by the necessity to “refill” battery more and more frequently. As for the devices that cannot be plugged into a charger, such as biomedical implants, the problem becomes even worse because of the required surgery only for the power supply or battery replacement. After several years of investigations and developments, wireless power transmission (WPT) systems based on magnetically coupled resonance are matured enough to become a predominating technology poised to solve the energy problem of mobile devices. In the field of implantable medical devices, however, the energy transfer operation is highly limited by the size of receiver and also the loss properties of dispersive human tissue. Since the low GHz range has been considered as the optimal transfer frequency, an alternative to the lossy coil resonator should be studied and developed. In this thesis work, an original transmitter solution is presented that considers the needs for strong magnetic dominant near-field and weak far field radiation even at low GHz frequency. Chapter 2 of this thesis introduces a half-closed partially ceramic-filled cavity resonator along with an accurate but analytical model. Design parameters are also studied using a full-wave simulation software package and measurement results of a resonator-to-resonator transfer scheme. They show a good agreement with simulation results. An efficiency above 65% can be obtained within the distance comparable to the diameter of the resonator (60.5mm) in this case study. Subsequently, energy transmission between the proposed cavity resonator and a small-sized copper coil of 3mm of diameter is investigated. Measurement results show that the efficiency is above 34% within 20mm and above 8.2% within 40mm, which is much higher than the conventional coil-to-coil transmission scheme.