CN108063044B - 一种无线充电线圈和无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电动汽车的无线充电系统线圈结构，该无线充电线圈包括结构对称的发射线圈Tx和接收线圈Rx两部分。发射线圈模组包括用于发射的线圈层、发射线圈的聚磁线盘结构、发射线圈的磁基板层和发射线圈的磁屏蔽层。同样接收线圈也包括了用于接收的线圈层，接收线圈的聚磁线盘结构、接收线圈的磁基板层和接收线圈的磁屏蔽层。两线圈采用对称结构，用于无线地面的发射端线圈Tx与安装车载端的接收线圈Rx可以完全互换，同时对称线圈结构的磁场耦合程度较高，可以保证电能传输的高效率，同时屏蔽性能好，简易牢固，适应于电动汽车无线充电领域。

Description

一种无线充电线圈和无线充电系统

技术领域

本发明涉及电动汽车的无线充电技术领域，具体涉及一种线圈中增加聚磁线盘和磁屏蔽层的无线充电线圈结构和无线充电系统。

背景技术

电动汽车储能系统通常通过220V交流电直接接入或通过电池充电装置进行充电。其实现需要连接到电力充电站的电缆及其连接器。在实际操作中具有不方便性，同时因为接触式充电其安全性低，对于环境要求高。电动汽车无线充电，是由一个发射线圈Tx和接收线圈Rx组成的装置来对电动汽车的电池进行充电。发射线圈Tx连接到停车位充电站，接收线圈Rx安装固定在汽车底盘上。由于其不需要物理线路的连接，因此相较于有线充电系统具有较高的安全系数。别外可以通过地下铺设发射线圈，电动汽车无线充电可在停车场或者在道路上均可以实现对于电动汽车的充电需求。

现有的无线充电目前主要采用的方法是通过一对耦合线圈进行传输，常见的线圈结构有圆形线圈、矩形线圈、椭圆形线圈及螺线管型线圈等结构。现有的线圈结构存在的问题是传输效率低，两线圈的互操性差，且普遍存在着漏磁大，耦合程度低等问题。同时大多数线圈结构采用是圆形利兹线，由于圆形利兹线内阻较大造成系统在电能传输时发热大而影响到无线电能传输效率的问题。

对于电动汽车无线充电系统的发射线圈和接收线圈，终端用户期望线圈结构可以实现互换互操作，同时要求实现无线电能传输的效率最大化。由此，本发明提供的一种用于电动汽车的无线充电线圈以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少系统漏磁、提高系统传输效率、可以完全实现线圈的互换互操作的无线充电线圈和无线充电系统。

本发明的目的可通过如下技术方案来实现：

一种无线充电线圈，包括依次固定的聚磁线盘、线圈、磁基板和屏蔽层；所述聚磁线盘包括绝缘基板和薄板铁氧体；所述绝缘基板上设有间隔设置的绕线凹槽和间隔导槽，所述线圈绕制在绕线凹槽中，所述薄板铁氧体嵌入间隔导槽中。

进一步地，所述绕线凹槽为“回”字形结构，截面为矩形，所述线圈与所述绕线凹槽形状、尺寸匹配。

进一步地，所述线圈由矩形利兹线制成。

进一步地，所述薄板铁氧体为条形状，所述间隔导槽截面为矩形。

进一步地，所述磁基板包括底板、铁氧体板和下表面板，所述底板覆盖线圈和聚磁线盘上表面，起密封保护作用；所述底板四周做成唇边结构使其整体形成凹槽用于安装放置所述铁氧体板，所述下表面板覆盖所述铁氧体板。

