Wireless power Transfer (WPT): Circuit theory limitations of the classical design

Summary

La présentation de Sabine Yaakov sur le transfert de puissance sans fil met en lumière les limitations théoriques du design classique. Elle explique que le transfert de l'énergie repose sur une interaction magnétique entre deux antennes, le transmitteur et le récepteur, où un coefficient de couplage détermine l'efficacité de la transmission. L'analyse traditionnelle repose sur la mutualité d'induction et l'optimisation du circuit avec des condensateurs primaires et secondaires. L'efficacité est influencée par la résistance des fils et des interconnexions, et la puissance fournie au chargeur dépend de la division du courant secondaire par la résistance totale. Pour une haute efficacité, il est souhaitable d'avoir une grande résistance de charge par rapport à la résistance apparente. L'augmentation de l'inductance peut augmenter la puissance mais aussi les pertes, réduisant l'efficacité. Le facteur de qualité du circuit est élevé, ce qui signifie une sensibilité aux déviations de fréquence. Des simulations montrent la dépendance de la charge et l'importance du coefficient de couplage. L'impédance adaptative, passive ou active, peut être utilisée pour optimiser le système. La conclusion souligne l'importance de l'adaptation du système en fonction de la charge et du coefficient de couplage, en particulier avec les variations de distance.

Takeaways

• 📡 La transmission sans fil d'énergie est basée sur la transfert inductif ou magnétique, où le générateur de flux magnétique est connecté à l'antenne d'émetteur et pénètre l'antenne du récepteur pour transférer la puissance.
• 🔗 Le coefficient de couplage (K) est utilisé pour quantifier la quantité de flux magnétique partagée entre l'émetteur et le récepteur.
• ⚙️ L'analyse classique du circuit utilise la mutualité d'induction et optimise le circuit avec des condensateurs primaires et secondaires pour atteindre la résonance et minimiser les pertes.
• 🔩 La résistance apparente (R_L') reflète la charge réelle, et pour une haute efficacité, il est souhaitable que cette résistance soit bien plus grande que la résistance parasitaire.
• 🔋 La puissance fournie à la charge dépend de la division du courant secondaire par la résistance totale, et est donc fonction de la courbe de l'efficacité.
• 🔢 La sélection de la valeur de la résistance pour maximiser l'efficacité dépend de la fréquence opérationnelle, de l'induction mutuelle et de l'efficacité cible.
• ⚖️ Un compromis doit être trouvé entre l'augmentation de la puissance et la minimisation des pertes, car une augmentation de l'indutance (L) augmente à la fois la puissance et les pertes.
• 🔍 Le facteur de qualité (Q) de la circuit est élevé, ce qui signifie que des déviations de fréquence ou de composants peuvent déplacer le système loin du point optimal.
• 📉 L'efficacité et la puissance transférée sont très sensibles à la valeur de la résistance et au coefficient de couplage, qui est influencé par la distance entre l'émetteur et le récepteur.
• 🔧 L'assortiment de l'impédance peut être une solution pour améliorer l'efficacité du système, que ce soit par un réseau passif ou un convertisseur actif.
• 🔗 La charge réelle n'est pas une résistance mais un circuit actif avec une résistance variable, ce qui nécessite une optimisation du système pour correspondre à la charge optimale, surtout en cas de variations du coefficient de couplage.

Q & A

Quelle est la base du système de transfert de puissance sans fil décrit dans la présentation?

Le système de transfert de puissance sans fil est basé sur la transfert inductif ou magnétique, où l'antenne de l'émetteur génère un flux magnétique qui pénètre l'antenne du récepteur pour transférer la puissance.

Comment le coefficient de couplage est-il utilisé pour quantifier le flux magnétique dans le système de transfert de puissance sans fil?

Le coefficient de couplage, noté K, est utilisé pour quantifier le flux magnétique commun aux deux antennes. K fois le flux total représente le flux commun, tandis que (1 - K) fois le flux total représente le flux dérivé autour de l'émetteur.

Quels sont les éléments clés pour optimiser le circuit de transfert de puissance sans fil?

Pour optimiser le circuit, on utilise la réactance mutuelle et on place des condensateurs primaires et secondaires. On minimise également la résistance des fils et des interconnexions, et on ajuste la fréquence d'excitation pour atteindre la résonance.

