Le transfert d’énergie sans fil basé sur les micro-ondes révolutionne la manière dont l’énergie atteint des appareils éloignés ou difficiles d’accès, permettant un fonctionnement sans maintenance pour les capteurs IdO, les véhicules électriques et les drones. Explorons les derniers progrès des technologies de transmission d’énergie sans fil et leur rôle essentiel dans l’alimentation du monde connecté de demain.  

Transfert d’énergie par micro-ondes : passé et présent

Le transfert d’énergie par micro-ondes a suscité une attention considérable près d’une décennie après son invention durant la Seconde Guerre mondiale. En 1958, des chercheurs ont lancé des études sur le transfert d’énergie sans fil destiné aux satellites solaires, financées par Raytheon, la NASA et l’US Air Force. Depuis les années 1980, tous ces acteurs ont mené des recherches sur le transfert d’énergie par micro-ondes, la NASA en étant le principal financeur.

Différentes techniques de transmission d’énergie sans fil ont été développées, notamment la radiofréquence (RF), l’induction électromagnétique, les ondes guidées ultrasonores et les faisceaux laser. La méthode la plus avancée reste la transmission sans fil par radiofréquences. Le système de transmission d’énergie par micro-ondes constitue une solution efficace pour fournir de l’énergie à des lieux pratiquement inaccessibles. Le maintien de l’autonomie des appareils IdO nécessite toutefois un circuit de récupération pour le stockage d’énergie. 

Transfert d’énergie sans fil

La figure 1. illustre la variabilité considérable des méthodes de transfert d’énergie sans fil, influencée par de nombreux facteurs tels que la fréquence, la distance entre l’émetteur et le récepteur et les applications spécifiques. Les véhicules électriques, les drones, l’électronique grand public et les appareils portables peuvent exploiter le WPT (Wireless Power Transfer) pour des applications de champ proche, via le MC-WPT (Magnetic Coupling Wireless Power Transfer) ou l’EC-WPT (Electric-Field Coupling Wireless Power Transfer). Les applications de champ lointain concernent des technologies plus avancées et des usages militaires, telles que le MPT (Microwave Power Transmission) et le LPT (Laser Power Transmission).
 
Different types and ranges of wireless power transmission
Figure 1. Différents types et portées de transmission d’énergie sans fil.
La figure 2 montre le schéma-bloc d'un système de transmission d’énergie sans fil.
 
The block diagram of a wireless energy system
Figure 2. Le schéma-bloc d’un système d’énergie sans fil.
La structure de la transmission d’énergie sans fil se compose de trois parties :

• Source d’énergie micro-ondes,
• Zone d’onde progressive,
• Rectenna (antenne redresseuse) ou redresseur d’onde cyclotron (CWC).

La nécessité d’une distance limitée entre les bobines freine le développement de la technologie d’induction électromagnétique. Actuellement, quatre modalités de transmission d’énergie sans fil sont utilisées. Elles se classent en quatre catégories de rayonnement électromagnétique par ordre croissant de fréquence :

• Micro-ondes (longue portée),
• Lasers (longue portée),
• Induction électromagnétique (courte portée),
• Ondes ultrasonores (courte portée).

La technologie de transfert d’énergie sans fil peut être divisée en technologies WPT basées sur l’électromagnétisme et en technologies WPT basées sur la mécanique, comme montré dans la figure 3. Les technologies WPT électromagnétiques comprennent le principe du champ magnétique, le principe du champ électrique, le principe micro-ondes et le principe laser. Les technologies WPT mécaniques incluent le principe ultrasonore et le principe de vibration mécanique. Les technologies WPT dans l’aviation comprennent le transfert inductif, la résonance de couplage magnétique, le laser et les micro-ondes. Les radios cognitives inductives et conventionnelles sont classées comme technologies de champ proche, tandis que le laser et les micro-ondes appartiennent aux technologies de champ lointain.
 
Figure 5. Classification of wireless power transfer technologies
Figure 3. Classification des technologies de transfert d’énergie sans fil.
La récupération d’énergie, un élément crucial du transfert d’énergie sans fil, est une technologie innovante qui apporte l’électricité à des lieux historiquement inaccessibles. Cette méthode, appelée récupération RF, est particulièrement importante pour sa capacité à alimenter des appareils électroniques à faible consommation dans des environnements éloignés et complexes. Elle est également appelée récupération par radiofréquence. Elle peut alimenter sans fil des appareils électroniques avec une consommation minimale.