进一步地，所述磁基板中的铁氧体板由多块薄板状铁氧体拼接构成。

进一步地，所述屏蔽层为四边带有翻边的铝板，所述铝板将聚磁板和磁基板包裹在内。

一种无线充电系统，包括发射线圈和接收线圈，所述发射线圈和接收线圈采用前述无线充电线圈结构，所述发射线圈和接收线圈结构及性能参数完全相同，可互换使用。

本发明的有益效果是：聚磁线盘的结构简单，方便加工，线圈安装制作方便，可以有效地降低线圈背部的漏磁损耗，具有较好的磁场屏蔽作用，减少线圈电磁耦合漏磁对于线圈周围设备造成的影响，使车载端接收线圈产生的漏磁场有一个较低的值，因此减少接收线圈漏磁磁场对于汽车车身产生的热量影响。

发射线圈和接收线圈结构对称，结构及性能参数完全相同，可互换使用，在安装时线圈部分不需要区隔标识，完全互换使用，从而简化生产及降低系统成本。

由于线圈采用矩形利兹线，其上线圈的上表面为一平面，这样保证线圈与磁基板间不存在大的空隙情况，提高到发射线圈与接收线圈有效的互感距离，从而解决电动汽车底盘过高导致无线传输效率低的问题。

附图说明

图1为电动汽车无线充电系统示意图。

图2为无线充电系统充电原理图。

图3为本发明对称结构的发射线圈和接收线圈示意图。

图4为无线充电线圈结构的爆炸装配图；

图5a为聚磁线盘俯视图；

图5b为聚磁线盘剖视图；

图5c为聚磁线盘工作原理示意图。

图6是矩形利兹线示意图。

图7为本发明磁基板铁氧体排布示意图。

图8 为本发明无线充电线圈结构剖视图。

图9a为未采用四边翻边的屏蔽铝板在线圈通电后产生磁场的示意图；

图9b为本发明采用四边翻边的屏蔽铝板在线圈通电后产生磁场的示意图。

图10为线圈结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述到本发明的线圈结构，下面结合附图及具体实施方式对于一种用于电动汽车的无线充电线圈的技术方案进行详细说明。

图1所示是电动汽车对称线圈结构的无线充电系统。该系统由充电站2和感应线圈组成。感应线圈包括发射线圈3和接收线圈4，其特点是发射线圈3和接收线圈4结构对称，在安装时线圈部分不需要区隔标识，其两端的性能参数相同。发射线圈3和充电站2于地面端相连；接收线圈安装在电动汽车5车身底部。接收线圈4安装在电动汽车上随车移动到与发射线圈对齐，以达到最大传能量输效率。充电站2直连接到民用交流电源7。

图2更加详细描述了无线充电系统工作原理。将充电站2连接到交流电源7，即电网，其电压为交流220V 50Hz或240V 60Hz。充电站2的功能是把输入交流电转换成频率可变电压幅值可调的电压源，该电压源给发射线圈3供电，发射线圈3周围产生磁场。根据电磁感应原理，发射线圈3产生到的交流磁场信号耦合到接收线圈4，该磁场在车载接收线圈4上感应出一个电流，感应电流经电气设备8处理后输出电压，该输出电压连接车载充电机9，进而给电动汽车电池充电。

图3说明的是发射线圈3和接收线圈4的对称结构的方案。两线圈结构及性能参数完全相同，在安装使用中可以完全互换使用，从而简化生产及降低系统成本。

在本实施例中，发射线圈3的详细组成部分如图4所示，包括依次固定的聚磁线盘7、线圈10、磁基板11、铝屏蔽板12。所述的聚磁线盘7包括了绝缘基板21、薄板铁氧体22。绝缘基板21上设有绕线凹槽，线圈绕制在绕线凹槽中。在本实施例中，所述的绕线凹槽为“回”字形结构，截面为矩形，如图5a、图5b所示。聚磁线盘设置绕线凹槽结构，可以方便线圈的绕制作业需求，减少线圈制作难度，同时可以保证线圈制作参数的一致性。而矩形形状结构的凹槽可以方便机加工及模具成型需求。绝缘基板21上还设有间隔导槽，多片薄板铁氧体22嵌入间隔导槽中。

