CN113852206A - 一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置及电路 - Google Patents
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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及电路，其中变压器装置包括两块屏蔽金属板以及相互耦合的发射侧模块和接收侧模块，发射侧模块置于地面端，接收侧模块置于车体底部；发射侧模块和接收侧模块均嵌于对应的屏蔽金属板内，发射侧模块和接收侧模块均包括绝缘板、磁芯、变压器线圈以及电感线圈；变压器线圈固定在磁芯的一侧表面，发射侧模块的变压器线圈与接收侧模块的变压器线圈相对设置；电感线圈螺旋缠绕于磁芯上，发射侧模块的电感线圈的缠绕方向与接收侧模块的电感线圈的缠绕方向相互垂直；同一磁芯上的变压器线圈和电感线圈在交叠处相互垂直。本发明还包括一种使用前述变压器装置给电动汽车充电的电路。
Description
技术领域
本发明涉及无线电能传输领域，特别涉及一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置及电路。
背景技术
感应式无线电能传输技术主要利用磁场耦合的原理来实现功率传输，这种无线充电方式不需要物理线路的连接，可以有效避免环境因素造成的短路、断路危险，同时适用于一些严苛的充电环境，如矿场作业、水下充电、雨雪天气等，具有更高的安全系数。且无线充电技术能够克服现有接触式充电存在的诸多问题，并且可以减小车载电池的体积，更加清洁、高效、安全，因此具有良好的发展前景。
然而，松散磁耦合的变压器存在较大的漏感，在原副边正对的情况下耦合系数不高，尤其在车载副边线圈发生偏移的情况下，变压器的耦合系数迅速下降。为了对较大的变压器漏感进行补偿，尽可能高效率得传递能量，需要在发射端和接收端对原副边的线圈电感进行补偿，即通过增加谐振电感或谐振电容的方法来提高系统的传输功率和效率，降低功率器件的应力。传统的谐振补偿方案具有结构简单、调谐特性曲线易于控制等优点，但是也存在系统参数设计自由度低等缺点。针对电路补偿方案，发展出性能更好的高阶补偿网络可以得到更佳的阻抗特性以及更高的设计自由度，现今已成为电动汽车无线电能传输应用的主要方案之一。
当无线电能传输系统采用高阶补偿网络时，谐振电感成为系统元件设计的关键。传统的分立式电感所需的磁芯体积正比于谐振电感的电感量和需要存储的能量。对于无线电能传输系统，谐振电感的电感量较大，且谐振电流峰值较高，在考虑系统偏移的情况下谐振电流会进一步上升，这导致高阶谐振网络中应用的交流谐振电感需要使用较大体积的磁芯，从而大幅降低系统的功率密度。
另一方面，松散耦合变压器通常使用大面积的铁氧体磁芯来增强耦合，并且由于宽气隙，铁氧体磁芯内的磁感应强度较低，相应的磁芯损耗较低；而分立式电感磁芯内的磁感应强度设计得较高，相应的磁芯损耗较高，这种同一系统中的磁通不平衡导致了系统内的磁芯冗余和磁损失配。
针对上述问题，现有技术给出了多种谐振电感与松散磁耦合变压器解耦相集成的设计方案：包括平面堆叠型结构，即发射侧和接收侧的变压器线圈采用方形对称结构，其产生的磁通无方向性；而发射侧和接收侧的电感线圈采用双D型结构，其产生的磁通有方向性。由于电感线圈放置在变压器线圈的中心位置，因此由于磁通对称性的原理，电感线圈和变压器线圈相解耦；并且两个电感线圈的磁通方向相正交，从而电感线圈之间在正对情况下解耦。
