CN105405622A - 一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，包括相互耦合的发射模块和接收模块以及两块屏蔽盖板。本发明采用屏蔽盖板对变压器的背部漏磁起到良好的屏蔽作用，屏蔽盖板内的导磁磁芯结构能够引导背部漏磁的流向，提高原副边的耦合系数，同时减少盖板上的损耗，提高整体装置的效率；同时，本发明变压器采用多股利兹线并联形成线圈能减少变压器的线圈损耗，条状磁芯能减少变压器重量和提高原副边耦合系数，绝缘板便于固定磁芯和线圈。由此，本发明变压器装置屏蔽性能好，简易牢固，原副边耦合特性高，整体效率高，非常适用于电动汽车的无线充电。

Description

一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，具体涉及一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置。

背景技术

目前市场上，电动汽车的充电方式主要采用接触式，即采用导线将充电设备与电动汽车直接接触充电。采用接触式充电，主要存在安全性能低，操作不便，对环境适应能力差的特点，而采用无线充电的方式能够克服接触式存在的问题。由于无线充电技术不需要物理线路的连接，因此相比于普通的接触式充电系统具有更高的安全系数，更加适用于严苛的充电环境，如矿场作业，雨雪天气等。电动汽车在节能环保的大环境下具有更好的应用前景，但是储能密度不高，电池体积过大一直限制电动汽车的发展。应用无线充电技术可以减小电池体积，同时提供方便、安全的充电环境。

决定无线充电系统效率的主要因素是松散耦合变压器，因此需要合适的方法来优化变压器的结构特性以及电路参数特性，达到系统效率的最优化。由于体积、空间的限制，松散耦合变压器一般采用平面结构；如图1所示的螺线管结构装置是一种适合汽车无线充电的变压器结构，这种结构的优点是发射、接收线圈耦合性能好，偏移条件下传输的功率更多，一般主要分成线圈和磁芯两部分，磁芯是为了引导更多的发射端磁场耦合到接收端，增强发射、接收线圈的耦合；但是从线圈周围的磁场分布来看，主要的问题是螺线管背部漏磁大，导致电磁辐射严重。

为了减少电磁辐射问题，需要增加屏蔽装置。目前主要存在的屏蔽方案是在发射、接收装置背部增加金属板。通常金属板的材料是铝或者铜，从经济和系统重量的角度出发，一般采用铝金属。金属板由于对电磁场有屏蔽作用，因此能够削弱大部分电磁辐射问题，但是由于在无线充电系统工作时，金属板中存在涡流，因此损耗大，并且金属板主要的作用是抵消背部漏磁，因此一般情况没有考虑利用背部漏磁，导致整个变压器性能不高。因背部漏磁是整个磁场分布重要组成部分，如果仅通过金属板装置吸收，就会使得整体的耦合性能下降，并且辐射问题相对严重。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，从利用背部漏磁的角度出发，本发明提供了一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，具有提升发射接收装置的耦合性能的作用，因此发射、接收耦合特性高，屏蔽性能好，简易牢固，整体效率高。

一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，包括相互耦合的发射模块和接收模块以及两块屏蔽盖板；其中，发射模块置于地表，接收模块置于车体底盘；所述的发射模块和接收模块均嵌套于对应的屏蔽盖板内；所述的屏蔽盖板内面两侧及其对应两边盖沿内侧均贴有导磁磁芯，所述的导磁磁芯用于引导发射模块的部分背部漏磁耦合至接收模块，增强发射接收模块之间的耦合性能，并且减少屏蔽板损耗。

