Étude des effets sur la santé et optimisation des bobines d'un système de transfert d'énergie sans fil conçu pour les scooters électriques

Study of the health effects and coils optimization of a wireless power transfer system designed for electric scooters

• Auteur / Autrice : Ibrahim Dergham
• Direction : Yasser Alayli, Rodrigue Imad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 09/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université de Versailles-Saint-Quentin-en-Yvelines (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : François Rocaries
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Moncef Kadi, Karol Hricovini, Nelly Gauthier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Moncef Kadi, Karol Hricovini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Blindage (rayonnements)

Magnétométrie

Résonance magnétique

Dosimétrie

Champs magnétiques -- Effets physiologiques

Bobines d'induction

Induction magnétique

Mots clés libres

Transfert d'énergie magnétique

Voiture Electrique

Contrôle

Traitement de Signal

Métrologie

Santé humaine

Control

Signal Processing

Metrology

Human health

Electric Vehicle

Wireless magnetic energy

Résumé

La transmission d'énergie sans fil est en plein essor depuis quelques années. Charger les véhicules électriques sans câbles encombrants est devenu une nécessité. De nombreux chercheurs et industriels s'engagent dans le développement de cette technologie, notamment pour les fortes puissances comme les voitures électriques. De plus, le secteur de la micromobilité électrique est en pleine expansion et nécessite également une infrastructure de recharge fiable.Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème du transfert de puissance pour un véhicule de micromobilité, qui est un scooter électrique.Tout d'abord, un prototype de laboratoire de transfert de puissance sans fil a été conçu et mis en œuvre sur la base de ce chapitre.Ensuite, un modèle du transfert d'énergie sans fil construit a été conçu sous COMSOL Multi-physics pour étudier les effets du champ magnétique sur deux parties du corps d'une personne qui pourrait être exposée à ce champ, à savoir la tête et les mains. La densité du flux magnétique, le champ électrique induit, le débit d'absorption spécifique et l'augmentation de la température des tissus biologiques qui en résulte sont modélisés et comparés aux limites et aux directives prescrites dans la réglementation établie pour limiter l'exposition des personnes aux champs électromagnétiques. Les résultats obtenus sont inférieurs aux directives et aux limites d'exposition aux champs électromagnétiques spécifiées par les organisations internationales.De plus, nous avons illustré sous COMSOL la cartographie du champ magnétique généré par les bobines forfaitaires du prototype. Nous avons effectué une modélisation pour les optimiser en fonction de la taille du châssis du scooter. Ensuite, nous avons utilisé le coefficient de couplage et la méthode des facteurs de qualité pour trouver la meilleure forme de bobine pour une topologie de compensation série-série. Comme résultats, une forme circulaire avec un diamètre de 9,6 cm pour les bobines de transmission et de réception a la meilleure performance.Nous avons bouclé cette thèse en étudiant l'impact du blindage sur notre système de transfert d'énergie sans fil. Nous avons effectué une modélisation sous Comsol pour évaluer l'efficacité du blindage d'une plaque d'aluminium et l'augmentation de sa température lorsqu'elle est placée dans une zone de champ magnétique alternatif. Les résultats montrent une augmentation significative de la température de la plaque d'aluminium, ce qui doit être pris en compte lors du blindage du système.

Wireless power transmission has been booming in recent years. Charging electric vehicles without bulky cables has become a necessity. Many researchers and industrials are engaging in developing this technology, especially for high powers like electric cars. Furthermore, the electric micromobility sector is increasing and needs reliable recharging infrastructure as well.In this thesis, we are interested in the power transfer problem for a micromobility vehicle, which is an electric scooter.First, a wireless power transfer laboratory prototype was designed implemented based on this chapter.Then a model of the built wireless power transfer was designed under COMSOL Multi-physics to study the effects of the magnetic field on two possible body parts of a person who might be exposed to this field, namely the head and the hands. The magnetic flux density, the induced electrical field, the specific absorption rate, and the resulting increase of temperature of biological tissues are modeled and compared to the limits and guidelines prescribed in the regulation established to limit people's exposure to electromagnetic fields. The obtained results are below the guidelines and limitations of exposure to the electromagnetic fields specified by the international organizations.Furthermore, we illustrated under COMSOL the cartography of the magnetic field generated by the prototype's lumped coils. We carried out a modelization to optimize them based on the size of the scooter Chassis. Then we used the coupling coefficient and the quality factors method to find the better coil's shape for a series-series compensation topology. As a result, a circular shape with a diameter of 9.6 cm for the transmitting and receiving coils has the best performanceWe buckled this thesis by studying the impact of shielding on our wireless power transfer system. We carried out modeling under Comsol to evaluate the shielding efficiency of an aluminum plate and the increase in its temperature when it is placed in an area of an alternating magnetic field. The results show a significant increase in the temperature of the aluminum plate, which must be taken into account when shielding the system.