但是，该方案在正对下可以起到良好的磁集成效果，但是在发生横向与纵向的偏移时，由于交叉耦合的存在，会影响系统的功率传输特性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置及电路，该装置在变压器原副边正对以及出现较大偏移(包括横向和纵向)的情况下都能够维持较低的交叉耦合，保持较高的系统传输效率的同时大幅提高系统的功率密度。
一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，包括两块屏蔽金属板以及相互耦合的发射侧模块和接收侧模块，所述发射侧模块置于地面端，所述接收侧模块置于车体底部；所述发射侧模块和接收侧模块均嵌于对应的屏蔽金属板内，所述发射侧模块和接收侧模块均包括绝缘板、磁芯、变压器线圈以及电感线圈；
所述变压器线圈绕制在磁芯的一个端面上，所述发射侧模块的变压器线圈与接收侧模块的变压器线圈相对设置；
所述电感线圈螺旋缠绕于磁芯上，所述发射侧模块的电感线圈的缠绕方向与接收侧模块的电感线圈的缠绕方向相互垂直；
缠绕于同一磁芯上的变压器线圈和电感线圈在交叠处相互垂直。
具体的，所述绝缘板设于屏蔽金属板与磁芯之间；发射侧模块即为变压器的原边、接收侧模块即为变压器的副边；
对电动汽车进行无线充电时，松散磁耦合变压器的原边一般放置在相对固定的位置，如埋在马路地面下方或停车位下方，而副边即接收侧则一般放置在电动汽车的地盘处，作为车载电池与外界电能注入的一个能量接口。对于松散磁耦合变压器的设计，其工作频率一般选择85kHz，在实际应用中，可对该工作频率加以微调来优化系统的谐振状态，在这个频率下的交流电流激励下，在变压器原边的线圈附近就会感应出交变的磁场，根据电磁感应原理，该交变的磁场在松散磁耦合变压器的副边会感应出电压信号，具体的作用规律由法拉第电磁感应定律决定，该电压信号会在变压器副边作用产生高频电流信号，再经过副边整流器从而实现整个无线电能传输“电能-磁场-电能”的转化过程。
在能量转化的过程中，变压器原副边的线圈起到了能量载体的作用，为了提高变压器原副边的耦合情况，需要在原副边加入高磁导率的磁芯作为导磁介质，此时线圈产生的磁场主要通过磁芯发散到外界环境中，而接收侧模块也通过磁芯来降低磁阻，从而缩短磁通路径，提高耦合系数。
本方案提供的松散耦合变压器装置的变压器线圈产生的磁通与电感线圈产生的磁通相互垂直交错，因此变压器线圈与电感线圈在正对以及不同偏移情况下均正交解耦。
此外。所述绝缘板为电木板或环氧树脂板或有机玻璃板或钢化玻璃板。
所述磁芯至少采用以下一种材料制成：铁氧体、非晶、微晶、坡莫合金、磁粉芯。
优选的，所述磁芯为中心设有通孔的对称的块状结构；所述电感线圈从磁芯的通孔穿过且螺旋缠绕于磁芯上；所述变压器线圈的缠绕形状与磁性的形状适配。
具体的，相对于不设通孔的磁芯，设有通孔的磁芯上的电感线圈可穿过通孔缠绕在磁芯上，此种缠绕方式使得电感线圈所产生的磁通集中在磁芯内部，从而有效降低空间中的漏磁通。
优选的，所述发射侧模块的磁芯上缠绕有两个相对设置的电感线圈；所述接收侧模块的磁芯上缠绕有两个相对设置的电感线圈。
具体的，同一磁芯上的两个电感线圈起到耦合电感的作用，且两个电感线圈的同名端相同，从而两个电感线圈产生的磁通起到叠加作用。
优选的，所述磁芯为整体的块状结构，所述磁芯上设有一个空气气隙，所述空气气隙与电感线圈所在的方位相适配。
具体的，空气气隙可用于电感储能，同时通过调整空气气隙的长度，可以精确的回的所需的电感线圈的感量值。
优选的，所述磁芯为拼接式结构，所述磁芯上至少设有一个空气气隙，所述空气气隙与电感线圈所在的方位相适配。
具体的，对于拼接式的磁芯，空气气隙设置于拼接处，对于未设有空气气隙的拼接处，则采用压接的方式尽可能的降低缝隙的宽度。
优选的，所述的变压器线圈和电感线圈均由单股或多股利兹线或铜带或铜管并联绕制而成。