所述的发射模块和接收模块均由一磁芯以及绕置于磁芯上的线圈组成，所述线圈的中心线与对应屏蔽盖板内的导磁磁芯垂直。

进一步地，所述屏蔽盖板内的导磁磁芯由多片条形磁芯整体拼接而成，用于增强变压器的耦合系数，减少屏蔽盖板上的损耗。

进一步地，所述发射模块或接收模块的磁芯由两块绝缘板以及粘接于两块绝缘板之间的多排磁芯组构成，每排磁芯组由多片条形磁芯首尾拼接而成。

进一步地，所述的线圈由至少两股利兹线并联而成，线圈的并联匝数根据电流和功率而定。

进一步地，所述的屏蔽盖板采用金属材料，优选采用铝板。

进一步地，所述发射模块、接收模块以及屏蔽盖板所采用的条形磁芯均由铁氧体材料构成。

进一步地，所述的屏蔽盖板内面两侧开有用于放置导磁磁芯的导槽，以使导磁磁芯贴合后与屏蔽盖板内面齐平。

本发明采用屏蔽盖板对变压器的背部漏磁起到良好的屏蔽作用，屏蔽盖板内的导磁磁芯结构能够引导背部漏磁的流向，提高原副边的耦合系数，同时减少盖板上的损耗，提高整体装置的效率；同时，本发明变压器采用多股利兹线并联形成线圈能减少变压器的线圈损耗，条状磁芯能减少变压器重量和提高原副边耦合系数，绝缘板便于固定磁芯和线圈。由此，本发明变压器装置屏蔽性能好，简易牢固，原副边耦合特性高，整体效率高，非常适用于电动汽车的无线充电。

附图说明

图1为通电螺线管发射线圈和接收线圈的磁力线示意图。

图2为本发明变压器装置的结构示意图。

图3为本发明发射及接收装置内部磁芯和绝缘板的结构示意图。

图4为本发明屏蔽装置屏蔽和引导磁场的原理示意图。

图5为本发明屏蔽装置铝板的剖视图。

图6为本发明屏蔽装置的俯视图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

如图2所示，本发明电动汽车无线充电松散耦合变压器，包括发射端铝板132、发射端引导磁芯131、发射端绝缘板140、发射端磁芯120、发射端线圈110、接收端铝板230、接收端线圈210、接收端磁芯220、接收端绝缘板240。发射、接收装置由导线缠绕磁芯而成，尤其地，在本实施例中，发射端线圈110、接收端线圈210缠绕的中心线方向与发射端磁芯120、接收端磁芯220方向一致。发射端绝缘板140和接收端绝缘板240由塑料或木板绝缘材料构成，用于固定内部磁芯120、磁芯220和电气绝缘。屏蔽装置由发射端铝板132、接收端铝板230和发射端引导磁芯131构成，用于漏磁场屏蔽和引导，增大耦合系数。

电动汽车无线充电装置一般分为发射和接收装置。发射装置一般置于地表下面，接收装置一般置于汽车底盘处。发射线圈通入频率为20kHz～100kHz的交流电流情况下，周围产生磁场，将电信号转化为磁信号。根据电磁感应原理，发射装置产生的交流磁场信号耦合到接收线圈时，接收线圈感应出交流电压，将磁信号转化为电信号。图1为通电螺线管发射线圈和接收线圈磁力线示意图。当发射线圈内部放入高磁导率的磁芯时，线圈产生的磁场主要通过磁芯发散到外界环境中。接收线圈内部的磁芯能够起到磁短路的作用，提高发射接收线圈的耦合特性。

在本实施例中，为了使发射、接收装置重量和成本减少，发射、接收装置内部磁芯采用条状磁芯拼接而成。图3中发射端磁芯120由4条磁芯组构成，每一个磁芯组由5个条状磁芯构成。在实际应用中，通常根据选用的条状磁芯尺寸和发射、接收装置的尺寸决定磁芯的数量。另外，在发射端磁芯120底面与发射端绝缘板140接触的边界可用热熔胶固定磁芯位置。

当高频电流在导体中通过时，由于集肤效应的影响，电流会趋向于在导体表面流过，使得电阻增大，导线上的损耗增加，热量相应增加。减轻集肤效应最简单的方法之一就是采用利兹线作为线圈导线。利兹线是采用多股细线并绕并且用丝包裹的一类导线。由于导线直径小，集肤效应的影响相应减少。在本实施例中，为了进一步减少发射端线圈110和接收端线圈210的损耗，采用多股利兹线并联的方式。

