Rendement chargeur à induction

[invite61e10673]

Bonjour à tous,

Nous sommes étudiants en prépa en PSI et nous faisons notre TIPE sur le chargement par induction, appliqué aux voitures électriques. Après avoir lu plusieurs de vos commentaires (datant de quelques années) sur le sujet, nous voudrions vous poser quelques questions.
Tout d'abord nous souhaitons connaître le rendement entre le circuit primaire et secondaire. Nous avons calculé environ 3mW pour le primaire avec Ubob = 6V et un courant provenant de l'ampli. Cependant nous n'avons que 0.15mW en secondaire, soit un rendement de 4%.... Pourriez vous nous expliquer si nous nous sommes trompé et si non comment améliorer ce rendement pour avoir quelque chose de "convenable".
Merci d'avance, Bonne journée
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[invite03481543]

Bonjour et bienvenue sur le forum,

il faudrait en dire plus sur votre manipulation et sur votre schéma, il doit y avoir un gros problème.

Pour la recharge en quasi contact (quelques mm) le rendement est directement proportionnel à la qualité du couplage, en principe le rendement est très bon de l'ordre de 80%~90% (en sinus) et 60% en carré.

En champ éloigné, donc à très hautes fréquences, le couplage est plus délicat et le rendement dépend fortement du milieu et de la qualité des antennes, le rendement se situe plutôt autour de 40%.

[invite61e10673]

Bonsoir,

Merci de me répondre!
Je vous envoie ci joint un schéma de notre montage. Nous avons multiplié la tension Ul de la bobine par Ur/i, via une plateforme nao et un logiciel Latispro. Le transformateur nous permet de prendre 2 masses différentes pour le primaire. Il y a en entrée une tension e de l'ordre de fréquence 1000Hz, 6V, un courant de 0,15A (il me semble) provenant de l'ALI. Le matériel est celui d'un lycée. Un prof nous avait dit qu'il pensait qu'on atteindrait un rendement de 30% bobines collées.
Bonne soirée.

[invite03481543]

Désolé mais je ne comprends ni ce que vous me dites, ni où vous voulez en venir.
Vous voulez faire quoi au juste??
Ce schéma ne veut rien dire pour moi.

A quoi sert cet amplificateur non-inverseur dont la tension de sortie sera plus petite en sortie qu'à l'entrée?
Et qu'espérez-vous faire avec 1kHz et un courant de 0.15A?
C'est quoi cette représentation à 2 cercles mi générateur de courant à 4 pattes et mi transformateur avec une bobine sur le dos?

J'ai cru comprendre que c'était pour une voiture électrique....
Si vous mettez en plus 4 jours à répondre on est pas arrivé.

Tout ça est très confus, revenez avec des billes et une explication qui se tienne un peu mieux que ça.
Vous devez apprendre à présenter un travail, à l'argumenter, à le définir correctement.
En PSI on devrait vous apprendre ça normalement

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite61e10673]

J'utilise les notations vu en cours. Étant donné le manque naturel de moyen technique nous avons due faire une modélisation réduite du chargeur avec des bobines et alimentation du lycée.

Notre but est de calculer un rendement de puissance entre les 2 circuits. Nous avons donc utiliser la formule P=u*i avec u=ubobine et i=ur/R. Il y a cependant un problème de masse dans le primaire pour parvenir à enregistrer Ubob et Ur. Cest la qu'intervient le transformateur permettant d'isoler la partie "bobine" du reste du circuit
La représentation a 2 cercles represente ce transformateur (d'après notre prof).

Ne sachant pas exactement la fréquence nécessaire, nous prévoyons de faire des mesures sur une large gamme de fréquence.
L'ampli non inverseur a pour but de garder un courant "intacte" avec une tension de sortie plus grande que celle d'entrée (*R1/R2).

Le circuit n'est pas fini, celui ci n'est qu'une ébauche. Nous envisageons de rajouter d'autres composants pour coupler (en fréquence) le signal et un pont de Graetz pour avoir en secondaire une tension continue utilisable par cette hypothétique voiture.
Bonne soirée.

[Montd'est]

Nous avons calculé environ 3mW pour le primaire avec Ubob = 6V et un courant provenant de l'ampli. Cependant nous n'avons que 0.15mW en secondaire, soit un rendement de 4%.

Comment être sûr de résultats sur des puissances d'un ordre de grandeur aussi faible ?

C'est une mesure physique sur un proto ?

[invite61e10673]

Bonjour Montd'est,

En effet nous arrivons aux limites du capteur avec 0,15mW. Cependant, cette valeur nous semblait relativement juste car en effectuant plusieurs mesures nous obtenions une incertitude de 0,02mW. Une valeur de rendement peut donc être déduite. Aussi en changeant la fréquence, nous obtenions un rendement semblable.

