CN108461264B - 一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置及其电路，该装置包括发射模块、接收模块及屏蔽机构，发射模块和接收模块包括由绝缘材料制成的绝缘板、由绝缘板进行固定的条状磁芯及由多股利兹线并联绕制成的变压器线圈，线圈绕制在绝缘板的上下表面形成螺旋结构或绕制在一侧形成单面交错结构；屏蔽机构由线圈背部的金属板起到漏磁屏蔽作用。本发明通过变压器的原副边分别使用双面螺旋线圈结构和双路交错线圈结构，且双路交错线圈通过外电路进行并联，以实现原副边在正对及较大偏移的情况下均能实现相对较高的耦合系数和较高的整体效率，同时具有较小的电磁干扰，因此可广泛应用于不同功率等级的电动汽车无线充电***。

Description

一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置 及其电路

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，具体涉及一种应用于电动汽车无线充电偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置及其电路。

背景技术

非接触式电能传输主要利用磁场耦合的原理来实现功率传输，进而实现对电动汽车的无线充电，即采用原副边完全分离的松散磁耦合的变压器，通过高频的磁场耦合将功率从发射装置一侧经过空间感应传输到接收装置一侧。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，也更加适用于一些严苛的充电环境，如矿场作业、雨雪天气等，因此具有更高的安全系数。在节能环保的全球环境下，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。

相比较接触式充电，无线电能传输的最大缺点是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，这导致***的整体效率不高，大大制约了无线电能传输的推广和应用。限制无线电能传输***效率的主要因素是松散磁耦合变压器的损耗，而提高变压器原副边的耦合系数对于减小变压器的损耗有着关键性的影响。另外，与手机充电平台等应用场合不同的是，对于电动汽车的无线电能传输***，变压器原副边的间距一般在100mm～250mm，并且变压器的原副边通常会有一定距离的偏移，其典型值为0～300mm。因此，在原副边正对以及有较大偏移的情况下，如何提高松散磁耦合变压器的耦合系数，并且尽量减小整个***的体积和电磁辐射成为研究的核心问题。

由于体积、空间的限制，为了获得更高的耦合系数，松散磁耦合变压器一般采用平面式结构，并且利用高磁导率的磁芯材料来控制磁场的流通路径。相比较于变压器原副边之间的间距，原副边线圈以及磁芯的尺寸越大，则耦合效果越好，但与此同时增加了***的体积、重量和成本。当原副边线圈以及磁芯的尺寸一定时，如何合理地布置线圈和磁芯的形状和数量以达到更高的耦合情况成为研究热点。基于上述研究思路，相关文献给出了多种松散磁耦合变压器结构的设计方案，可大致分为对磁芯的优化和对线圈的优化：如图1所示属于对磁芯的优化，图1中只给出了相应的磁芯结构，其采用较多的磁芯作为导磁路径，从而增强变压器原副边之间的耦合情况；如图2和图3所示属于对线圈的优化，图2中的螺线管结构是一种适合无线电能传输的双面线圈变压器结构，这种结构的优点是变压器原副边的耦合特性好，在一定偏移的情况下耦合降落不多，但是其背部漏磁较大，导致电磁辐射问题严重，通常要求加入金属板进行屏蔽；图3中的DD型线圈结构属于单面线圈变压器结构，其无背部漏磁问题，且磁场方向具有方向性，但由于其沿着长轴方向存在一个“零耦合点”，导致这种结构在一定偏移情况下的耦合性能较差，图3中从外到内依次是用于支撑的绝缘板、相邻的两个D型线圈和条状拼接而成的磁芯。

总之，针对现今无线电能传输领域的应用场合，目前技术存在的主要问题是：在不增加变压器原副边体积的前提下，发射线圈和接收线圈之间的耦合系数较低，电能传输效率也较低；尤其当原副边发生偏移时，耦合系数会迅速下降，通常当原副边的偏移距离超过自身尺寸的1/3时，耦合系数已下降到无法正常传输功率的水平。因此，如何实现变压器原副边在正对以及偏移的情况下都能保持相对较高的耦合系数是本发明解决的关键问题。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置及其电路，能够实现在变压器原副边正对以及较大偏移(包括横向和纵向)的情况下都能够维持相对较高的耦合系数和较高的***传输效率，同时保持较低的电磁辐射强度。