具体的，当高频电流在导体中通过时，由于集肤效应和邻近效应的影响，高频电流会趋于在导体表面流过，这使得线路的交流电阻增大，导线上的损耗增加，影响系统效率；采用由单股或多股利兹线或铜带或铜管绕制线圈由于导线直径小，集肤效应的影响可相应减少，而多股利兹线或铜带或铜管并联绕制而成的线圈可进一步减少线圈的损耗，并联的杂书由变压器原副边的电流和功率等级决定。
优选的，所述金属屏蔽板采用导电性良好但不导磁的金属制成，例如选择铝、铜、银等。
具体的，由于发射侧模块和接收侧模块之间的额偶合系数较低，因此发射侧模块产生的磁场有一大部分会发散到周围环境中，这部分漏磁场会对其他的电路以及电子设备造成电磁干扰，并且会对周围经过汽车的行人以及汽车内的人员产生电磁辐射，因此需设置金属屏蔽板隔绝磁场。
一种用于电动汽车无线充电的电路，采用如上任一项所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，还包括依次电性连接的直流电源、逆变器模块、发射侧阻抗匹配电路，所述发射侧阻抗匹配电路与发射侧模块电性连接；
还包括依次电性连接的负载、直流转换模块、整流器模块、接收侧阻抗匹配电路，所述接收侧阻抗匹配电路与接收侧模块电性连接。
优选的，所述发射侧阻抗匹配电路和接收侧阻抗匹配电路采用含有谐振电感的补偿电路。
优选的，所述补偿电路的谐振电感为变压器装置的电感线圈。
与现有技术相比，本发明点的有益之处在于：
本发明提供的松散磁耦合变压器装置的结构不仅可以减少多个谐振电感的体积，提高系统的功率密度，并且消除了交叉耦合的影响，且此结构不影响系统的功率传输，在电动汽车的无线电能传输系统上有着良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的松散耦合变压器装置的实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的松散耦合变压器装置的另一实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的松散耦合变压器装置的磁芯的实施例的示意图；
图4为本发明提供的松散耦合变压器装置的磁芯的另一实施例的示意图
图5为本发明提供的松散耦合变压器装置的应用于电路中时的系统模块示意图；
图6为本发明提供的松散耦合变压器装置原副边各有两个电感线圈的应用于电路中时电路的连接示意图；
图7本发明提供的松散耦合变压器装置原副边各有一个电感线圈时应用于电路中的结构示意图；
图8本发明提供的松散耦合变压器装置X轴偏移时的耦合系数的测量图；
图9本发明提供的松散耦合变压器装置Y轴偏移时的耦合系数的测量图；
图10本发明提供的松散耦合变压器装置沿轴旋转偏移时的耦合系数的测量图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的方案做进一步描述。
如图1所示，屏蔽金属板100设于最外侧，发射侧模块200与接收侧模块300均包括绝缘板410、磁芯420、变压器线圈430、电感线圈440，磁芯420采用中心设有通孔的矩形的块状结构；变压器线圈430、电感线圈440均由多股利兹线并联缠绕而成；屏蔽金属板100由铝材料制成用于屏蔽电磁辐射；磁芯420为铁氧体材料的磁芯。
发射侧的变压器线圈430成矩形环绕且贴于发射侧的磁芯120的一侧表面，两个发射侧的电感线圈440穿过发射侧的磁芯420的通孔后螺旋缠绕于发射侧的磁芯420上，两个发射侧的电感线圈440的位置相对，发射侧的变压器线圈430产生的磁通和发射侧的电感线圈440产生的磁通相互垂直交错。
接收侧的变压器线圈430与电感线圈440的缠绕方式与发射侧的变压器线圈430和电感线圈440的缠绕方式相同，且发射侧的变压器线圈430与接收侧的变压器线圈430相对设置，发射侧的电感线圈440的缠绕方向与接收侧的电感线圈440的缠绕方向相互垂直。
