Une percée majeure pour la recharge sans fil des véhicules électriques
Un défi persistant dans l’industrie de la mobilité électrique vient d’être relevé par une équipe de chercheurs chinois, dont les travaux promettent de redéfinir les standards de la recharge sans fil pour les véhicules électriques (VE). Jusqu’à présent, deux obstacles majeurs freinaient l’adoption généralisée de cette technologie : la sensibilité extrême des systèmes existants à la position du véhicule, et l’incapacité à fournir un profil de charge parfaitement adapté aux batteries lithium-ion, qui nécessitent une phase de charge rapide à courant constant suivie d’une phase de finition à tension constante. Une étude révolutionnaire, menée par des ingénieurs de l’Agence d’Alimentation Électrique de Liuzhou de la Guangxi Power Grid Corporation en étroite collaboration avec des chercheurs de l’Université de Chongqing, propose une solution intégrée qui surmonte brillamment ces deux limitations. Leur système, basé sur une combinaison ingénieuse d’une topologie de circuit avancée et d’un design de bobine innovant, démontre une capacité remarquable à maintenir une transmission d’énergie stable, efficace et parfaitement adaptée au cycle de charge de la batterie, même lorsque le véhicule est significativement décalé par rapport au point de charge idéal.
La vision d’une mobilité sans fil, où il suffit de stationner son véhicule au-dessus d’une plaque d’induction pour que la batterie se recharge automatiquement, a longtemps été un graal pour les constructeurs et les utilisateurs. Cette commodité évidente, qui élimine la manipulation de câbles lourds, humides ou usés, est un atout décisif pour l’expérience utilisateur. Elle est, plus encore, une condition sine qua non pour l’essor des véhicules entièrement autonomes, qui devront être capables de se recharger sans aucune intervention humaine. Cependant, la réalité des systèmes de recharge sans fil actuels a souvent été décevante. La plupart des technologies reposent sur un alignement précis entre la bobine émettrice au sol et la bobine réceptrice sous le véhicule. Le moindre écart, inévitable dans un monde où les places de stationnement sont souvent serrées et les conducteurs imparfaits, entraîne une chute drastique de l’efficacité énergétique et de la puissance transmise. Cette fragilité a considérablement freiné la confiance des consommateurs et retardé la déploiement massif d’une infrastructure de recharge sans fil. Parallèlement, la gestion de la charge de la batterie elle-même posait problème. Les batteries modernes exigent un processus de charge en deux étapes. Une première phase, dite « courant constant » (CC), permet une charge rapide et massive. Une fois que la batterie atteint une tension seuil, le processus bascule en phase « tension constante » (CV), où le courant diminue progressivement pour éviter toute surcharge et préserver la durée de vie de la batterie. Créer un système sans fil capable de gérer ces deux modes de manière fluide, stable et efficace était un défi complexe, souvent résolu par des solutions coûteuses ou peu fiables impliquant des commutations de circuit mécaniques ou des modulations de fréquence complexes.
C’est précisément ce double défi que l’équipe dirigée par Hongchen Lu, Jinxi Dong, Xiliu Liu et Guanlin Chen de l’Agence d’Alimentation Électrique de Liuzhou, avec la contribution de Jinghai Zhang de la Faculté d’Automatisation de l’Université de Chongqing, a entrepris de résoudre. Leur approche ne repose pas sur un simple correctif, mais sur une réinvention fondamentale de deux composants clés du système : le circuit de contrôle et la structure de la bobine de couplage magnétique.
Le premier pilier de leur innovation réside dans l’exploitation optimale de la topologie de compensation LCC bilatérale. Bien que connue dans le domaine de la transmission d’énergie sans fil, cette configuration de circuit n’avait pas été pleinement exploitée pour répondre simultanément aux exigences de charge CC/CV. Les chercheurs ont mené une analyse approfondie des conditions physiques nécessaires pour que ce circuit délivre une sortie indépendante de la charge, qu’elle soit en courant constant ou en tension constante, tout en opérant à un angle de phase nul (ZPA) pour une efficacité maximale. Leur découverte clé est que le système peut fonctionner à deux fréquences distinctes, chacune correspondant à un mode de charge spécifique. À une fréquence de base de 100 kHz, le circuit est paramétré pour fournir un courant de sortie parfaitement stable, indépendant de la résistance variable de la batterie en charge, réalisant ainsi une phase CC idéale. Lorsque la tension de la batterie atteint le seuil de transition, un contrôleur intelligent détecte ce changement et bascule instantanément la fréquence de fonctionnement du système à 107,3 kHz. À cette fréquence, le circuit entre en mode tension constante, maintenant une tension de sortie stable pour une charge finale en toute sécurité. Ce « saut de fréquence » est le cœur du système de contrôle. Il est élégant car il élimine la nécessité de relais mécaniques ou de réseaux de commutation complexes, réduisant ainsi les coûts, les points de défaillance potentiels et les pertes d’énergie. La performance est encore amplifiée par le fait que, dans les deux modes de fonctionnement, le système atteint un angle de phase nul. Cela signifie que la tension et le courant d’entrée sont parfaitement synchronisés, ce qui minimise la puissance réactive et maximise l’efficacité de la conversion d’énergie. Un système fonctionnant en ZPA présente une charge purement résistive au réseau électrique, ce qui est optimal pour la performance du chargeur et pour la stabilité du réseau local.
Le deuxième pilier, et peut-être le plus révolutionnaire, est le design physique de la bobine émettrice. Pour s’attaquer au problème critique de la désalignement, les chercheurs ont abandonné le design traditionnel de bobine carrée ou circulaire. À la place, ils ont conçu une « bobine plane coaxiale bidirectionnelle ». Cette structure unique se compose de deux bobines concentriques sur le côté primaire (le sol). Une bobine externe est enroulée dans un sens, et une bobine interne plus petite est enroulée dans le sens opposé, les deux étant connectées en série. Ce design, qui peut sembler contre-intuitif, est la clé de son exceptionnelle robustesse face aux décalages.