一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，包括相互耦合的发射模块和接收模块以及两块屏蔽金属板；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金属板内；

所述的发射模块和接收模块均包括有两块绝缘板、磁芯以及线圈，所述磁芯粘接固定于两块绝缘板之间，所述线圈沿两块绝缘板捆绑绕制呈螺旋结构或为两组分别绕制于两块绝缘板的一侧呈单面交错结构，单面交错结构的两组线圈通过调整相对位置实现解耦，且两组线圈通过外电路实现并联连接。

当发射模块中的线圈采用单面交错结构且接收模块中的线圈采用螺旋结构时，变压器装置为原边两路功率输入，副边单路功率输出；反之，变压器装置为原边单路功率输入，副边两路功率输出。

所述螺旋结构的线圈呈螺旋状分布在磁芯的两侧，且沿磁路方向均匀排布。

所述单面交错结构的两组线圈分布在磁芯同侧，且两组线圈的排布方式应使彼此之间实现物理上的解耦，即两组线圈之间的互感近似为零，此时两组线圈的排布方式相互交叠。

进一步地，所述绝缘板采用硬度较高的电木板(酚醛树脂材料)、环氧板(环氧树脂材料)、有机玻璃板(聚甲基丙烯酸甲酯聚合材料)、玻璃钢板(玻璃纤维增强塑料材料)或其他绝缘材料来实现，用于增强装置强度、固定磁芯。

进一步地，所述磁芯为整块磁芯或采用扁平化的薄状条形磁芯呈阵列排布拼接而成。

进一步地，所述磁芯采用铁氧体、非晶、微晶、坡莫合金、磁粉芯或至少2种上述材料组合制成。

进一步地，所述线圈由两股或多股利兹线、铜带或铜管并联绕制而成，并联匝数由原副边的电流和功率等级确定。

进一步地，所述屏蔽金属板采用铜、铝、银或其他导电性能良好但不导磁的金属材料制成，屏蔽金属板可采用网格状以实现良好的屏蔽效果。

一种与上述变压器装置配合的电路，包括直流电源、逆变模块以及整流模块，所述逆变模块的直流侧与直流电源或前级整流器输出侧连接，交流侧通过阻抗匹配网络与发射模块中的线圈连接；所述整流模块的交流侧通过阻抗匹配网络与接收模块中的线圈连接，直流侧通过直流变换电路连接至负载；

若发射模块中的线圈为单面交错结构，其中的两组线圈经过各自的阻抗匹配网络分别连接两个逆变模块，两个逆变模块的直流侧并联后连接至直流电源或前级整流器输出侧实现功率输入；若接收模块中的线圈为螺旋结构，则该线圈经过阻抗匹配网络连接整流模块，整流模块的直流侧经直流变换电路连接至负载；

若接收模块中的线圈为单面交错结构，其中的两组线圈经过各自的阻抗匹配网络分别连接两个整流模块，两个整流模块的直流侧并联后经直流变换电路连接至负载实现功率输出；若发射模块中的线圈为螺旋结构，则该线圈经过阻抗匹配网络连接逆变模块，逆变模块的直流侧连接至直流电源或前级整流器输出侧。

上述电路通过与变压器装置的匹配实现线圈耦合的偏移容错，进而实现变压器原副边正对以及偏移情况下都能保持较高的耦合系数。

本发明变压器装置中交错线圈结构由两个相互解耦的线圈构成，使得对应的两路功率输入或两路功率输出可以分别进行控制而不受彼此互感的影响；在此基础上，优化螺旋线圈结构和交错线圈结构的线圈尺寸、磁芯尺寸以及相应的布置方式使得变压器原副边线圈在正对情况下有较高的耦合系数；同时，由于在发生一定的横向偏移或纵向偏移时，交错线圈结构中的其中一路线圈和螺旋结构线圈之间的耦合减弱而另一路线圈耦合增强，通过相应输入或输出电路在直流侧进行并联的结构，从而实现线圈耦合的偏移容错，从而使得原副边线圈总体上的耦合情况大大改善，可以在1/2自身尺寸的偏移范围内实现相对较高的耦合系数。