此外，缠绕在同一个磁芯420上的两个电感线圈440能起到耦合电感的作用，两个电感线圈440的同名端相同，从而产生的磁通起到叠加的作用，导致整体的谐振补偿电感为两个电感线圈440的自感和加上两倍的电感线圈440的互感，即：
Lp'＝Lp1+Lp2+2Mp1p2
Ls'＝Ls1+Ls2+2Ms1s2
其中，Lp'和Ls'为等效的原副边谐振补偿电感，Lp1和Lp2为发射侧电感线圈440的自感，Mp1p2为发射侧电感线圈440的互感，Ls1和Ls2为接收侧电感线圈440的自感，Ms1s2为接收侧电感线圈440的互感。
如图2所示，磁芯420还可采用圆环形的块状结构，当磁芯420为圆环形时，变压器线圈430的环绕的形状亦为圆环形。
如图3所示，磁芯420可采用一体式结构，采用一体式结构的磁芯420仅设有一个空气气隙500，该空气气隙500所在的位置与一个电感线圈440的位置相适配。如图4所示，磁芯420可采用拼接式结构，采用拼接式结构的磁芯420在拼接处设有空气气隙500，空气气隙500的个数和距离可根据所需的电感值进行调节，此外，电感线圈440的缠绕方位与空气气隙500相适配。
将图1或图2提供的变压器装置连接在如图5所示的电路中，发射侧模块200与发射侧阻抗匹配电路630的一侧电性连接，发射侧阻抗匹配电路630的另一侧与逆变器模块620的一侧电性连接，逆变器模块620的另一侧与直流电源610电性连接；接收侧模块300与接收侧阻抗匹配电路640的一侧电性连接，接收侧阻抗匹配电路640的另一侧与整流器模块650的一侧电性连接，整流器模块650的另一侧与直流转换模块660的一侧电性连接，直流转换模块660的另一侧与负载670连接；发射侧模块200与接收侧模块300相互耦合。
图6为图5所示的电路的具体的结构，发射侧阻抗匹配电路630与接收侧阻抗匹配电路640均为LCC型的谐振网络，为了抑制系统的共模电流，谐振网络中的谐振电感和谐振电容均采用上下对称的结构，因此系统中发射侧阻抗匹配电路630有两个谐振电感Lp1和Lp2，接收侧阻抗匹配电路640有两个谐振电感Ls1和Ls2，Lp是发射侧的发射线圈，Ls是接收侧的接收线圈，发射侧阻抗匹配电路630两个谐振电感Lp1和Lp2即为发射侧模块200的两个电感线圈440，接收侧阻抗匹配电路640中两个谐振电感Ls1和Ls2即为接收侧模块300的两个电感线圈440。
当发射侧的磁芯420与接收侧的磁芯420上均只缠绕一个电感线圈440，将变压器连接在电路中，电路的结构如图7所示，发射侧阻抗匹配电路630与接收侧阻抗匹配电路640中均只有一个谐振电感。
下面以图1所示的所示的松散磁耦合变压器结构为例，发射侧模块200与接收侧模块300分别为变压器的原副边，利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell 3D进行仿真分析，具体描述这种结构在原副边正对以及偏移情况下对于耦合系数的提高效果。
仿真的测试条件为：原副边变压器的外尺寸为420mm*420mm，原副边的间距为160mm，变压器线圈430和电感线圈440采用单匝粗导线并且设置其类型为绞线型绕组，其材料为铜，磁芯420材料选择相对磁导率μr等于3000的铁氧体材料，屏蔽金属板100为一个厚度为10mm的铝板，激励电流选择每个线圈施加20A的电流。其中当探究原副边的耦合系数时，电流激励的值对其几乎无影响，其主要由原副边的线圈以及磁芯的尺寸、位置等物理结构有关。
通过对线圈的宽度、磁芯420的宽度等参数进行优化，可以得到在现有尺寸下原副边耦合系数的近似峰值。在优化条件下，原副边线圈之间的耦合系数为0.235，可以达到在相应自身尺寸下的较高的耦合系数值。