图5b所示为聚磁线盘7剖视图，绝缘基板21材料为高强度塑胶件，其成型方法可以采用注塑成型工艺或机加工工艺。再将薄板铁氧体22嵌入绝缘基板的间隔导槽中。绕线凹槽和间隔导槽间隔设置，使得线圈两侧均设有薄板铁氧体22，薄板铁氧体22可以引导线圈的磁场沿着薄板铁氧体流动，因此可以减少磁场的分散，进而达到聚磁功能、提高耦合程度。图5c为薄板铁氧体影响磁场流动示意图，线圈产生的磁场优先通过薄板铁氧体的方向。这样减少漏磁的产生，并增大线圈的电感，进一步提高无线充电系统的电能传输的效率。此外，嵌入于聚磁线盘中的薄板铁氧体为条形状，同时聚磁线盘中的间隔导槽也为矩形，此结构形状相对于圆环状更能方便的实现，从而减少制作加工的复杂程度。

无线充电线圈由于在高频电流工作，线圈的导体为了减少集肤效应的影响，采用利兹线为线圈导线。无线充电线圈的制作中，线圈10的利兹线沿着聚磁线盘所开的凹槽螺旋绕制，之前的线圈制作时利兹线绕制为紧靠在一起，存在着邻近效应问题。在本实施例中，利兹线之间设有一定的间隔距离如图10所示，可以减少邻近效应对于发射线圈3和接收线圈4的损耗影响，同时可以提高线圈的耐压值，进一步增加无线充电线圈之间的互感距离，同时此制作方法可以简化了生产工艺，提高生产率。

利兹线是采用多股细线绕制成矩形截面并用丝包线增加利兹线本身的品质因数。原来的技术是用通用的圆型利兹线线绕制，矩形利兹线与圆形利兹线相比具有高填充系数，低阻抗的特点，可以减少利兹线本身发热的损耗，进一步提高无线充电系统电能的传输效率。矩形利兹线结构在应用中可以承受较高的机械拉伸，可以保证在线圈绕制过程的一致的绕线和布线性能，具有更长的弯折寿命，在加工制作过程中可以提供最佳应力保护且相对圆形利兹线尺寸稳定。

矩形利兹线制作过程是先将多股细的铜线进行换位合成一股漆包线，再将多股已换位合成的漆包线绞合在一起，并利用四面压轮对于绞合线实施压方作业，在压方后的绞合线外包裹尼龙丝等绝缘材料，形成截面为矩形的利兹线。本发明一实施例中，矩形利兹线如图6所示，此为矩形利兹线截面示意图，先将多股细铜线换位绞合压方为矩形，再将6股换位绞合再压方成矩形。本发明采用的矩形利兹线形状、尺寸适合绕线凹槽的线圈，并且各圈导线在同一平面上，线圈上表面就不会高出聚磁线盘板材的上表面。磁基板的底板23盖住线圈和聚磁线盘7的上表面，起密封保护作用。

磁基板的底板23上表面依次放置铁氧体板24和下表面板25。在磁基板的底板23四周做成唇边结构使其整体形成凹槽用于安装放置铁氧体板24。底板23和下表面板25为绝缘材料。磁基板11中的铁氧体板的排布可以是多种多样的，可以是矩形排布，可以圆形状，还可以是其他形状，最主要减少漏磁的产生。基于当前工艺技术无法生产大块面积的铁氧体，同时大块的铁氧体也不利于运输作业之需求，如图7所示本实施例中铁氧体板由多块薄板状铁氧体拼接构成，此铁氧体板的排布保证导磁通路是连续的，进一步减少漏磁对于无线充电系统的影响。

针对现有的电动汽车无线充电技术中存在的背部漏磁问题，本发明所述的磁屏蔽层采用金属材料进行屏蔽漏磁。对于电动汽车无充电的行业及相关国际相关组织的规定为无线充电的工作频率85KHz,此为高频。对于高频磁场屏蔽需要选用高导率的材料。终端用户对于无线充电设备希望尺寸小、重量轻且电能传输效率高，价格便宜的特点，结合以上考虑点选用铝材质作屏蔽材料。铝板的电导率相对较高，因此其磁屏蔽性能较好。

