CN108135118A - 一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，包括介质基板、谐振电容和附着在介质基板上成周期性排布的谐振结构，谐振结构为方形的开口谐振环并用金属线连接的谐振线圈，谐振电容焊接在介质基板的背面并与谐振结构相连。通过对单元几何尺寸的设计和优化，使得超材料在无线输电工作频率附近具有等效的零磁导率的特性。当电磁波入射到零磁导率的超材料上时，电磁波会发生反射，从而对传输通道外的磁场具有很好的屏蔽作用，同时提升无线输电系统的传输效率。本发明中的针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，适用于解决目前令人关注的电动汽车无线充电技术中电磁辐射对人类及环境的影响问题。

Description

一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料
技术领域
本发明属于电磁领域，更具体地，涉及一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料。
背景技术
超材料是具有周期性或特定几何结构的亚波长尺度新型人工复合材料，通过其结构巧妙设计可以对电磁波和电磁场进行有效调控，突破传统材料的物理极限，从而实现单一的自然材料不能或很难实现的特异电磁性能，比如：负折射、超吸收、光学隐身等。
2007年以来，磁共振无线输电技术快速发展起来，其原理是磁场耦合谐振实现电能的无线传输，但是无线输电技术由于发射、接收线圈本身拓扑结构的限制，其产生的空间磁场出现衰减过快、分布不均匀，导致传输距离短、传输效率低等问题。其次基于无线输电技术电能传输过程中，电磁泄露引起的电磁污染、电磁干扰等问题日益凸显。
近来，无线输电技术受到了越来越广泛的关注，同时，该技术也被尝试应用于电动汽车以实现电动汽车的无线充电，相对于电动汽车的有线充电而言，无线充电具有使用方便、安全、可靠，降低人力成本以及节省空间等优点。尽管电动汽车无线充电技术受到了广泛的关注，也取得了很多进展，但是仍存在电磁辐射对人体和环境造成的影响问题。因此解决电动汽车的电磁辐射问题成为关注的焦点。传统的金属屏蔽材料，体积、重量较大、损耗高，不利于电动汽车无线耦合系统简便型与实用化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，由此解决传统金属屏蔽材料由于体积、重量较大以及损耗高而存在的不利于电动汽车无线耦合系统简便型与实用化的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，包括：多个阵列排布的子超材料单元，其中，每一个所述子超材料单元包括介质基板1、谐振电容3和附着在所述介质基板1上成周期性排布的谐振结构2；
所述谐振结构2为方形的开口谐振环并用金属线连接的谐振线圈；
所述谐振电容3在所述介质基板1的背面并与所述谐振结构2相连。
优选地，所述介质基板1为FR-4介质板，介电常数为4.2～4.6。
优选地，所述谐振结构2的线圈圈数为3圈～7圈，开口宽度为5mm～20mm，线间距为1mm～4mm，线宽为1mm～6mm。
优选地，所述谐振电容3为高压直插CBB电容。
优选地，所述谐振电容3的大小为1uf～1.4uf，以使所述屏蔽超材料在75KHz～90KHz磁导率为零。
优选地，所述金属线为铜线。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明中的针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，在75KHz～90KHz左右具有零磁导率，电动汽车无线充电技术的标准工作频率是85KHz，将该超材料放置在电动汽车两侧，电磁波发生发射，可以有效的屏蔽电磁辐射，并提升电动汽车的传输效率。
(2)本发明中的针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料电磁屏蔽特性强，体积小，厚度仅为2.0mm，能够利用PCB印刷技术进行加工，成本低廉，适合大批量低成本生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料的阵列式排布的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料的子超材料单元结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料的子超材料单元的尺寸示意图；
图4为本发明实施例提供的一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料的磁导率仿真效果示意图，其中，实线为实部曲线，虚线为虚部曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明针对电动汽车的电磁安全问题，提供了一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料。通过对超材料单元几何尺寸的设计和优化，使得超材料在无线输电工作频率附近具有等效的零磁导率的特性。当电磁波入射到零磁导率的超材料上时，电磁波会发生反射，从而对传输通道外的磁场具有很好的屏蔽作用，同时提升无线输电系统的传输效率。
在本发明实施例中，提供了一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，包括：多个阵列排布的子超材料单元，其中，每一个子超材料单元包括介质基板1、谐振电容3和附着在介质基板1上成周期性排布的谐振结构2；
谐振结构2为方形的开口谐振环并用金属线连接的谐振线圈；
谐振电容3在介质基板1的背面并与谐振结构2相连。
其中，介质基板1为FR-4介质板，介电常数为4.2～4.6。
其中，谐振结构2的线圈圈数为3圈～7圈，开口宽度为5mm～20mm，线间距为1mm～4mm，线宽为1mm～6mm。
其中，谐振电容3为高压直插CBB电容。
其中，谐振电容3的大小为1uf～1.4uf，以使屏蔽超材料在75KHz～90KHz磁导率为零。
其中，金属线为铜线，利用PCB印刷技术进行加工。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明的针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料是周期性排布的结构，使每个子超材料单元在70KHz～90KHz体现零磁导率的特性，排列成阵列式结构一起工作，如图1所示为本发明提供的零磁导率屏蔽超材料的阵列式排布的结构示意图。
本发明的针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料的超材料单元结构示意图，如图2所示，包括介质基板1、谐振电容3和附着在介质基板1上且成周期性排布的谐振结构2，谐振结构2为方形的开口谐振环并用金属线连接的谐振线圈，谐振结构2的线圈圈数为3圈～7圈，开口宽度为5mm～20mm，线间距为1mm～4mm，线宽为1mm～6mm。谐振电容3在介质基板1的背面并与谐振线圈相连，谐振电容3的大小为1uf～1.4uf。介质基板1为FR-4介质板，介电常数为4.2～4.6。
通过对子超材料单元几何尺寸进行设计和优化，包括谐振结构圈数，开口的宽度，线间距，线宽度，使得在工作频率附近超材料具有等效的零磁导率的特性。当电磁波入射到零磁导率的超材料上时，电磁波会发生反射，从而对传输通道外的磁场具有很好的屏蔽作用，并能够提升传输效率。
本发明提供的针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料的具体实施方式，谐振结构为方形的开口谐振环并用金属线连接的谐振线圈，介质基板为FR4介质基板，谐振电容为直插型高频贴片电容，在介质基板背面制作焊盘，谐振电容焊接在介质基板的背面焊盘上与谐振结构相连。
用CST(Computer Simulation Technology)Microwave Studio对本发明的实施例进行仿真，如图3所示，实施例1仿真时使用的技术参数为：铜线宽度w为4mm，线间距s为2mm，线圈圈数为6圈，开口间距g为10mm，基板为FR-4基板，介电常数为4.3，损耗角正切值为0.02，其厚度为2mm，超材料的尺寸为120mm×120mm，即L＝120mm，高压直插CBB电容的容值为1.2uf。该具体实施方式中的超材料在85KHz附近对应磁导率为零，且能够利用PCB印刷技术制作超材料，有利于该超材料大批量低成本生产。
实施例2仿真时使用的技术参数为：铜线宽度w为1mm，线间距s为1mm，线圈圈数为7圈，开口间距g为5mm，基板为FR-4基板，介电常数为4.2，损耗角正切值为0.02，其厚度为2mm，超材料的尺寸为120mm×120mm，即L＝120mm，高压直插CBB电容的容值为1uf。该具体实施方式中的超材料在85KHz附近对应磁导率为零，且能够利用PCB印刷技术制作超材料，有利于该超材料大批量低成本生产。
实施例3仿真时使用的技术参数为：铜线宽度w为6mm，线间距s为4mm，线圈圈数为3圈，开口间距g为20mm，基板为FR-4基板，介电常数为4.6，损耗角正切值为0.02，其厚度为2mm，超材料的尺寸为120mm×120mm，即L＝120mm，高压直插CBB电容的容值为1.4uf。该具体实施方式中的超材料在85KHz附近对应磁导率为零，且能够利用PCB印刷技术制作超材料，有利于该超材料大批量低成本生产。
实施例4仿真时使用的技术参数为：铜线宽度w为1mm，线间距s为4mm，线圈圈数为7圈，开口间距g为5mm，基板为FR-4基板，介电常数为4.2，损耗角正切值为0.02，其厚度为2mm，超材料的尺寸为120mm×120mm，即L＝120mm，高压直插CBB电容的容值为1.4uf。该具体实施方式中的超材料在85KHz附近对应磁导率为零，且能够利用PCB印刷技术制作超材料，有利于该超材料大批量低成本生产。
实施例5仿真时使用的技术参数为：铜线宽度w为6mm，线间距s为1mm，线圈圈数为3圈，开口间距g为5mm，基板为FR-4基板，介电常数为4.6，损耗角正切值为0.02，其厚度为2mm，超材料的尺寸为120mm×120mm，即L＝120mm，高压直插CBB电容的容值为1uf。该具体实施方式中的超材料在85KHz附近对应磁导率为零，且能够利用PCB印刷技术制作超材料，有利于该超材料大批量低成本生产。
在电磁仿真时，设置入射电磁波为平面波，边界条件为电边界(PEC)和磁边界(PMC)，获得超材料在电磁波照射下的S参数，高度亚波长条件下，采用反演法可计算如图4所示的超材料的等效磁导率值，其中，实线为实部曲线，虚线为虚部曲线。由图4可知磁导率关于频率的电磁响应曲线，对应在频率为70KHz～90KHz附近时，可以实现磁导率为0，实现了电动汽车标准频率85KHz处取得零磁导率的特异电磁性质，从而解决电磁安全问题和传输效率问题。
本领域的技术人员容易理解，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 (6)