其次，在X轴、Y轴以及沿轴旋转偏移下测量耦合变压器不同线圈之间的耦合系数。
测量结果如图8、9、10所示，在不同偏移下的最高交叉耦合系数为0.02，这说明本实施例所提供的松散磁耦合变压器结构的磁集成方案可以实现不同偏移下的解耦，从而消除交叉耦合的影响。
由图8、9、10可见，在变压器原副边由较大偏移时，其交叉耦合仍然能保持相对较低的情况。
因此本实施例提供的松散磁耦合变压器结构的磁集成方案不仅可以减少多个谐振电感的体积，提高系统的功率密度，并且消除了交叉耦合的影响，磁集成方案不影响系统的功率传输。因此，本发明方案对于电动汽车的无线电能传输系统有着很好的应用前景。
Claims (10)
1.一种用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，包括两块屏蔽金属板以及相互耦合的发射侧模块和接收侧模块，所述发射侧模块置于地面端，所述接收侧模块置于车体底部；所述发射侧模块和接收侧模块均嵌于对应的屏蔽金属板内，其特征在于：所述发射侧模块和接收侧模块均包括绝缘板、磁芯、变压器线圈以及电感线圈；
所述变压器线圈固定在磁芯的一侧表面，所述发射侧模块的变压器线圈与接收侧模块的变压器线圈相对设置；
所述电感线圈螺旋缠绕于磁芯上，所述发射侧模块的电感线圈的缠绕方向与接收侧模块的电感线圈的缠绕方向相互垂直；
缠绕于同一磁芯上的变压器线圈和电感线圈在交叠处相互垂直。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述磁芯为中心设有通孔的对称的块状结构；所述电感线圈从磁芯的通孔穿过且螺旋缠绕于磁芯上；所述变压器线圈的绕制形状与磁芯的形状适配。
3.根据权利要求2所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述发射侧模块的磁芯上缠绕有两个相对设置的电感线圈；所述接收侧模块的磁芯上缠绕有两个相对设置的电感线圈。
4.根据权利要求3所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述磁芯为整体的块状结构，所述磁芯上设有一个空气气隙，所述空气气隙与电感线圈所在的方位相适配。
5.根据权利要求3所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述磁芯为拼接式结构，所述磁芯上至少设有一个空气气隙，所述空气气隙与电感线圈所在的方位相适配。
6.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述的变压器线圈和电感线圈均由单股或多股利兹线或铜带或铜管并联绕制而成。
7.根据权利要求1所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，其特征在于：所述金属屏蔽板采用导电性良好但不导磁的金属制成。
8.一种用于电动汽车无线充电的电路，其特征在于，采用如权利要求1-7任一项所述的用于电动汽车无线充电的松散耦合变压器装置，包括依次电性连接的直流电源、逆变器模块、发射侧阻抗匹配电路，所述发射侧阻抗匹配电路与发射侧模块电性连接；
还包括依次电性连接的负载、直流转换模块、整流器模块、接收侧阻抗匹配电路，所述接收侧阻抗匹配电路与接收侧模块电性连接。
9.根据权利要求8所述的用于电动汽车无线充电的电路，其特征在于，所述发射侧阻抗匹配电路和接收侧阻抗匹配电路为含有谐振电感的补偿电路。
10.根据权利要求9所述的用于电动汽车无线充电的电路，其特征在于，所述补偿电路的谐振电感为变压器装置的电感线圈。
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