Comment la résistance apparente reflétée influence-t-elle la consommation de puissance du système?

La résistance apparente reflétée représente la consommation de puissance du système. Plus cette résistance est grande par rapport à la résistance parasitaire, plus le système est efficace en termes de transfert de puissance.

Quelle est la relation entre la fréquence d'excitation, la résonance et la puissance maximale dans le circuit?

La fréquence d'excitation est ajustée pour que les deux composants réactifs annulent mutuellement, ce qui conduit à un circuit résistif. Plus la fréquence est proche de la fréquence de résonance, plus la puissance maximale qui peut être transférée est grande.

Comment la qualité factor (Q) du circuit affecte-t-elle la performance du système de transfert de puissance sans fil?

Un Q élevé signifie que le circuit est très sensible aux déviations de fréquence ou de composants, ce qui peut entraîner un déplacement du point optimal. Un Q trop élevé peut donc poser des défis pour le suivi de la fréquence et l'ajustement des composants.

Quels facteurs affectent l'efficacité du transfert de puissance dans le système décrit?

L'efficacité est affectée par la valeur de la résistance, la fréquence d'excitation, les inductances, la distance entre les antennes (coefficient de couplage), et la qualité factor du circuit.

Comment la distance entre les antennes impacte-t-elle le transfert de puissance et l'efficacité du système?

Une distance plus grande entre les antennes diminue le coefficient de couplage, ce qui à son tour diminue le transfert de puissance et l'efficacité globale du système.

Quels sont les défis associés à l'utilisation de charges variables comme les chargeurs de batteries dans le système de transfert de puissance sans fil?

Les charges variables, comme les chargeurs de batteries, représentent des circuits actifs avec une résistance reflétée variable, ce qui nécessite un ajustement de l'impédance pour optimiser le système, en particulier face aux changements du coefficient de couplage.

Quelle est une méthode pour améliorer l'efficacité du système de transfert de puissance sans fil face aux changements de charge et de distance?

L'impédance adaptative, que ce soit par un réseau passif ou un convertisseur de mode actif, peut être utilisée pour s'adapter à la charge réelle et optimiser la performance du système.

Comment la présentation aborde-t-elle la question de la sensibilité du système à la valeur de la résistance et à la fréquence d'excitation?

La présentation illustre la sensibilité du système à la valeur de la résistance et à la fréquence d'excitation en utilisant des simulations avec des paramètres spécifiques, montrant comment les changements dans ces valeurs affectent la puissance et l'efficacité.

Outlines

00:00

🔌 Transfert de puissance sans fil et théorie des circuits

Le paragraphe 1 présente le transfert de puissance sans fil, une technologie qui utilise deux antennes pour transférer de l'énergie de l'émetteur au récepteur par induction magnétique. Le concept de coefficient de couplage est introduit pour quantifier la partie du flux magnétique qui est partagée entre les deux antennes. L'analyse classique de ce type de circuit repose sur la mutualité de l'induction et l'utilisation de condensateurs pour optimiser la performance. Le but est de simplifier la discussion en supposant des inductances égales et de décrire comment l'impédance peut être modifiée pour améliorer le transfert de puissance.

05:01

🔧 Optimisation du circuit de transfert de puissance sans fil

Dans le paragraphe 2, l'auteur explique comment optimiser le circuit de transfert de puissance sans fil en utilisant la résonance pour minimiser la perte d'énergie et maximiser le courant primaire. Il est mentionné que pour une efficacité élevée, il est nécessaire d'augmenter la résistance réfléchie par rapport à la résistance parasitaire. L'efficacité du système dépend de la relation entre ces résistances et la charge du récepteur, qui est souvent représentée par une résistance équivalente AC. L'auteur illustre également comment le transfert de puissance dépend de la tension et de l'impédance totale du circuit.

10:02

🔢 Exemples numériques et facteurs influençant la performance

Le paragraphe 3 se concentre sur les calculs numériques pour déterminer la taille des composants nécessaires à un certain niveau d'efficacité et de transfert de puissance. L'auteur explore les implications de différentes valeurs de résistance et de coefficient de couplage sur la puissance et l'efficacité du système. Il est également discuté comment l'augmentation de l'inductance peut augmenter la puissance mais aussi les pertes, ce qui peut réduire l'efficacité. La qualité factor (Q) du circuit est également examinée pour comprendre la sensibilité du système à la fréquence d'excitation.