因此，本发明变压器装置能够在变压器原副边正对以及有较大偏移的情况下均能实现相对较高的耦合系数和较高的整体效率，同时由于电磁屏蔽装置而具有较小的电磁干扰，可广泛应用于不同功率等级的电动汽车无线充电***。

附图说明

图1为对磁芯进行优化的一种松散磁耦合变压器结构(磁芯部分)示意图。

图2为对线圈进行优化的一种螺线管型的松散磁耦合变压器结构示意图。

图3为对线圈进行优化的一种DD型松散磁耦合变压器结构示意图。

图4为本发明应用于电动汽车无线电能传输松散磁耦合变压器装置的一种实施结构示意图。

图5为图4所示变压器装置对应的电路结构示意图。

图6为本发明松散磁耦合变压器中发射和接收装置内部磁芯和绝缘板的结构示意图。

图7为本发明应用于电动汽车无线电能传输松散磁耦合变压器装置的另一种实施结构示意图。

图8为图7所示变压器装置对应的电路结构示意图。

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。

实施例一：

本实施例中松散磁耦合变压器由原边作为发射侧、副边作为接收侧组成，其原边和副边均包括松散磁耦合变压器部分以及相应的电路部分。

图4为关于无线电能传输松散磁耦合变压器结构，包括发射端金属板130、发射端绝缘板140、发射端磁芯120、发射端线圈110、接收端金属板230、接收端线圈210和211、接收端磁芯220和接收端绝缘板240。松散磁耦合变压器的发射和接收装置由多股利兹线并联缠绕而成，尤其在本实施例中发射端线圈110在绝缘板的上下表面进行均匀绕制；接收端线圈210和211在绝缘板的一侧进行交错绕制，其线圈位置的排布方式应使两路线圈实现物理上的解耦，即两个线圈之间的互感近似为零。另外，发射端金属板130和接收端金属板230选择铝材料起到屏蔽电磁辐射的作用；发射端绝缘板140和接收端绝缘板240选择塑料或木板或环氧板材料起到绝缘和固定的作用；发射端磁芯120和接收端磁芯220选择铁氧体材料起到磁路导引的作用，增强变压器原副边之间的耦合系数，并且可以起到一定的屏蔽作用。

对于此实施例的电路部分来说，如图5所示，由于松散磁耦合变压器的发射侧采用双面绕制的螺旋线圈结构，因此原边线圈经过发射侧阻抗匹配网络后，连接到一路逆变器电路模块，其输入与直流电源相连，实现功率输入；由于松散磁耦合变压器的接收侧采用单面绕制的交错线圈结构，因此副边两路线圈分别经过接收侧阻抗匹配网络1和2后，连接到两路整流器电路模块1和2，两路整流电路模块的输出进行并联后再经直流变换电路与负载相连，实现功率输出。通过该电路结构通过与松散磁耦合变压器的匹配，可以实现线圈的耦合补偿，进而实现变压器的原副边正对以及偏移情况下都能保持较高的耦合系数。

对于电动汽车无线电能传输的应用，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20kHz～100kHz的频率区间，典型值为85kHz，该工作频率即变压器原边逆变器的工作频率(在实际应用中，通常会对该工作频率加以微调来优化***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。

在上述能量转换的过程中，变压器原副边的线圈起到了能量载体的作用，但是为了提高变压器原副边之间的耦合情况，通常需要在原副边加入高磁导率的磁芯作为导磁介质，典型的磁芯材料为高磁导率的铁氧体材料，此时线圈产生的磁场主要通过磁芯发散到外界环境中，而变压器的接收端也通过磁芯来降低磁阻，从而缩短磁通路径，提高耦合系数。

在上述实施例中，关于磁芯材料的放置方式如图6所示，包括发射端的绝缘板140以及发射端的磁芯120，为了使变压器的重量和成本降低，因此采用条状磁芯结构代替整块磁芯结构，并且采用小块条状磁芯拼接制成。在图6中，发射端磁芯120由四条磁芯组成，其中每一个磁芯由五个条形磁芯构成。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以及其相应的放置位置，对于接收端的磁芯也可由相同的方式进行放置。为了起到固定的作用，在发射端和磁芯120的地面与发射端绝缘板140接触的边界可用热熔胶固定磁芯位置，其接触断面可用强度较高的双面粘性材料固定。另外，为了增加装置结构强度，绝缘板可以选择有一定强度的木板或环氧板材料进行固定。