La physique derrière cette innovation est à la fois simple et profonde. La bobine externe génère le champ magnétique principal qui transfère l’énergie au véhicule. La bobine interne, en étant enroulée dans le sens inverse, génère un champ qui s’oppose partiellement à celui de la bobine externe. Lorsque le véhicule se déplace latéralement, le coefficient de couplage magnétique entre l’émetteur et le récepteur diminue. Dans une bobine conventionnelle, cette diminution est asymétrique et provoque une perte importante de puissance. Dans la bobine coaxiale bidirectionnelle, la réduction du couplage affecte les deux bobines (externe et interne) de manière quasi identique. Comme elles sont connectées en série et en opposition de phase, la différence entre leurs contributions au couplage total reste constante. En d’autres termes, le système devient « insensible » aux variations symétriques du couplage, permettant à la puissance transmise de rester stable même avec des décalages latéraux allant jusqu’à 200 millimètres. Cette marge de tolérance dépasse largement les erreurs de stationnement typiques, rendant le système extrêmement convivial pour l’utilisateur final.
Le processus de conception a été rigoureux et fondé sur une modélisation électromagnétique avancée. L’équipe a systématiquement optimisé non seulement les paramètres du circuit, mais aussi la géométrie de la bobine. Ils ont identifié que le rapport entre la distance verticale entre les bobines (la hauteur de charge) et la taille de la bobine émettrice est un facteur critique. Un rapport de 0,25 produit un champ magnétique plus uniforme sur la surface de la bobine réceptrice, ce qui est bénéfique pour la stabilité. Ils ont également étudié l’effet du rapport du nombre de spires entre les bobines externe et interne. Un rapport plus élevé augmente le couplage maximal mais rend le système plus sensible au désalignement. Un rapport plus faible améliore la robustesse mais réduit la puissance de pointe. Le design final, avec 12 spires pour la bobine externe et 8 pour la bobine interne, représente un compromis optimal entre puissance et tolérance aux erreurs. Le pas d’enroulement, ou la distance entre les spires, s’est avéré avoir un impact négligeable sur la tolérance au désalignement, permettant ainsi un enroulement serré pour maximiser la densité de puissance.
Pour valider leurs théories, les chercheurs ont construit un prototype grandeur nature. Les bobines primaire et secondaire ont été fabriquées avec un câble Litz de 5 mm, un matériau spécialement conçu pour minimiser les pertes à haute fréquence. La bobine secondaire (sur le véhicule) comptait 15 spires. Pour des tests réalistes, ils n’ont pas utilisé une charge idéale, mais un simulateur basé sur un pack de batterie réel d’un véhicule électrique Hikvision Q7-1000E, ce qui confère à l’étude une grande pertinence pratique.
Les résultats expérimentaux sont impressionnants. Lorsque les bobines étaient parfaitement alignées, le système a atteint une efficacité de 87,4 % en délivrant 1 643 watts de puissance. Le résultat le plus frappant concerne son comportement en cas de désalignement. Lorsque la bobine secondaire a été déplacée latéralement jusqu’à 200 mm, l’efficacité est restée remarquablement stable autour de 86 %, et la puissance de sortie a fluctué légèrement autour de 1,6 kW. Cette stabilité est un progrès significatif. Pour comparaison, un design de bobine carrée conventionnel, testé dans les mêmes conditions, a vu son efficacité chuter de 86,5 % à 82,2 %, et sa puissance de sortie diminuer de manière drastique, passant de 1,63 kW à 1,24 kW. Cette comparaison directe met en lumière la supériorité manifeste du nouveau design.
Le système a également démontré avec succès ses capacités de charge CC/CV. En mode CC, il a maintenu un courant de sortie d’environ 18,1 A malgré des changements de charge, et lorsque les bobines étaient désalignées au maximum, le courant n’a changé que d’environ 2 %. En mode CV, la tension de sortie est restée à moins de 0,5 V de sa valeur cible, une fluctuation d’environ 1 %, ce qui est essentiel pour la santé et la longévité des batteries lithium-ion.
Cette percée a des implications profondes pour l’avenir de la mobilité électrique. Elle rend la recharge sans fil non seulement plus pratique pour les conducteurs, mais ouvre également la voie à de nouvelles applications industrielles. Les flottes de bus électriques ou de véhicules de livraison pourraient se garer dans leurs dépôts chaque nuit et se recharger automatiquement sans intervention humaine. Dans les environnements urbains, cette technologie pourrait être intégrée dans les places de stationnement ou même dans des tronçons de route pour une recharge dynamique, permettant aux véhicules de se recharger pendant qu’ils roulent.
La collaboration entre un fournisseur d’énergie majeur, Guangxi Power Grid, et une université de premier plan, l’Université de Chongqing, est un modèle exemplaire de recherche appliquée. La publication de ces résultats dans le Journal of Chongqing University, Vol. 47, No. 8, août 2024, sous le titre « Research on constant current/constant voltage output of electric vehicle wireless charging system and anti-offset magnetic energy coupling mechanism », avec le DOI 10.11835/j.issn.1000.582X.2024.08.007, garantit que ce travail de pointe soit accessible à la communauté scientifique et d’ingénierie mondiale. Les auteurs sont Hongchen Lu, Jinxi Dong, Xiliu Liu, Guanlin Chen de l’Agence d’Alimentation Électrique de Liuzhou de Guangxi Power Grid Co., Ltd., et Jinghai Zhang de la Faculté d’Automatisation, Université de Chongqing.