15:03

📊 Simulation des performances du circuit et ajustements

Dans le paragraphe 4, l'auteur présente des simulations qui montrent comment les performances du circuit varient avec les paramètres tels que la résistance et le coefficient de couplage. Il est illustré comment les changements de ces valeurs affectent l'efficacité et le niveau de puissance, et comment l'optimisation doit être réalisée pour chaque point. L'auteur mentionne également l'importance de l'impédance adaptée pour s'assurer que le système fonctionne à son meilleur potentiel, que ce soit par un réseau passif ou un convertisseur actif.

20:05

🔚 Conclusions et implications pour l'avenir

Le paragraphe 5 conclut la présentation en soulignant la dépendance de la charge et la nécessité d'une optimisation de l'impédance pour les charges pratiques, qui sont souvent des circuits actifs avec une résistance variable. L'auteur met en évidence l'impact de la distance sur le transfert de puissance et l'efficacité, ainsi que les défis posés par le haut facteur de qualité du circuit. Il encourage à considérer ces éléments pour améliorer les systèmes de transfert de puissance sans fil à l'avenir.

Keywords

💡Transfert de puissance sans fil

Le transfert de puissance sans fil est le processus par lequel l'énergie est transférée d'un point à un autre sans le recours à des connexions électriques physiques. Dans la vidéo, cela est abordé via le système de deux antennes, l'une pour l'émetteur et l'autre pour le récepteur, qui fonctionne sur la base d'un transfert magnétique.

💡Induction mutuelle

L'induction mutuelle est une interaction électromagnétique entre deux bobines qui permet le transfert d'énergie. Dans le contexte de la vidéo, elle est utilisée pour décrire comment l'antenne de l'émetteur génère un flux magnétique qui traverse l'antenne du récepteur, créant ainsi un voltage qui transfère la puissance.

💡Coefficient de couplage

Le coefficient de couplage (K) est une mesure de l'efficacité de l'interaction entre les deux bobines. Il représente le rapport entre le flux commun et le flux total. Plus le coefficient de couplage est élevé, plus l'efficacité du transfert de puissance est grande, comme expliqué dans le script.

💡Réactance

La réactance est une forme d'opposition au courant alternating (CA) dans un circuit. Dans le script, elle est mentionnée comme un élément à minimiser pour augmenter l'efficacité du transfert de puissance, en utilisant des composants réactifs pour annuler la réactance à la fréquence de résonance.

💡Charge utile

La charge utile fait référence à la quantité d'énergie que le système est capable de transférer. Dans la vidéo, l'efficacité de la transmission de puissance dépend de la capacité du système à surmonter les pertes et à fournir suffisamment d'énergie au chargement de la batterie ou à d'autres types de charges.

💡Fréquence de résonance

La fréquence de résonance est la fréquence à laquelle un circuit série de bobine et de condensateur a une impedance purement résistive. Le script explique que pour maximiser le courant primaire, le système doit fonctionner à cette fréquence afin que les éléments réactifs ne soient plus présents et que seuls les composants résistifs restent.

💡Facteur de qualité (Q)

Le facteur de qualité (Q) est une mesure de l'efficacité d'un circuit résonant série. Plus le Q est élevé, plus le circuit est capable de maintenir une fréquence précise, ce qui est important pour l'efficacité du transfert de puissance sans fil, comme indiqué dans le script.

💡Charge constante de puissance

Une charge constante de puissance est un type de charge qui nécessite une quantité déterminée de puissance, comme une batterie en charge. Dans le script, cela est important car cela affecte la manière dont la charge est gérée et optimisée dans le système de transfert de puissance sans fil.

💡Impédance

L'impédance est l'opposition totale au courant dans un circuit, qui comprend la résistance et la réactance. L'impédance est un facteur clé pour l'efficacité du transfert de puissance sans fil, et le script aborde l'importance de l'impédance matching pour optimiser les performances du système.

💡Pertes

Les pertes sont l'énergie qui n'est pas transférée efficacement du système de transfert de puissance sans fil au chargeur ou à la charge. Dans le script, il est mentionné que les pertes sont inversement proportionnelles à la valeur de L et que l'augmentation des pertes diminue l'efficacité globale du système.

