Moins de ferrite, mêmes performances pour la recharge par induction
Dans le cadre du projet collaboratif OptGeoFerrit, NEOSID et l'université de Stuttgart ont mis au point des noyaux en ferrite optimisés en trois dimensions pour les systèmes de recharge par induction. La quantité de matériau utilisée a diminué d'environ 30 %. Un prototype a permis de transmettre jusqu'à 22 kW à 85 kHz avec un rendement supérieur à 94 %.
La ferrite, un composant clé
Les systèmes de recharge par induction transmettent l'énergie électrique sans contact entre une bobine émettrice au sol et une bobine réceptrice installée dans le véhicule. Les structures en ferrite guident et concentrent le champ magnétique. Elles influencent le couplage entre les bobines, les pertes d'énergie et les champs magnétiques parasites.
Les systèmes conventionnels utilisent principalement des plaques de ferrite planes ou des tuiles de ferrite standardisées. En raison de leur densité élevée, elles contribuent de manière significative au poids et aux besoins en matériaux de l'unité de bobines. Du côté du véhicule en particulier, la masse et l'espace d'installation ont un impact direct sur l'intégration du système.
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Projet de recherche de NEOSID et de l'université de Stuttgart
OptGeoFerrit était un projet de recherche commun, financé par des fonds publics, mené par NEOSID Pemetzrieder GmbH & Co. KG et l'Institut de conversion de l'énergie électrique de l'université de Stuttgart. Le projet s'est déroulé de juin 2023 à juillet 2025.
Le rapport final public a été présenté le 9 avril 2026 par les deux partenaires du consortium. NEOSID a assumé le rôle de chef de file du consortium. Le rapport documente les analyses des matériaux, les travaux de simulation, le développement de prototypes et la validation de l'ensemble du système.
Optimisation conjointe des matériaux et de la géométrie
L'objectif était de développer des noyaux de ferrite tridimensionnels présentant une perméabilité relative supérieure à 1 500. Parallèlement, le poids et la quantité de matériau utilisée devaient être réduits d'au moins 20 %.
Pour ce faire, l'équipe du projet a caractérisé différents ferrites MnZn et NiZn. La perméabilité, la saturation magnétique, la densité de puissance dissipée, la conductivité électrique et les propriétés thermiques, entre autres, ont été étudiées. Le ferrite MnZn F02 a été identifié comme matériau approprié.
Les données sur les matériaux ont été transférées dans ANSYS Maxwell ainsi que dans des modèles PLECS et MATLAB. Cela a permis d'examiner conjointement la répartition du champ, les pertes, l'évolution de la température, le couplage des bobines et l'électronique de puissance.
Épaisseur de la ferrite réduite de 5 à 3,5 millimètres
L'optimisation assistée par simulation a permis de réduire l'épaisseur de la ferrite de cinq à 3,5 millimètres. La masse de ferrite a ainsi diminué d'environ 30 %. L'objectif initial d'au moins 20 % a été dépassé.
La géométrie a été conçue de manière à guider le flux magnétique de manière ciblée et à réduire les pics de contrainte locaux. Un concept de segmentation tient également compte des zones soumises à des contraintes mécaniques particulièrement élevées.
NEOSID a développé un outil de fabrication adapté et a produit des prototypes dans deux géométries. Selon le rapport final, l'outil a atteint une précision de forme inférieure à ±0,05 millimètre. Les noyaux ont ensuite été intégrés dans un système de transmission inductif complet.
22 kW validés à 85 kHz
L'université de Stuttgart a développé un système bidirectionnel avec redresseur actif. Le prototype d'une unité de bobines embarquée a atteint une puissance de transmission de 22 kW à une fréquence de fonctionnement de 85 kHz.
Des rendements supérieurs à 94 % ont été démontrés expérimentalement et lors de simulations. Le transfert d'énergie est resté stable même en cas de décalages latéraux et verticaux des bobines. Parallèlement, le système a respecté les valeurs limites applicables en matière de champs magnétiques parasites.
Les recherches se sont appuyées sur les exigences relatives aux systèmes de recharge inductive des véhicules selon la norme SAE J2954. Le rapport final mentionne en outre la compatibilité de principe avec les systèmes WPT3/Z3.
Nouvelle méthode de mesure des pertes
Un autre résultat du projet est une méthode de mesure basée sur une bobine de Maxwell. Celle-ci permet de déterminer par thermocalorimétrie les pertes magnétiques de grands échantillons de ferrite.
En complément, l'équipe du projet a étudié les pertes dépendantes de la fréquence et du flux ainsi que la capacité thermique des matériaux ferritiques. Des tests thermiques ont montré qu'une dissipation thermique ciblée est nécessaire en cas de modulation élevée. Grâce à une solution d'encapsulation passive et à un refroidissement par eau, un fonctionnement continu stable à une température inférieure à 80 degrés Celsius a pu être atteint.
Pertinence pour les développeurs de systèmes
OptGeoFerrit montre que les structures en ferrite ne doivent pas être conçues isolément comme des composants standard. Il est essentiel de prendre en compte conjointement le matériau, la géométrie du noyau, la conception de l'enroulement, l'électronique de puissance et le comportement thermique.
Pour les fabricants et les intégrateurs, cela peut se traduire par un poids réduit, une moindre consommation de matériaux et une meilleure adaptation à différents espaces d'installation. Selon le rapport de projet, les méthodes développées peuvent également être transposées à la micromobilité, aux drones, aux systèmes logistiques, à la technologie médicale et aux applications industrielles.
Discuter du système de recharge inductive
Vous développez un système de transmission d'énergie sans contact et souhaitez adapter la géométrie de la ferrite, le choix des matériaux ou la conception des bobines à votre application ? Contactez directement NEOSID pour discuter des exigences techniques de votre projet.
Pour en savoir plus sur le projet OptGeoFerrit et le transfert d’énergie par induction : https://neosid.de/en/hints-solutions/product-solutions/inductive-charging