CN108831701A - 用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构，相对于平面薄饼均匀式磁芯，采用扇形三段非均匀式磁芯结构，其包括8个相同的磁芯扇片，每相邻扇片夹角为9度，每个扇片为一个六边形在三维空间中围绕Z轴旋转36度而成的立体形状，所述六边形由上边、左边、左下边、下边、右下边、右边依次连接而成，其中上边和下边平行，左边和右边平行。该磁芯针对磁谐振式电动汽车无线充电系统谐振线圈耦合系数较小、磁场泄露较大以及体积较重的特点，由有限元仿真软件优化分析所得，既能实现无线充电系统在传输距离一定时同时具备高耦合系数以及较好鲁棒性的目标；同时海能满足实际电动汽车对充电装置体积和重量的严格限制。

Description

用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构

技术领域

本发明涉及磁谐振式电动汽车无线充电领域，具体是一种用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术自2007年被MIT科学家首次提出后，由于其在体内医疗植入设备、便携式移动设备、电动汽车无线充电等领域具有巨大的市场潜力，得到了迅速地发展。

近年来，越来越多的科研人员将研究目光集中在磁谐振式电动汽车无线充电领域上。而电动汽车因其固有的特性，使耦合谐振线圈必须具有较大的距离，这会导致线圈耦合系数较小，漏感较大。较小的耦合系数势必会限制传输效率，产生较大的磁场泄露，对周围空间环境会造成一定的电磁干扰。因此，在磁谐振式电动汽车无线充电系统中，磁芯结构的使用及优化就显得极为重要。

发明内容

为了克服磁谐振式电动汽车无线充电系统现有磁芯结构存在的不足，进一步提高磁芯利用率、降低磁芯重量，本发明提出一种用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的新型磁芯结构。

按照本发明提供的技术方案，所述的用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构采用扇形三段非均匀式磁芯结构，其包括8个相同的磁芯扇片呈中心对称式分布，每相邻磁芯扇片之间的夹角为9度。

磁芯优化设计方法是基于磁芯磁感应强度与磁芯横截面积的大小成反比，提出磁芯厚度随半径方向逐渐减小且减小趋势与前磁感应强度幅值变化趋势相同的方案。但是出于对磁芯加工工艺复杂度的考虑，同时为简化优化过程，最终将磁芯厚度非线性变化设计用三段线性变化的厚度来代替。此外，为了进一步满足磁芯重量低于Z_max＝0.5kg的严格限制，基于磁芯重量与体积成线性关系，提出了扇型三段式磁芯结构。

具体的，所述磁芯扇片为一个六边形在三维空间中围绕Z轴旋转36度而成的立体形状，所述六边形由上边、左边、左下边、下边、右下边、右边依次连接而成，其中上边和下边平行，左边和右边平行。

具体的优化目标为传输效率高于99％、磁芯重量低于0.5kg。得到，所述六边形的左边长0.8mm，右边长0.5mm，上边长217mm，下边长47mm，上边和下边间距6.5mm。

具体的，所述六边形的左边为靠近Z轴，右边远离Z轴。

与现有的磁芯结构相比较，本发明的突出优点在于：本发明提出磁芯结构在实现系统耦合系数增大、磁滞损耗降低以及鲁棒性增强的基础上，极大的减轻了磁芯重量，这对于实际电动汽车无线充电系统的优化设计是极为有利的。

附图说明

图1为磁谐振式电动汽车无线充电系统结构图。

图2为磁谐振式电动汽车无线充电系统等效电路模型。

图3为电动汽车无线充电系统磁耦合结构初始设计模型。

图4为三段非均匀式磁芯结构截面图。

图5为扇形三段非均匀式磁芯结构立体图。

图6是图5所示结构的截面图。

图7是单个磁芯扇片的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例以20kHz、1kw级高尔夫电动汽车无线充电系统为例，而并非限制了本磁芯结构的应用范围。