💡Distance

La distance entre l'émetteur et le récepteur affecte le coefficient de couplage et donc l'efficacité du transfert de puissance. Plus la distance est grande, plus le coefficient de couplage diminue, ce qui réduit la puissance transférée et l'efficacité globale, comme expliqué dans le script.

Highlights

Wireless power transfer systems consist of two antennas: a transmitter and a receiver, with energy transfer based on inductive or magnetic coupling.

The transmitter generates a magnetic flux that penetrates the receiving antenna, creating a voltage that transfers power.

The coupling coefficient (K) quantifies the common flux between the transmitter and receiver, distinguishing it from the stray flux.

Optimizing the circuit involves adding capacitors to the primary and secondary coils and considering the parasitic resistances of the antennas.

Loads are typically active circuits with rectifiers and converters, often replaced by an equivalent resistive load for analysis.

The circuit can be analyzed by separating the coupled coils and introducing dependent voltage sources, effectively decoupling the inductors.

For maximum current in the primary, the system should operate at resonance to minimize impedance and maximize power transfer.

Efficiency is determined by the ratio of the resistive load to the total resistance, including parasitic resistances.

The power delivered to the load is proportional to the square of the primary current and inversely proportional to the reflected resistance.

Increasing the inductance (L) can increase power but also losses, potentially reducing efficiency.

The quality factor (Q) of the circuit is high, indicating sensitivity to frequency deviations and the need for precise tuning.

Simulations demonstrate the system's efficiency and power output are highly sensitive to the load resistance and operating conditions.

Impedance matching, both passive and active, can be used to optimize the system for different load conditions and coupling coefficients.

The distance between the transmitter and receiver significantly impacts power transfer and efficiency, with greater distances reducing performance.

Active circuitry with variable reflected loads, such as battery chargers, requires system optimization for impedance matching.

The presentation concludes with the importance of considering load dependence, coupling coefficient changes, and quality factor in wireless power transfer design.