La mesure est issue d'un prototype, montage réduit avec les éléments du lycée.

[inviteb565bafd]

Bonjour,

C'est vrai qu'au lycée on manque souvent de moyen, mais rassurez vous dans certaines fac c'est pire, et en entreprise ce ne sera pas forcément mieux!
Bref la recherche de système D fait souvent partie de ce qu'on veut vous apprendre en cours, mais sans vous le dire

La première question qui me vient, c'est d'où proviennent vos bobines?
Elles ont leur importance puisque c'est elle qui vont faire l'interface entre le chargeur et le système à recharger. Si c'est du fil que vous avez bobiné autour d'un rouleau de scotch ça risque d'être compliqué.
Il faut des bobines qui soient accordées entre elles, genre bobines RFID, et il y a une fréquence spécifique à laquelle elles ont un meilleur rendement.

A votre place je me démerderais pour trouver quelque chose avec des bobines à l'intérieur...

J'ai le souvenir qu'en BTS j'avais un TP qui interfaçait des cartes de self (je pense qu'ils les commandent par palettes) avec une maquette où on devait justement faire des mesures et écrire sur les cartes (mais pas de repas gratuits...)
J'en avais démonté une par curiosité, c'était une belle bobine de cuivre facile à récupérer sans la casser, par contre le fil est très fin, et le chip RFID est tout petit et difficile à ressouder, donc une fois enlever il faut considérer que la carte est décédée!

Ça dépendra de la technologie de vos cartes, si c'est un code barre ou une puce c'est mort. Si c'est du sans contact il y a une chance pour que ce soit une bobine de cuivre. Il y a aussi une chance pour que ce soit une bobine filigrane qui vous sera d'aucune utilité.
Il y a des chances pour que vous ayez au moins un prof qui soit assez cool pour vous sortir quelques cartes du stock de l'intendance...

Si tous vos profs sont des méchants, il y a bien une autre solution, mais je ne sais pas si on a le droit de donner de mauvais conseils... Il faut que ça reste entre nous mais ça coûte combien si vous perdez votre carte de façon totalement accidentelle? (Si elles sont créditables, je vous conseille de vider tout ce qu'il y a dessus avant).

Admettons que vous êtes deux à "perdre accidentellement" votre carte... Vous auriez alors deux bobines identiques. Il vous faut deux bobines identiques... Coïncidence?

[invite03481543]

Bonjour Montd'est,

En effet nous arrivons aux limites du capteur avec 0,15mW. Cependant, cette valeur nous semblait relativement juste car en effectuant plusieurs mesures nous obtenions une incertitude de 0,02mW. Une valeur de rendement peut donc être déduite. Aussi en changeant la fréquence, nous obtenions un rendement semblable.

La mesure est issue d'un prototype, montage réduit avec les éléments du lycée.

20µW d'incertitude pour une mesure de 150µW?
Plouf, plouf.

Là ce n'est pas une question de moyen c'est une question de raisonnement, on s'arrange à ce que l'incertitude ne soit pas de l'ordre de 13% mais plutôt du 10eme de cette valeur.
Et puis ce faible courant implique d'avoir un rendement très faible puisque les pertes fers seront non négligeables par rapport à la puissance utile.

[invite61e10673]

20µW d'incertitude pour une mesure de 150µW?
Plouf, plouf.

Là ce n'est pas une question de moyen c'est une question de raisonnement, on s'arrange à ce que l'incertitude ne soit pas de l'ordre de 13% mais plutôt du 10eme de cette valeur.
Et puis ce faible courant implique d'avoir un rendement très faible puisque les pertes fers seront non négligeables par rapport à la puissance utile.

Je reconnais que la valeur n'est pas précise mais tout de même, nous obtenons un rendement très faible. Le rendement de 4% était issu d'un montage avec noyau (feuilleté) donc pas de perte par courant de Foucault. Est-ce que les pertes par hystérésis sont a prendre en compte ? Si oui, quel rendement pouvons nous espérer avec un matériau doux ?

Une autre solution serait-elle d'augmenter le courant ?

[invite61e10673]

Bonjour,

C'est vrai qu'au lycée on manque souvent de moyen, mais rassurez vous dans certaines fac c'est pire, et en entreprise ce ne sera pas forcément mieux!
Bref la recherche de système D fait souvent partie de ce qu'on veut vous apprendre en cours, mais sans vous le dire

La première question qui me vient, c'est d'où proviennent vos bobines?
Elles ont leur importance puisque c'est elle qui vont faire l'interface entre le chargeur et le système à recharger. Si c'est du fil que vous avez bobiné autour d'un rouleau de scotch ça risque d'être compliqué.
Il faut des bobines qui soient accordées entre elles, genre bobines RFID, et il y a une fréquence spécifique à laquelle elles ont un meilleur rendement.

