DS0705 - Fondements du numérique

Systèmes de transmission d’énergie sans fils contrôlée et confinée pour les équipements électroniques – WIREFREE

Systèmes de transmission d’énergie sans fils contrôlée et confinée pour les équipements électroniques (WIREFREE))

Systèmes de transmission d’énergie sans fils

Améliorer l'efficacité et la distance de transmission des systèmes de transfert d’énergie sans fils

Les systèmes de transfert d’énergie sans fil (Wireless Power Transfer (WPT) systems) permettent de transférer l’énergie d’un point à un autre sur une certaine distance. Actuellement, leur mise en oeuvre repose sur le couplage entre résonateurs magnétiques en zone de champ proche réactif. Ces futurs systèmes sont parfaitement adaptés aux dispositifs électroniques portables/nomades du quotidien (tablette, lecteur mp3, etc.) car ils permettent de nous affranchir de toute opération de recharge par fil. L’impact sociétal est donc potentiellement très important. Sur le plan économique, le revenu du marché de l’industrie de distribution de l’énergie sans fil est estimé à un milliard de dollars, avec une croissance exponentielle envisagée pour les années à venir. Sur le plan scientifique, les travaux majeurs de R&D sont principalement menés aux États-Unis ; de plus, l’efficacité en puissance de ces systèmes reste très limitée (40% sur une distance de 2m) et repose sur l’utilisation de relais extrêmement encombrants ! Aucune étude n’a été faite à ce jour pour explorer et définir de nouveaux schémas opérationnels, en véritable rupture avec les solutions actuelles. <br /> <br />Pour la première fois, nous proposons ici de maîtriser le comportement du champ proche afin d’améliorer l’efficacité en puissance et la distance de transmission de ces systèmes. On parle alors de « tailored WPT systems ». L’innovation majeure – au coeur de notre projet – consiste à ajuster le champ proche afin de ralentir la décroissance des champs évanescents localisés, sans pour autant rayonner en espace libre. Cela constitue les 2 points clés du projet. <br /> <br />Pour respecter ces 2 propriétés totalement nouvelles, la résistance de rayonnement du WPT proposé est maintenue faible (pour ne pas rayonner), alors que l’ajustement du champ proche est contrôlé par un chargement approprié de la structure (en anneaux) par des impédances à optimiser.

Le projet WIREFREE (durée 36 mois) comporte 4 tâches :
- Tâche 1 : Coordination, valorisation et diffusion de toutes les activités du projet
- Tâche 2 : Mise au point (i) d’un outil d'analyse et conception électromagnétique (EM) basé sur la Méthode des Moments, et (ii) d’un outil reposant sur la théorie des circuits (pour évaluer le rendement en puissance).
- Tâche 3 : Développement du système d'alimentation, avec définition des conditions de transfert maximal de puissance (i.e. des impédances optimisées) pour garantir un rendement optimal.
- Tâche 4 : Prototypage et validations expérimentales. L'exposition du corps humain aux systèmes WPT sera étudiée car ce point est insuffisamment exploré aujourd’hui.

Les principaux résultats au cours des 18 premiers mois d'activité de WIREFREE sont les suivants:
1. Développement d'un Code MoM capable de synthétiser un profil de champ proche requis pour les systèmes WPT au MHz;
2. Outil numérique rapide pour l'évaluation du budget de puissance et de la description circuit des systèmes WPT proposés.
3. Analyse et conception des circuits d'adaptation pour les systèmes WPT.
4. Développement et validation expérimentale d'un système WPT résonant adapté en technologie PCB basé sur des bobines résonnantes pilotées par des boucles à facteur Q élevées. Les systèmes ont une efficacité supérieure à 40% pour une distance de séparation de 1 m à 10 MHz.

WIREFREE se concentrera sur:
- Évaluation de l'exposition du corps humaine aux systèmes WPT. Ceci est essentiel pour le déploiement futur de ces systèmes.
- Définition d'un prototype avec un champ proche maîtrisé.
- Définition d'un prototype avec un champ rayonné maîtrisé dans la zone de Fresnel. Ce prototype montrera le bénéfice de l'approche proposée dans une plus grande zone de fonctionnement.
- Définition de solutions de pointes pour les systèmes WPT à champ lointain; Ces systèmes deviennent de plus en plus attractifs pour le WPT sur une longue portée. Les défis sont la localisation des utilisateurs sur un grand champ de vision et l'efficacité du système.