Transcripts

hi I'm Sabine Yaakov this presentation

is entitled wireless power transfer

circuit theory limitations of the

classical design now a wireless power

transfer system consists of two antennas

one of the transmitter connected to the

driver here and then there is the

receiving antenna connected to receiver

which has a rectifier some other

electronics in it in it in order to

extract the power from the antenna now

the transfer of energy from the

transmitter to the receiver is based on

a inductive or magnetic transfer and

that is that the transmitter is

generating a magnetic flux which is then

penetrating through the receiving

antenna and in therefore generating a

voltage here which actually transferred

the power to the receiver

now unfortunately part of this flux is

actually not common to the tool and it's

sort of closed here around the

transmitter so therefore not all the

flux is actually moved to the receiver

and in order to quantify it we have this

coupling coefficient term such that K

times the total flux is the common or

the flux which is common to both the

transmitter every receiver while 1 minus

K flux total flux is the part which is

not common and the stray flux here

around the transmitter itself

now the way to analyze the circuit like

this a classical way textbook approach

would be by mutual inductance we have

two inductor these are the antennas and

in order to optimize the circuit would

see it later we put a capacitors primary

secondary and then we have unfortunately

the pathetic resistances of the wire of

the antennas and interconnection and

then obviously we have this mutual

inductance which is equal to K times the

square root of the product of these

inductances now in order to simplify the

presentation here and the expression I'm

assuming the diesel are equal this is

not losing any generality there's just

simplifying the discussion now RL

actually represent the load now loads

are not resistors usually they are

active circuit like with a rectifier and

a charger or switch mode converter but

it is customary to replace the actual

and nonlinear load by a equivalent code

so called our AC load which represents

the power consumption the power

consumption of the load so this is why I

am going to use this R sub M as

representing the load now the method for

analyzing circuit like this can be based

on actually separating the two coupled

pairs

and then introducing a dependent

dependent voltage sources defined by j

omega m i2 which is current secondary in

J Omega M i1 are of the primary these

inductors are no more coupled this both

these voltage sources or dependent

voltage sources are actually taking care

of the original coupling here so the

current in the secondary is the voltage

divided by the total resistance okay

total resistance here or I should say

total impedance here is ISA

s which is equal to the sum of these

components and therefore the voltage

source at the secondary which is J Omega

M times i2 and i2 is this value and

since we have products of two J's and

there is a minus here this becomes

resistive this part and then divided by

this of s and I 1 so this voltage source

actually is this value here so we can

call this as the pins the values the

units are really ohms because this is M

square divided by ohm and this a big

sort of they reflected impedance to the

primary and the voltage force is this

reflected

resistance times I won so in fact the

voltage source can be as shown here can

be replaced by any pittance Z sub R

heart which is equal to this value here

I've shown here Omega K here have the

two inductance s divided by this V sub s

and this is the value here this is the

total impedance here now obviously you

know to get a maximum current in the

primary you'd like these are to be as

small as possible and this can be done

by running the system at residence such

that Z sub s in this sub s these two

components will cancel each other the

impedances if it is at resonance and

you'll be left just be with the

resistive component so this is actually

what is done the components go back for

seconds of these two reactive elements

else' basis of s and these two are

chosen such that they are equal to the

excitation frequency of the excitation

frequency is adjusted to death and

therefore we have now a resistive

circuit circuit

none of the reactive element is shown

anymore we have just the parasitic

resistors they reflected this is now a

resistance R L Prime into sum of these

two

the same thing goes for the secondary we

have this positive resistance and the

actual RAC or they register which

represent the load now the power that

will be delivered to the load is I 2 pi

sub 2 squared times the load okay

now I 2 squared is of course the voltage

divided by the total impedance and this

voltage is a function of the current at

the primary so we end up with this

expression I 1 squared times this

expression and then I have to correct it

for the fact that I've actually

calculated the power for the total

branch and to get just this portion here

I have to do multiply it by this ratio

let's not worry about this because at

high efficiency

this is approaching 1 so let's talk

about this part here now what we see

here is very interesting that we see

that this resistor here this reflected

register actually represent the power

consumption of the system because we see

that I squared I 1 square times this one

is indeed the power that is delivered to

the load so this actually simplifies

matter because then we can not just look

at the primary in here and optimize the

circuit in terms of this

like that value in terms of the

efficiency and the power transfer so

this is what we are going to do now we

then have the problem that we have a

source we have a prosthetic resistance

and we have this reflected resistance so

for high efficiency we would like to

have this term much larger than this

pathetic resistance that is shown here

this one we'd like to have it much much

larger than this one and the same thing

goes for the secondary we like this

resistor to be larger than this pathetic

resistance now there is not much we can

do here because this is what we choose

RL that's it so here is where we can

concentrate and understand what's going

on and maybe optimize the system by

looking at the primary so from here we

find that Arab Prime has to be much

smaller than this value this all this is

known this is the operating conditions

and this is also the part that ik

resistance now how small should it be it

really depends on the efficiency that we

are looking for and the efficiency is

the ratio I mean this is the primary

efficiency of the primary it is the dis

resistance divided by the resistance

plus the paralytic resistance and

therefore this we can sort of quantize

this this relationship and say that

given a certain efficiency we would like

this value to be about this value well

this is the efficiency / 1 - efficiency

time to depart attic resistance or this

is now expressed as our prime has to be

for this target efficiency has to be