Récemment, les chercheurs ont montré un intérêt marqué pour la recharge sans fil des capteurs dans des environnements complexes. De nombreuses recherches ont examiné la recharge par récupération d’énergie RF. Le principe fondamental de cette technologie est de capter l’énergie RF entourant l’antenne ou le récepteur afin d’alimenter les capteurs. Par conséquent, les capteurs IdO doivent disposer de solutions d’alimentation sans batterie. À l’avenir, des ressources substantielles seront nécessaires pour maintenir les appareils IdO en raison de la prolifération de nombreux capteurs dans les réseaux de capteurs sans fil. Par conséquent, chaque capteur doit être sans batterie afin d’assurer un fonctionnement sans maintenance. Le transfert d’énergie sans fil, ou récupération d’énergie RF, est une technique prometteuse car elle peut alimenter les appareils IdO sur de plus grandes distances que les méthodes alternatives, comme illustré dans la figure 4.
 
ypical block diagrams of the powering IoT devices wirelessly
Figure 4. Schémas-blocs typiques de l’alimentation sans fil des appareils IdO.
De nombreux chercheurs de renom ont fait progresser la récupération d’énergie RF par diverses approches et stratégies. Chang-Yeob Chu et al. ont étudié la conception de systèmes pour la recharge des voitures électriques, en tenant compte d’un large éventail de variations du coefficient de couplage dues aux désalignements de bobines. Koichiro Ishibashi et ses collègues ont proposé les caractéristiques radiofréquences des dispositifs de redressement pour la récupération d’énergie ambiante.

Mohamed Zied et al. ont examiné l’influence de la transmission d’énergie sans fil sur l’avenir de la guerre mondiale et ses implications sur le classement des nations par puissance militaire. L’étude a considéré deux facteurs : l’impact des sources d’énergie micro-ondes et l’effet de la distance sur l’atténuation. Ils ont exploré l’établissement de capteurs IdO alimentés par récupération d’énergie RF. Mohamed Zied et al. ont conclu que tous les paramètres fournissaient efficacement de l’énergie pour alimenter sans fil des ampoules LED de 5 W à des distances dépassant cinq mètres.

Nermeen A. Eltresy et al. ont étudié une antenne CPIFA pour récupérer l’énergie RF sur trois bandes de fréquences différentes : GSM 900, GSM 1800 et Wi-Fi 2400. Selon leur analyse, l’objectif de la conception d’un circuit d’adaptation est d’associer l’antenne proposée à un redresseur pour obtenir un transfert d’énergie maximal et une perte minimale. Ils ont récupéré avec succès une sortie de 624 mV à une puissance d’entrée de 0 dBm.

Diffa Pinto et al. ont évalué la performance et établi une relation entre les paramètres de procédé pour la récupération d’énergie et le nombre de circuits redresseurs. Ils ont développé un cadre pour un système de récupération d’énergie Wi-Fi basé sur un circuit multiplicateur de tension de redresseur Villard à 7 étages, analysé et simulé à l’aide d’Agilent Design Systems (ADS). La sortie du circuit multiplicateur est transmise à l’unité de gestion d’énergie (PMU). Avec l’augmentation des applications liées à la maison intelligente, à l’IdO, aux soins de santé intelligents et à la surveillance environnementale, la demande d’appareils électroniques à faible consommation a considérablement augmenté.

Cette solution garantit deux composants essentiels pour l’IdO dans les maisons intelligentes : une alimentation électrique fiable pour la recharge sans fil des batteries des appareils électroniques et l’auto-alimentation continue de tout capteur IdO utilisant l’énergie RF, en exploitant des signaux tels que le Wi-Fi, la 4G, le WiMax, la 5G ou toute radiofréquence ambiante. Cette technologie peut alimenter de nombreux appareils électroniques grâce aux systèmes de récupération intégrés et stationnaires de l’IdO. Cet aspect illustre l’efficacité de la récupération d’énergie sans fil dans les villes intelligentes, renforçant l’intelligence et la sécurité au quotidien. Le circuit redresseur convertit efficacement l’énergie RF reçue à l’aide de diodes Schottky, d’un circuit de gestion d’énergie et d’un filtre passe-bas, le tout directement connecté à l'appareil IdO.

Plus sur le transfert d’énergie sans fil

Pour plus d’informations sur le transfert d’énergie sans fil, consultez le livre de Mohamed Zied Chaari, Wireless Power Design  (Elektor 2025), dont est tiré cet article (chapitre 2). 

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