1. M. Koohestani, M. Zhadobov, and M. Ettorre,” Design Methodology of a Printed WPT System for HF-Band Mid-Range Applications Considering Human Safety Regulations,” in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 65, No. 1, pp. 270 - 279, Ja

Les systèmes de transfert d’énergie sans fil (Wireless Power Transfer (WPT) systems) permettent de transférer l’énergie d’un point à un autre sur une certaine distance. Actuellement, leur mise en œuvre repose sur le couplage entre résonateurs magnétiques en zone de champ proche réactif. Ces futurs systèmes sont parfaitement adaptés aux dispositifs électroniques portables/nomades du quotidien (tablette, lecteur mp3, etc.) car ils permettent de nous affranchir de toute opération de recharge par fil. L’impact sociétal est donc potentiellement très important. Sur le plan économique, le revenu du marché de l’industrie de distribution de l’énergie sans fil est estimé à un milliard de dollars, avec une croissance exponentielle envisagée pour les années à venir. Sur le plan scientifique, les travaux majeurs de R&D sont principalement menés aux États-Unis ; de plus, l’efficacité en puissance de ces systèmes reste très limitée (40% sur une distance de 2m) et repose sur l’utilisation de relais extrêmement encombrants !
Aucune étude n’a été faite à ce jour pour explorer et définir de nouveaux schémas opérationnels, en véritable rupture avec les solutions actuelles.

Pour la première fois, nous proposons ici de maîtriser le comportement du champ proche afin d’améliorer l’efficacité en puissance et la distance de transmission de ces systèmes. On parle alors de « tailored WPT systems ». L’innovation majeure – au cœur de notre projet – consiste à ajuster le champ proche afin de ralentir la décroissance des champs évanescents localisés, sans pour autant rayonner en espace libre. Cela constitue les 2 points clés du projet. Pour respecter ces 2 propriétés totalement nouvelles, la résistance de rayonnement du WPT proposé est maintenue faible (pour ne pas rayonner), alors que l’ajustement du champ proche est contrôlé par un chargement approprié de la structure (en anneaux) par des impédances à optimiser.

Le projet WIREFREE (durée 36 mois) comporte 4 tâches :
- Tâche 1 : Coordination, valorisation et diffusion de toutes les activités du projet, y compris les actions à destination de l'enseignement supérieur et de la future soumission d’un projet ERC.
- Tâche 2 : Mise au point (i) d’un outil d'analyse et conception électromagnétique (EM) basé sur la Méthode des Moments, et (ii) d’un outil reposant sur la théorie des circuits (pour évaluer le rendement en puissance).
- Tâche 3 : Développement du système d'alimentation, avec définition des conditions de transfert maximal de puissance (i.e. des impédances optimisées) pour garantir un rendement optimal.
- Tâche 4 : Prototypage et validations expérimentales. Les spécifications seront d’abord définies à partir de données de la littérature et d'expressions de besoin recueillies auprès d’industriels. Puis, 3 systèmes seront étudiés : le 1er, en version filaire, repose sur le système WPT définissant aujourd’hui l’état de l’art (détenu par le MIT) : il servira de référence ; les 2 autres (1 réalisé en technologie imprimée (PCB) et 1 en version filaire), seront conçus selon notre nouveau concept. Les campagnes expérimentales consisteront à mesurer les paramètres S, les champs proches, et les caractéristiques essentielles des WPT (distance de transmission, rendement global). La possibilité d’alimenter une ampoule et un PC sera aussi abordée. Enfin l'exposition du corps humain aux systèmes WPT sera étudiée car ce point est insuffisamment exploré aujourd’hui.

Résultats attendus :
- 1ère analyse théorique et validation des « tailored WPT systems», véritable rupture conceptuelle. Détermination de leurs performances et limitations en termes de distance, puissance et sensibilité.
- 1er outil de conception capable de synthétiser un dispositif EM à partir d’un profil de champ proche défini.
- 1ères démonstrations expérimentales des « tailored WPT systems», et comparaison avec les solutions définissant l’état de l’art actuel en termes d’efficacité en puissance, distance de couverture et impact sur le corps humain.

Coordinateur du projet

Monsieur Mauro Ettorre (Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IETR, UMR CNRS 6164 Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes

Aide de l'ANR 188 552 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 36 Mois

Liens utiles