A votre place je me démerderais pour trouver quelque chose avec des bobines à l'intérieur...

Nos bobines sont celles fournies par le lycée, 500 spires, 10.7mH. Nous avions essayé d'enrouler le fils de cuivre nous même mais nous n'obtenions rien de concluant. Nous avons essayer à différentes fréquences, entre 100Hz et 20000Hz, mais pas de différences notables.
Pour les cartes de self ce sont des codes barres.

[invite03481543]

Ce sont des bobines à air?
M'étonnerait vu l'inductance ou alors ce sont des monstres.

On ne peut pas travailler à n'importe quelle fréquence selon le noyau magnétique utilisé.
Une photo aurait été plus parlante.

Pour les cartes de self ce sont des codes barres.

??

[invite03481543]

Tu as branché un oscilloscope un peu pour voir l'allure de tes signaux?

[inviteb565bafd]

Pour les cartes de self ce sont des codes barres.

HULK28 il faisait référence à mon précédent message avec les cartes RFID de la cantine du lycée

Dommage au moins tu aurais eu des bobines conçues pour ce genre d'application, enfin dans la mesure où tu ne cherches pas à débiter trop de courant, elles sont surtout prévues pour le transfert de donnée et non le transfert de puissance, mais pour quelques dizaines de mA ça peut passer

[invite03481543]

Avec ce genre de bobine tu vas pas aller bien loin à 100Hz voir même 20KHz....

[invite61e10673]

Avec ce genre de bobine tu vas pas aller bien loin à 100Hz voir même 20KHz....

Quelle genre de bobine me faudrait-il ?
Ou quel devrait etre le nombre de grandeur de l'inductance de la bobine ?
N'y a-t-il pas d'autres moyens pour booster le circuit ?

[invite03481543]

Il va te falloir travailler bien plus haut en fréquence, tu vas prendre 200kHz.

Pour 6VAC et environ 0.1A il te faut Lp=70µH et Ls=70µH

Tu prends du fil de 0.5mm de diamètre et tu prends un tube en carton style rouleau de sopalin (diamètre environ 5 cm), tu bobines 20 spires bien jointives.
Une fois fait tu prends du scotch et tu fais 2 ou 3 tours pour maintenir les spires bien en place (tu débordes bien sur le tube en carton).
Avec un cutter tu coupes l'excédent de carton qui dépasse et tu rabats l'excédant de scotch à l'intérieur du tube et tu entoures les spires également avec.

Pour le secondaire tu fais pareil.

Ensuite il te faut un générateur sinus 6V, tu devrais avoir ça dans ton école.
Tu règles une fréquence de 200kHz et tu branches ta bobine primaire en passant dans un ampèremètre AC (histoire de vérifier ton courant primaire qui devrait être autour de 100mA).
Evite d'avoir des fils trop longs et de faire des boucles avec.
Tu approches ta bobine secondaire (bien dans l'axe de la bobine primaire et avec les plans biens parallèles dans le même sens de bobinage).
Plus tu vas te rapprocher de la bobine primaire et plus ta tension secondaire va augmenter.
Une fois ce premier constat fait, tu branches un potentiomètre de 1K en série avec une 47 Ohms en sortie de ton bobinage secondaire, et tu fais ta manip de rendement en faisant varier ton courant avec le potentiomètre.

Tu pourras évaluer le rendement pour différents écartements, le couplage k variant de 0 à quasiment 1 de 0 à quelques cm.
Fais ça et revient nous voir avec des relevés u et i, des graphes de scope, tes rendements.

@+

[Antoane]

Bonjour,

Je ne sais pas ce dont vous disposez comme équipement simtrvs, mais les ampèremètres fonctionnant encore à 200kHz ne courent pas les rues. Il faudra sans doute que tu trouves comment utiliser ton oscilloscope pour mesurer le courant dans la manip proposée par Hulk28.

[invite03481543]

Oui Antoane a raison, peut-être avez-vous une sonde de courant? Ou sinon un shunt de précision (à 4 fils) pour avoir l'image tension de ce courant.

[invite61e10673]

Merci de vos réponses,

Nous avons compris où était notre problème. Nous avions mis un ALI pour éviter que la tension ne chute mais c'est aussi ce qui rendait un rendement aussi faible. Vous aviez raison de douter de son utilité. Une fois enlevé, nous obtenons un rendement nettement meilleure, qui atteint même 30%! Je vous envoie ci joint un graphe du rendement en fonction de la fréquence. Nous ne sommes pas allés jusqu'à 200 kHz car le rendement ne cessait de décroitre. Cette courbe vous semble t elle juste ? Car en effet il me semblait que le rendement maximum se situait au alentours de quelques MHz (expérience de la Witricity).
La bobine est celle de 500 spires, 11mH.