当电动汽车无线充电装置工作时，由于发射、接收装置之间的耦合系数较低，发射装置产生的磁场有一部分会发散到周围环境中。这部分漏磁场首先会对无线充电系统中的电路部分以及汽车内部的电子设备造成电磁干扰，严重的情况下会造成整个系统的损坏，使其不能正常工作。另外，漏磁场对周围经过汽车的行人以及汽车内部的驾乘人员产生影响。因此对漏磁场进行屏蔽非常必要。

对于高频磁场屏蔽，一般采用高电导率的金属材料，如铝、铜等。从成本和重量方面考虑，一般采用铝金属作为屏蔽材料。通电螺线管的磁场分布除如图1所示相互耦合的磁场部分外，背部漏磁占很大的比例。图4为屏蔽装置屏蔽和引导磁场原理示意图。发射端磁芯120产生的背部漏磁一部分通过发射端铝板132屏蔽。产生屏蔽效果的原因主要是高频交流磁场通过铝板时，由于电磁感应原理，铝板内部感应产生电流，即内部涡流。根据安培定律，内部涡流产生与漏磁方向相反的磁场，这部分磁场抵消部分背部漏磁场。铝板的电导率相对较高，产生的涡流磁场较大，因此屏蔽效果良好。但是由于铝板中涡流存在，无线充电系统工作时，铝板内部产生损耗和热量。

在本实施例中，原边屏蔽装置由原边铝板132和原边引导磁芯131构成。如图4所示，引导磁芯131主要由水平磁芯和竖直磁芯两部分构成。引导磁芯131的作用是改变一部分背部漏磁传输方向，引导该部分磁场向上传递，使得更多发射装置产生的磁场耦合到接收装置。引导部分漏磁到接收装置能够使得铝板132上的损耗减少，同时增大发射、接收装置之间的耦合系数，提高系统的整体传输能力。在图5中，槽型铝板132内底部的左右两端分别开一个槽，用于放置和固定引导磁芯。在图6中，发射端引导磁芯131由薄状条形磁芯拼接而成。磁芯材料为磁导率很高的铁氧体材料。发射端铝板132内部槽型尺寸由所选条形磁芯和传输的功率等级决定。传输功率等级较高，则相应增大槽的宽度。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，包括相互耦合的发射模块和接收模块以及两块屏蔽盖板；其中，发射模块置于地表，接收模块置于车体底盘；其特征在于：所述的发射模块和接收模块均嵌套于对应的屏蔽盖板内；所述的屏蔽盖板内面两侧及其对应两边盖沿内侧均贴有导磁磁芯，所述的导磁磁芯用于引导发射模块的部分背部漏磁耦合至接收模块；

所述的发射模块和接收模块均由一磁芯以及绕置于磁芯上的线圈组成，所述线圈的中心线与对应屏蔽盖板内的导磁磁芯垂直。

2.根据权利要求1所述的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述屏蔽盖板内的导磁磁芯由多片条形磁芯整体拼接而成。

3.根据权利要求2所述的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述发射模块或接收模块的磁芯由两块绝缘板以及粘接于两块绝缘板之间的多排磁芯组构成，每排磁芯组由多片条形磁芯首尾拼接而成。

4.根据权利要求1所述的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述的线圈由至少两股利兹线并联而成。

5.根据权利要求1所述的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述的屏蔽盖板采用铝板。

6.根据权利要求3所述的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述发射模块、接收模块以及屏蔽盖板所采用的条形磁芯均由铁氧体材料构成。

7.根据权利要求1所述的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述的屏蔽盖板内面两侧开有用于放置导磁磁芯的导槽，以使导磁磁芯贴合后与屏蔽盖板内面齐平。