在本实施例中，屏蔽层为四边带有翻边的铝板12，如图8所示，铝板12将聚磁板7和磁基板11包裹在内。铝板作为屏蔽材料，其屏蔽原理是高频交流磁场通过铝板时，由于电感感应原理，铝板内部感应产生电流，并在铝板内产生内部涡流，根据安培定律，铝板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漏磁场。选用铝材质是基于铝材质的电导率相对较高，产生的涡流磁场较大，这样可以抵消到的漏磁场相对就多，所以屏蔽性能就好。但是在无线充电系统充电时，铝板本身会产生损耗和热量，所以铝板的厚度尽量厚并且面积要较大于线圈，有利于系统的散热。

图9a和图9b分别显示的是未采用和采用四边翻边的屏蔽铝板12在线圈10通电后产生磁场的示意图。明显可看出，图9b中带有四边翻边的屏蔽铝板12结构可以减少漏磁的产生，进一步将磁力线向线圈中心收拢，解决了线圈侧边漏磁辐射问题，从而进一步提高无线充电系统的两线圈之间的耦合程度，提高电能传输的效率。

在发射线圈通入高频率的交流电流情况下，发射线圈周围会产生磁场，所述的磁基板和聚磁线盘中的铁氧体对于发射线圈产生的磁场起引导磁场方向作用，避免磁场发散到外界环境中。

对于接收线圈，所述的磁基板和聚磁线盘中的铁氧体能够起到磁短路功能，进一步提高发射线圈和接收线圈的耦合系数。

线圈和磁基板从上向下叠加固定，由于线圈采用矩形利兹线，其上线圈的上表面为一平面，这样保证线圈与磁基板间不存在大的空隙情况，提高到发射线圈与接收线圈有效的互感距离，从而解决电动汽车底盘过高的问题。

上述的这一发明的用于电动汽车无线充电线圈结构形式和各组成部分的结构已经得到了详细地说明， 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线充电线圈，其特征在于，包括依次固定的聚磁线盘、线圈、磁基板和屏蔽层；所述聚磁线盘包括绝缘基板和薄板铁氧体；所述绝缘基板上设有间隔设置的绕线凹槽和间隔导槽，所述线圈绕制在绕线凹槽中，所述薄板铁氧体嵌入间隔导槽中；

所述线圈由矩形利兹线制成，所述矩形利兹线沿着所述聚磁线盘所开的所述绕线凹槽绕制，所述矩形利兹线之间设有一定的间隔距离，各圈所述矩形利兹线的上表面为同一平面；

所述绕线凹槽和所述间隔导槽间隔设置，使得所述线圈两侧均设有所述薄板铁氧体。

2.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈，其特征在于，所述绕线凹槽为

“回”字形结构，截面为矩形，所述线圈与所述绕线凹槽形状、尺寸匹配。

3.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈，其特征在于，所述薄板铁氧体为条形状，所述间隔导槽截面为矩形。

4.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈，其特征在于，所述磁基板包括底板、铁氧体板和下表面板，所述底板覆盖线圈和聚磁线盘上表面，起密封保护作用；所述底板四周做成唇边结构使其整体形成凹槽用于安装放置所述铁氧体板，所述下表面板覆盖所述铁氧体板。

5.根据权利要求4所述的一种无线充电线圈，其特征在于，所述磁基板中的铁氧体板由多块薄板状铁氧体拼接构成。

6.根据权利要求1所述的一种无线充电线圈，其特征在于，所述屏蔽层为四边带有翻边的铝板，所述铝板将聚磁板和磁基板包裹在内。

7.一种无线充电系统，包括发射线圈和接收线圈，其特征在于，所述发射线圈和接收线圈采用如权利要求1-6任意一项所述无线充电线圈结构，所述发射线圈和接收线圈结构及性能参数完全相同，可互换使用。