当高频电流在导体中通过时，由于集肤效应以及邻近效应的影响，高频电流会趋向于在导体的表面流过，这使得线路的交流电阻增大，导线上的损耗增加，影响***效率。减轻集肤效应的方法之一是采用多股并联的利兹线作为变压器的线圈材料，所谓利兹线是采用多股细线并绕并且用丝包裹的一类导线，由于其内部的导线直径小，因此集肤效应的影响可以相应减少。在上述实施例中，为了进一步减少发射端线圈110和接收端线圈210的损耗，典型的实施方法为采用多股利兹线并联的方式，利兹线的并联匝数由变压器原副边的电流和功率等级决定。

在上述实施例中，为了实现变压器副边两路线圈之间的解耦，从而使两路输出能够独立加以控制进而实现偏移情况下的耦合补偿，两个线圈应交叠放置，从而实现两个线圈的互感近似为零。

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，因此发射装置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，并且也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，对松散磁耦合变压器应加入屏蔽装置。在上述实施例中，屏蔽装置130和230采用高电导率的铝板材料，将铝板放置在装置的背部，从而可以通过铝板内部涡流产生的抵消磁场来有效降低变压器装置的电磁辐射干扰。

实施例二：

图7为关于无线电能传输松散磁耦合变压器结构，包括发射端金属板130、发射端绝缘板140、发射端磁芯120、发射端线圈110和111、接收端金属板230、接收端线圈210、接收端磁芯220和接收端绝缘板240。松散磁耦合变压器的发射和接收装置由多股利兹线并联缠绕而成。尤其在本实施例中接收端线圈210在绝缘板的上下表面进行均匀绕制，发射端线圈110和111在绝缘板的一侧进行交错绕制，其线圈位置的排布方式应使两路线圈实现物理上的解耦，即两个线圈之间的互感近似为零。另外，发射端金属板130和接收端金属板230选择铝材料起到屏蔽电磁辐射的作用；发射端绝缘板140和接收端绝缘板240选择塑料或木板或环氧板材料起到绝缘和固定的作用；发射端磁芯120和接收端磁芯220选择铁氧体材料起到磁路导引的作用，增强变压器原副边之间的耦合系数，并且可以起到一定的屏蔽作用。

对于此实施例的电路部分来说，如图8所示，由于松散磁耦合变压器的接收侧采用单面绕制的交错线圈结构，因此副边线圈经过接收侧阻抗匹配网络后，连接到一路整流器电路模块，其输出与负载相连，实现功率输出；由于松散磁耦合变压器的发射侧采用双面绕制的螺旋线圈结构，因此原边两路线圈分别经过发射侧阻抗匹配网络1和2后，连接到两路逆变器电路模块1和2，两路逆变电路模块的输出进行并联后再与电源相连，实现功率输入。通过该电路结构通过与松散磁耦合变压器的匹配，可以实现线圈的耦合补偿，进而实现变压器的原副边正对以及偏移情况下都能保持较高的耦合系数。

下面以图4所示的松散磁耦合变压器结构为例，利用商用有限元仿真软件AnsoftMaxwell 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600mm*600mm，原副边的间距为200mm，线圈采用单匝粗导线并且设置其类型为Stranded即绞线型绕组，其材料为铜，磁芯材料选择磁导率为2500的铁氧体材料，在原边螺旋型线圈的背部增添了一个厚度为15mm的铝板作为屏蔽材料，激励电流选择每个线圈施加100A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。

通过在软件中对线圈的宽度、磁芯的间距、磁芯的长度以及交错线圈的交错量进行优化，可以得到在现有尺寸下原副边耦合系数的近似峰值。当原副边正对时，将副边的两个交错线圈当成一个整体(在软件中使用Group的功能)，则可以得到在优化条件下，通过副边输出端在直流侧并联的方法可以得到原副边线圈之间的耦合系数为0.241，可以达到在相应自身尺寸下的较高的耦合系数值。

当松散磁耦合变压器的原副边发生相对偏移时，对于传统的圆形线圈、螺线型线圈或DD型线圈来说，当偏移量达到150mm～200mm时，其原副边之间的耦合系数即降低到接近于0的水平，此时由于耦合系数太低，变压器几乎失去了传输功率的能力。