[invite03481543]

Avec une bobine adaptée comme celle que je t'ai indiqué tu atteindrais dans les 80%.
La manip est assez simple à faire.

[invite61e10673]

Je vais essayer et je vous redis.
Cependant, la tension de risque t-elle pas de s'écraser ?

[invite03481543]

Ca dépend du générateur, mais même si c'est le cas vous devriez relever un meilleur comportement.

[invite61e10673]

tipe rdt fct distance.pngtipe facteur de couplage fct distance.pngRe :
Bonjour, je relance cette discussion pour vous faire part de nos avancées. Nous avons réussi a obtenir un rendement allant jusqu'à 70 % à 200Hz (fréquence pour un rendement optimale), je vous met ci joint les courbes du rendement en fonction de la distance. De plus en rajoutant en série dans le primaire et dans le secondaire des condensateurs de capacité C, on obtient un montage résonant pour une certaine fréquence. Nous avons vu sur plusieurs sites que le principe de la Witricity permettait le transfert de puissance à haute fréquence (environ 10^5 Hz) pour un montage ainsi résonant. Nous n'arrivons pas à obtenir cette résonance à haute fréquence alors qu'a basse fréquence c'est possible. Auriez vous des pistes d'explications ?

[Antoane]

Bonjour,

Nous n'arrivons pas à obtenir cette résonance à haute fréquence alors qu'a basse fréquence c'est possible. Auriez vous des pistes d'explications ?

Je ne comprend pas ce qui te pose problème.
Tu arrive à faire résonner ton circuit à 200 Hz (avec quelle condensateur, quel schéma ?), mais pas à 100 kHz (avec quelle bobine, quel schéma ?) ?

Un exemple de convertisseur résonant pour transmission d'énergie sans fil : http://forums.futura-sciences.com/pr...ess-power.html

[invite61e10673]

Re :
Nous avons pris 2 circuits RLC série pour le primaire et secondaire. La capacité du condensateur est choisie pour avoir f0 = 200Hz, avec w0 = 2*pi*f = 1/racine(LC), avec un noyau ferromagnétique, on obtient L = 180mH et donc C = 3.5E-6 F. En réglant le condensateur pour avoir f0 = 100 000 Hz, on obtient alors un rendement tres bas.
Je connais la page de Tropique, mais son montage est bien trop compliqué pour nous..

Ce qui me pose problème est que dans tout les sources que nous trouvons sur la Witricity, la résonance se situe à hautes fréquences, hors pour nous elle ne marche que pour les basses frequences. Il y aurait il un autre montage que le RLC série permettant le transfert d'énergie en hautes fréquences ? Ou le probleme vient il de nos composant, pour avoir un rendement performant en hautes frequences ?

[Antoane]

Bonjour,

Pour résonner à 100 kHz avec une bobine de 180 mH, tu as pris un condensateur de 14pF ? Avec ca, le coefficient de qualité est très grand >1000, se placer à la résonance est difficile si tu n'utilises pas un circuit le faisant automatiquement mais que tu fais le réglage à la main, avec un GBF. De plus, à 100 kHz, ta bobine ne se comporte plus comme à 200 Hz : l'inductance diminue et les pertes augmentent -- probablement très fortement.

[invite61e10673]

Oui le condensateur avait été réglé. Cependant le coefficient de mutuel inductance est très faible (environ 0) à 100 000 Hz, cela explique t il un rendement bas malgré le bon coeff Q ?

[Antoane]

Difficile à juger à distance, mais :
- je ne suis pas sûr que tu réussisses à te placer à la résonance, en particulier car le pic est très étroit, mais également car l'inductance ne sera, je pense, pas la même à 200Hz et à 100kHz ;
- je ne suis pas sûr que le Q soit si bon que ça : la bobine va avoir des pertes assez élevées à cette fréquence.

[invite61e10673]

je ne suis pas sûr que tu réussisses à te placer à la résonance, en particulier car le pic est très étroit

Si je comprend bien ce que vous me dites, je n'aurai pas été assez précis dans mes mesures ? ou bien si elle existe, elle n'est pas visible à cause des pertes ?

l'inductance ne sera, je pense, pas la même à 200Hz et à 100kHz

Utiliser vous le moyen suivant pour affirmer ca : Ubob = L*di/dt donc abs(Ubob) = L*w*abs(i) ? ainsi L serait bien proportionnelle à 1/w ?