Transmetteur d'énergie sans fil à haute puissance pour la recharge d'appareils électroniques

La majorité des appareils utilisés dans notre quotidien fonctionnent avec une batterie qu'il faut recharger, sans quoi ils doivent être branchés au mur. Depuis peu, nous sommes en mesure d'utiliser ces appareils sans devoir les recharger avec un fil, mais en les posant simplement sur une surface qui transmet de l'énergie par le biais d'un champ magnétique ce qui permettrait d'augmenter leur mobilité. Les systèmes de transfert d'énergie sans fil font de plus en plus leur entrée sur le marché. Cependant, la majorité des systèmes existants ont plusieurs limitations. Ils transmettent de faibles puissances sur de très courtes distances, et ce, à un seul appareil à la fois, qui doit être positionné d'une façon spécifique. De plus ces chargeurs sont souvent à un prix trop élevé par rapport aux chargeurs avec fil, qui sont, pour l'instant, bien plus efficaces. En utilisant des circuits résonants et une fréquence plus élevée, par exemple, de 6,78 MHz, il est possible d'améliorer tous ces aspects afin de réaliser des produits plus performants et attrayants pour les utilisateurs. C'est l'un des buts de la compagnie avec laquelle le projet de maîtrise est réalisé. L'objectif principal de ce projet est de développer un programme de simulation permettant d'optimiser la forme de bobines dans un système de transfert d'énergie sans fil fonctionnant sur une grande surface et avec une puissance de plus de 30 W. La recherche est axée plus particulièrement sur la topologie et les composantes du circuit résonant, ainsi que sur la forme de la bobine. Le code de simulation créé permet à l'entreprise de simuler des bobines et d'avoir une idée assez précise de leurs caractéristiques, et cela, sans devoir les fabriquer ou utiliser un logiciel d'éléments finis, qui est trop coûteux en temps pour être commode d'utilisation. Ainsi, les bobines qui seront utilisées pour les produits sont celles qui offrent de meilleures performances selon les calculs effectués par le code. Afin de réaliser l'objectif du projet, on utilise le logiciel de programmation Python. Le code de simulation développé permet de créer des bobines et de les caractériser, c'est-à-dire de calculer leurs inductances propres et mutuelles ainsi que leurs résistances. Le calcul d'inductances est fait avec une version numérique de la formule de Neumann. On peut ensuite en déduire la valeur des condensateurs à utiliser pour syntoniser le circuit résonant ainsi que le facteur de qualité des bobines. Les valeurs des caractéristiques sont ensuite utilisées dans un simulateur de circuits qui calcule la tension en tout point du circuit et le courant traversant chaque composante. Ainsi, on peut déterminer la puissance et l'efficacité du transfert d'énergie.

Abstract

Most of the devices used daily are battery powered and need to be charged with an electric wire. These wires greatly limit the mobility of our devices. It is now possible to use our device without connect them to any wire and only by being close to a wireless charger transmitting energy with a magnetic field. Currently, the wireless power transfer system on the market can charge only one device at a time at low power, at a distance of less than a few centimetres and the device needs to be well positioned. The price of those chargers is also too high to be competitive in comparison to regular chargers with wire, which are also more efficient than the wireless ones. It is a necessity to improve the transmission power, the distance of charge and the number of devices that can be charged simultaneously while respecting the magnetic and electrical field restrictions for the human body. To achieve that, we can use a resonant circuit at higher frequency (e.g. 6,78 MHz). This is the main goal of SINAP Interaction Inc., the company with which this master of research project is realized. The main objective of the project is to create a simulation code that optimizes the shape of the transmitter and receptors, to have an uniform charging surface transmitting more than 30 watts. The research is done mostly on the system's topologies, the choice of components and the shape of the coils. With the simulation code, the company can propose coils and characterize them without the need of creating them physically or using the Finite Element Method (FEM), two ways which are time consuming. By calculating the coil caracteristics before the conception, it improves the coils and their transfer efficiency. The first step is to create a coil and to develop a method to calculate the self and mutual inductance of coils which can have any shape. To calculate those inductances, a numerical version of the Neumann formula is used. It is also necessary to calculate other characteristics such as the resistance of the coil. Then we can deduct the capacity needed in the resonant circuit. That information is used in another part of the code, the circuit simulator. It allows us to find the voltage and current at all points in the circuit which leads to the value of the power and efficiency transmitted. The circuit simulator can give results as a function of the time or frequency. The code also calculates the magnetic and electric fields in a user-defined volume.