如图1所示，本发明所应用的磁谐振式电动汽车无线充电系统包括：高频电源1、磁耦合机构2、整流滤波稳压电路3和蓄电池4组成，其中灰色矩形5示意磁场泄露。其中，高频电源1用于向磁耦合结构提供高频高压的交流电；而磁耦合结构2一般包括励磁线圈、发射线圈、接收线圈、负载线圈以及磁屏蔽层，它的工作过程是励磁线圈首先通过电磁感应将电能传递到发射线圈上，然后收发线圈因谐振进行高效的能量交换，最后负载线圈再通过电磁感应获取接收线圈上的电能；此后，负载线圈上的电压经整理滤波稳压电路3后输送给蓄电池4，从而完成整个充电过程。

如图2所示为本发明所应用的SS型磁谐振式电动汽车无线充电系统简化后的等效耦合模型，其中，I₁、I₂为发射和接收线圈电流，U_S为励磁线圈反射到发射线圈上的等效电压，R_eq为负载线圈反射到接收线圈上的等效电阻；R₁和R₂为谐振线圈等效串联电阻；M为互感；ω₀是系统工作角频率。采用电路理论对模型进行分析，由KVL可得：

其中，ω₀是系统工作角频率，X₁和X₂是发射线圈和接收线圈的等效电抗；

当电源发射信号的频率与收发线圈的固有频率相同时，系统完全谐振，此时有X₁＝X₂＝0，通过求解电路方程可得系统传输效率为公式：

设收发线圈耦合系数为k，品质因数为Q₁、Q₂，另设接收线圈外部品质因数为Q_e，则：

由上述公式可得：

通过求解dη/dR_eq＝0，可知当取得最佳等效负载Req,opt时可得最大传输效率

η_max，即：

引入强耦合系数K_Q＝k²Q₁Q₂，则有：

故最大传输效率仅由强耦合系数K_Q所决定，K_Q越大，传输效率越高，且当K_Q传输超过39600，传输效率可达99％。

由上分析可知，电动汽车MCR-WPT系统的充电效率只取决于强耦合系数K_Q。而强耦合系数又与系统谐振线圈自身参数、谐振频率以及是否带磁屏蔽层有关。本实施例使用的优化设计工具为有限元仿真软件ANSYS Maxwell。在有限元仿真软件Maxwell中建立了如图3所示的电动汽车无线充电系统磁耦合结构初始设计模型，由外到内分别是导体屏蔽层21、铁氧体磁芯22、谐振线圈23。其中铝片作为导体屏蔽层21，其电导率为33.9MS/m，形状为半径290mm、厚度为1mm的圆柱；谐振线圈23为litz线绕制而成，外半径为162mm、内半径为68mm、厚度为18mm；车身底盘离地距离为185mm；系统谐振频率为20kHz；充电功率为1kW；另择型号为PL-13铁氧体磁芯22作为磁屏蔽层，初始形状为半径245mm、厚度为4mm的圆柱。对所建的模型进行初步磁场仿真，通过仿真结果可知加磁屏蔽层后系统谐振线圈间的磁感应器强度明显高于未加磁屏蔽层。可见，铁氧体磁芯具有聚磁作用，可以有效提高收发线圈的自感以及强耦合系数。但是，同样也会带来磁滞损耗、增加额外等效寄生电阻、增加充电装置的重量和成本等不利因素。