1.一种针对电动汽车无线充电的零磁导率的屏蔽超材料，其特征在于，包括：多个阵列排布的子超材料单元，其中，每一个所述子超材料单元包括介质基板(1)、谐振电容(3)和附着在所述介质基板(1)上成周期性排布的谐振结构(2)；
所述谐振结构(2)为方形的开口谐振环并用金属线连接的谐振线圈；
所述谐振电容(3)在所述介质基板(1)的背面并与所述谐振结构(2)相连。
2.根据权利要求1所述的屏蔽超材料，其特征在于，所述介质基板(1)为FR-4介质板，介电常数为4.2～4.6。
3.根据权利要求1所述的屏蔽超材料，其特征在于，所述谐振结构(2)的线圈圈数为3圈～7圈，开口宽度为5mm～20mm，线间距为1mm～4mm，线宽为1mm～6mm。
4.根据权利要求2或3所述的屏蔽超材料，其特征在于，所述谐振电容(3)为高压直插CBB电容。
5.根据权利要求4所述的屏蔽超材料，其特征在于，所述谐振电容(3)的大小为1uf～1.4uf，以使所述屏蔽超材料在75KHz～90KHz磁导率为零。
6.根据权利要求1所述的屏蔽超材料，其特征在于，所述金属线为铜线。
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