ANFR : La recharge électrique : l’autre front du « sans fil »!

La recharge électrique : l’autre front du « sans fil »

Conceptualisée dès le XIXe siècle, la transmission d’énergie sans fil (Wireless Power transmission dite WPT) est en passe aujourd’hui de se banaliser. Les chargeurs sans fil se répandent, pour les smartphones comme pour les objets connectés, montres ou écouteurs Bluetooth. Mais, dans notre quotidien, les équipements à recharger prolifèrent encore plus vite : au-delà des smartphones et de l’électronique domestique grand public, les véhicules, les appareils électro-ménagers, les équipements industriels ou médicaux fonctionnement eux aussi de plus en plus sur batterie. Le WiFi a fait disparaître les câbles Ethernet ; les batteries ont aboli les fils électriques ; reste désormais à éradiquer un dernier fil : celui qui relie, quelques heures par jour, ces objets à… leur chargeur !

En quoi consiste le transfert d’énergie sans fil?
Le transfert d’énergie sans fil regroupe un arsenal de technologies qui permettent de faire passer suffisamment d’énergie à travers des ondes électromagnétiques. Champ proche ou lointain, avec ou sans utilisation de faisceaux, couplage inductif ou capacitif, résonance magnétique, magnétodynamique, micro-ondes, voire ondes lumineuses… L’idée commune à tous ces procédés consiste à coupler un émetteur, capable de convertir de l’énergie en ondes, à un récepteur, qui les capte pour en faire du courant – et alimente alors la batterie. Le système doit aussi transmettre l’information nécessaire pour bien réguler ce transfert d’énergie. L’information peut utiliser les mêmes fréquences que celles qui transmettent l’énergie ou passer par un autre canal, par exemple via le Bluetooth.

Deux technologies dominent aujourd’hui le transfert d’énergie :

Le couplage inductif, qui fonctionne à très courte distance et sans focalisation : il est largement utilisé pour les appareils grand public, et notamment pour la recharge des smartphones. Une bobine primaire et une bobine secondaire sont simplement couplées par induction électromagnétique. La difficulté avec ce procédé est que rendement de la transmission d’énergie s’effondre lorsque la distance entre les bobines augmente.
La résonance magnétique, qui permet des distances plus grandes. Cette technique repose sur une bobine et un condensateur qui fait office de résonateur. L’énergie électrique est transmise par résonance électromagnétique entre la bobine de l’émetteur et celle du récepteur. Ce procédé s’accommode ainsi de plus grandes distances. Le couplage magnétique entre les deux bobines peut en effet être faible, à condition que les fréquences de résonance se correspondent entre les deux bobines. Cette technique donne donc plus de souplesse quant à la disposition entre le chargeur et l’appareil à charger. C’est pourquoi les prototypes pour véhicules électriques la privilégient.

En termes de fréquences, les WPT dits génériques (hors véhicules électriques) se situent toujours dans des bandes de fréquences inférieures à 30 MHz. Pour les WPT destinés aux véhicules électriques (dits WPT –EV), seule la portion 79-90 kHz est prise en compte en Europe.
Une variété d’applications presque illimitée
Le système WPT peut s’appliquer à tout appareil électrique comportant des batteries. Deux grandes familles sont distinguées, entre WPT dédiés aux véhicules électriques (WPT-EV) et tous les autres (WPT génériques).

WPT génériques

Applications électronique grand public

• De faible puissance (inférieure à 15 W) : c’est ici que se trouvent les chargeurs de smartphone, mais aussi la plupart des appareils électroniques à faible consommation.
• De moyenne puissance (entre 30 et 800 W) : ils sont adaptés aux outils électriques portatifs, des tondeuses à gazon aux vélos électriques, en passant par les drones.
• De haute puissance (jusqu’à 2400 W), car des grille-pain ou des machines à café sans fil sont en effet en projet !

Applications industrielles de haute puissance inférieure à 50 kW : cet usage convient par exemple à la recharge permanente d’un robot se déplaçant dans un environnement industriel le long d’une route prédéfinie.

Applications médicales

• De faible puissance (inférieure à 0,5 mW) : le principal usage est celui des neuromodulateurs, destinés à réguler le fonctionnement de certains neurones.
• La seconde classe, plus puissante, correspond à tous les autres dispositifs médicaux implantables, comme les implants auditifs.

WPT-EV

• De moyenne puissance (inférieure à 22 kW) : pour les voitures particulières de tourisme.
• Et de haute puissance (jusqu’à 200 kW) : par exemple pour des autobus ou des camions.

Vers un cadre réglementaire adapté
Étant donné l’extrême diversité des appareils à recharger, ces chargeurs sans fil seront bientôt des millions voir des dizaines de millions en France. En outre, chaque recharge suppose des heures, voire des dizaines d’heures d’utilisation… Tous ces chargeurs vont donc bientôt occuper en permanence la ressource spectrale qui leur est associée ! Le transfert d’énergie sans fil ne passera donc pas inaperçu dans le monde des fréquences, par ses émissions intentionnelles ou parasites.
En Europe ces appareils sont considérés comme des appareils à faible portée et sont donc couverts, pour leur mise sur le marché, par la directive européenne des équipements radioélectriques (Directive 2014/53/UE dite RED). Le sujet est aussi examiné par l’industrie sous l’angle de la compatibilité électromagnétique (CEM). La mise sur le marché serait alors couverte par la directive européenne concernant la compatibilité électromagnétique (Directive 2014/30/UE dite EMCD). 
L’ANFR est donc aujourd’hui engagée dans le processus de règlementation à la CEPT et le suivi de certains travaux normatifs, dont ceux de l’institut européen de normalisation des télécommunications (ETSI) et ceux de la commission électrotechnique internationale (IEC).  Cet engagement se révèle en effet indispensable pour assurer une cohérence entre le cadre réglementaire définissant les conditions d’utilisation des fréquences et les normes applicables aux équipements radioélectriques.