about this value all of these are known

is their running frequency mutual

inductance prosthetic resistance and the

target efficiency so let's have a look

now at some green numbers here let's

assume that we are running the system at

150 kilo Hertz these two inductances are

20 micro Henry positive resistances are

100 million point 1 ohm and let's do the

calculation for a coupling coefficient

of 0.5 now first thing I'm calculating

Omega M which turns out this is the 2

point 1 point 5 10 to the 5th this is

the one frequency and Kate it comes up

to be 10 ohm square it's 100 ohm square

so we want to keep this relationship and

taking a 90 percent

the target then we find that this should

be around ten times the resistance the

positive resistance and I find that they

are a prime that if the total resistance

here should be around 100 this is for K

point five four point eight it comes up

to be 250 it's a different number now

what about the power that we can

transfer now power is as we have said

approximately being divided square

divided by this resistance well if you

like to have it more accurate you have

to multiply by the efficiency actually

taking into account the losses here in

our case it turns out to be mean over

one times the efficiency so say one vote

will sort of will be a little bit less

than one part for one vote excitation

from here we find that the power is

proportional to our n because the larger

there are end

the smaller would be this value and the

larger will be P out so we can to put

her adhere to the nominator and see that

the larger the power the larger is our

LD larger the power but what about

losses now we know that the smaller is

this value the larger would be the

losses or we were like this value to be

large and therefore the loss is a sort

of 1 over this value and again the

losses seem to be proportional to our

rap so here's the problem we are locked

here if we increase our L we increase

the power but the loss is increased so

the efficiency will go down and vice

versa so there is a fine area here's an

area that can work with fairly high

power and fairly high efficiency and if

you move from it you are in a problem

then there is a question of the quality

factor the quality factor of this

circuit with the inductor and capacitor

is the this series resonant network will

be the Omega L over R I'm neglecting the

pathetic resistance

and since this is omega L this is also

mega n lighter I end up with this and in

this particular case we are now looking

at this numerical situation we find that

the Q is around 10 this is fairly high

this means that small deviation and the

excitation frequency or the tuning will

move us from the optimum point so this

is another issue that one has to take

into account so let's have a look now at

some of the simulation of this circuit

for the particular parameters that I've

taken as an example so here we have the

inductances the this capacitor were

chosen to match it to a 150 kilo Hertz

this is the running frequency here and

here is our is the parameter the losses

says what has me do here in 100

milliohms here so for K point 5 the

value we've chosen

we know that the sort of optimum value

is 100 ohm we see the indeed the

efficiency is as we expected or we a

target that it's about 0.9 and the power

as we have actually predicted Li is

approaching one ground so this is really

very consistent with what we have said

now what happens if we are moving from

this optimal point sorry the case that

I've

run it for 100 oh this is the nominal

value and then 1k so let's look at here

first the 1k brings up a much higher

power this is two and a half what has

compared to one run but see the

efficiency very bad it's point five so

you see that increasingly with the store

is indeed increasing the power as we

expected but also increasing them also

so therefore the efficiency went down

quite a bit now I've also added a

resistor of 10 ohms

now the efficiency is very good very

excellent or not 100% but the power that

we can get is very low here it is and I

expanded scale here so this is for 10 on

the efficiency this is the 100 ohm which

is 2.9 this is almost 100% but the power

we can get is very very low as compared

to only few milli watts 100 milliwatts

perhaps as compared to what we actually

lower them that as compared to what we

have here so we see that indeed the

system is very very sensitive to the

value of the resistor given the

operating point the frequency the

inductances and of course most important

is the coupling coefficient this is

taking into account the coupling

coefficient and now what happens if the

coupling coefficient is changing so I'm

keeping now the resistor to be 100 ohms

and changing the coupling coefficient

0.2 0.4 in point 8 now the nominal value

for which we have chosen 100 ohm was 0.5

okay so what we see here is again a

variation 4.4 which is close to 0.5 we

see pretty good efficiency pretty good

efficient

this is the point 8c and the power is

not so bad it's also about one what is

the point for now what happens with the

point eight this is actually very good

coupling much better but again since it

is not optimized we have indeed a a

higher efficiency to 0.82 high

efficiency almost one artisan but power

level is very low and for the point two

we have a lower efficiency but higher

power so we have much higher power but

lower efficiency so again we see that

once you move from this optimal point

you get into trouble so what can be done

one way to go if people have shown in

the number of papers is to do impedance

matching this could be done by a passive

network such that the impedance that the

system would see would be changed to the

optimal one or by a active like switch

mode converter which can also reflect a

resistance which is different from the

actual resistance so what are the

conclusions here we see that there is a

very large load dependence here

and one have to bear in mind that no

more loads practice are not resistors

they are say constant power loads and

then the extra resistance is the power

divided by hi square for the hour

battery charging and in this case they

resistance is something like the voltage

of the battery divided by the current

times some constant so we don't deal

with resistors as loads we deal with

active circuitry which has a variable

reflected load so there might be a need

in order to optimize the system for an

impedance matching between the actual

load you have and the optimum load for

the system especially if indeed you are

under changes of the coupling

coefficient that is the distance so the

distance is really a major player here

and the larger the distance the more

complicated becomes the situation and

you'd expect the lower power transfer

and lower efficiency and then there is

the issue of the high Q which means that

a deviation of frequency and components

might actually move you from the optimal

point

so this brings me to the end of this

presentation I hope you found it

interesting and perhaps it will be

useful to you in the future