为了增大谐振线圈耦合系数、降低磁滞损耗，需要对磁芯进行优化设计。本发明所述系统的优化目标为：强耦合系数高于39600，且磁芯重量低于0.5kg。通过对平面薄饼均匀式磁芯进行仿真分析可知，该结构磁芯系统的磁感应强度未均匀分布且线圈线匝中心处磁感应强度最大，之后沿着磁芯外半径方向呈对称减少，磁芯边缘与线圈中心处几乎为零。此外，由于铁氧体磁滞损耗P_core＝C_mf^aB_max ^β，C_m、α、β一般为常数，本文工作频率f给定为20kHz，因此磁滞损耗仅取决去B_max，说明均匀磁芯系统中大部分铁氧体磁芯未得到充分利用。为了使磁场分布均匀，达到在满足较大强耦合系数的基础上减少磁芯磁滞损耗和磁芯重量的目的。基于磁芯磁感应强度与磁芯横截面积的大小成反比，提出磁芯厚度随半径方向逐渐减小且减小趋势与前磁感应强度幅值变化趋势相同的方案。但是出于对磁芯加工工艺复杂度的考虑，同时为简化优化过程，最终将磁芯厚度非线性变化设计用三段线性变化的厚度来代替。如图4所示为三段非均匀式磁芯结构纵向截面图，该截面图近似梯形(实则包括三段：左右两个直角梯形和中间一个矩形)，其中t₁、t₂、t₃、L₁、L₂是根据优化目标需要确定的磁芯参数，t₁为磁芯内边缘厚度，t₂为磁芯外边缘厚度，t₃为磁芯最大厚度，L₁为近似梯形上底，L₂为近似梯形下底。利用Maxwell里的非线性顺序编程算法对磁芯进行优化设计，具体优化过程为首先设定目标函数K_Q＝f(t₁，t₂，t₃，L₁，L₂)，其次给定各变量的取值范围，最后编辑运行得到K_Q最佳值以及此时的变量值。经优化后的K_Q最大值为44814，而磁芯参数分别为t₁＝0.8mm、t₂＝0.5mm、t₃＝6.5mm、L₁＝217mm、L₂＝47mm。当上述参数确定后，可得三段非均匀式磁芯结构，通过仿真可验证此时系统强耦合系数超过39600，传输效率高于99％，系统水平偏移性增强，但磁芯重量依然高于0.5kg。

为了满足系统对磁芯重量限制的要求，基于磁芯重量与体积成线性关系，需要对磁芯结构进行进一步的优化设计。通过上述三段非均匀式磁芯系统的磁场仿真图可知，该结构下磁通密度基本均匀分布，但磁芯内边缘磁芯利用率依然很低。而由于机械稳定性的原因，不能使其再变薄。但可以从减小宽度上提高内边缘磁芯利用率。在电动汽车无线充电系统中普遍采用幅条状磁芯降低磁芯的重量、提高磁芯利用率，但前提是牺牲了系统耦合系数。因此，本发明提出一种新的扇形三段非均匀式磁芯设计结构，其形状如图5～7所示，包括8个相同的扇片，每个扇片的纵截面为一个如图4，6所示的六边形，该六边形由上边、左边、左下边、下边、右下边、右边依次连接而成，其中上边和下边平行，左边和右边平行。而扇片则是由该六边形在三维空间中围绕Z轴旋转而成的立体形状。该结构可以通过调节扇片夹角α实现在相同强耦合系数的基础上减少磁滞损耗和降低磁芯重量。再次利用Maxwell里的非线性顺序编程算法对磁芯进行优化并得到最优扇片夹角α为9度，因此每个扇片应为上述六边形在三维空间中围绕Z轴旋转36度而成。优化结果显示此时系统磁感应强度基本均匀分布且优化后的磁芯重量将至0.46kg，而谐振线圈自感、强耦合系数等参数与三段式相比基本无变化。因此，扇形三段非均匀式磁芯结构满足系统设计要求。

本发明提出新型扇形三段非均匀式磁芯不仅能够增强系统耦合系数、降低磁芯磁滞损耗、降低磁芯重量，还能增加系统对水平偏移的容忍性。

上述实施例仅以20kHz、1kw级高尔夫电动汽车无线充电系统为例进行了说明，并非限制了本磁芯结构的应用范围。本领域技术人员还可以在本发明原理的基础上做出其他改变，但也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构，其特征是：包括8个相同的磁芯扇片呈中心对称式分布，每相邻磁芯扇片之间的夹角为9度。

2.如权利要求1所述的用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构，其特征是，所述磁芯扇片为一个六边形在三维空间中围绕Z轴旋转36度而成的立体形状，所述六边形由上边、左边、左下边、下边、右下边、右边依次连接而成，其中上边和下边平行，左边和右边平行。

3.如权利要求2所述的用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构，其特征是，所述六边形的左边长0.8mm，右边长0.5mm，上边长217mm，下边长47mm，上边和下边间距6.5mm。

4.如权利要求3所述的用于磁谐振式电动汽车无线充电系统的磁芯结构，其特征是，所述六边形的左边为靠近Z轴，右边远离Z轴。