对于传统的双平面线圈来说，其通常由一路线圈经过串联结构组成两个线圈，其相应的电路结构仍然为原边为一路逆变器模块，副边为一路整流器模块。对于本发明提出的松散磁耦合的变压器结构以及相应的电路结构来说，以图4中所示的松散磁耦合变压器结构以及图5所示的电路结构为例，变压器副边的两路线圈实现了彼此之间的解耦，即耦合系数k₂₃近似为零，因此其两路输出可以实现控制的解耦；同时，在这种电路结构下，通过副边输出端在直流侧并联的方法，副边两个线圈作为一个整体与原边线圈的耦合系数可以表示为：

因此可以得到在原副边有一定偏移的情况下，相应的耦合系数值如下表所示(其中X方向为沿着磁新所引导的磁路方向，Y方向为垂直于磁路方向)：

当X方向为0mm偏移时：

X方向	整体耦合系数
		0mm	0.241
100mm	0.184
		200mm	0.161
300mm	0.146

当Y方向为0mm偏移时：

Y方向	整体耦合系数
		0mm	0.241
100mm	0.226
		200mm	0.190
300mm	0.144

按照上述仿真模型，当X方向和Y方向都达到300mm的偏移时，原副边整体的耦合系数仍然能够保持0.09，此时线圈的偏移量已经达到其自身尺寸的1/2。由上表可见，在变压器原副边由较大偏移时，其仍然能保持相对较高的耦合情况，因此对于电动汽车的无线电能传输***有着很好的应用前景。

上述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)

1.一种偏移容错范围大的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，其特征在于：包括相互耦合的发射模块和接收模块以及两块屏蔽金属板；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金属板内；

所述的发射模块和接收模块均包括有两块绝缘板、磁芯以及线圈，所述磁芯粘接固定于两块绝缘板之间，其中接收模块的线圈为沿两块绝缘板捆绑绕制呈螺旋结构，发射模块的线圈为两组分别绕制于两块绝缘板的一侧呈单面交错结构，单面交错结构的两组线圈通过调整相对位置实现解耦，且两组线圈通过外电路实现并联连接；发射模块两组线圈作为整体与接收模块线圈的耦合系数k和发射模块两组线圈分别与接收模块线圈的耦合系数k₁₂、k₁₃满足以下关系式：

所述螺旋结构的线圈呈螺旋状分布在磁芯的两侧，且沿磁路方向均匀排布；

所述单面交错结构的两组线圈分布在磁芯同侧，且两组线圈的排布方式应使彼此之间实现物理上的解耦，即两组线圈之间的互感近似为零，此时两组线圈的排布方式相互交叠。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，其特征在于：所述绝缘板采用电木板、环氧板、有机玻璃板或玻璃钢板。

3.根据权利要求1所述的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，其特征在于：所述磁芯为整块磁芯或采用扁平化的薄状条形磁芯呈阵列排布拼接而成。

4.根据权利要求1所述的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，其特征在于：所述磁芯采用铁氧体、非晶、微晶、坡莫合金、磁粉芯或至少2种上述材料组合制成。

5.根据权利要求1所述的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，其特征在于：所述线圈由两股或多股利兹线、铜带或铜管并联绕制而成，并联匝数由原副边的电流和功率等级确定。

6.根据权利要求1所述的无线电能传输松散磁耦合变压器装置，其特征在于：所述屏蔽金属板采用铜、铝、银或其他导电性能良好但不导磁的金属材料制成。

7.一种与权利要求1～6任一权利要求所述变压器装置配合的电路，包括直流电源、逆变模块以及整流模块，所述逆变模块的直流侧与直流电源或前级整流器输出侧连接，交流侧通过阻抗匹配网络与发射模块中的线圈连接；所述整流模块的交流侧通过阻抗匹配网络与接收模块中的线圈连接，直流侧通过直流变换电路连接至负载；

若发射模块中的线圈为单面交错结构，其中的两组线圈经过各自的阻抗匹配网络分别连接两个逆变模块，两个逆变模块的直流侧并联后连接至直流电源或前级整流器输出侧实现功率输入；若接收模块中的线圈为螺旋结构，则该线圈经过阻抗匹配网络连接整流模块，整流模块的直流侧经直流变换电路连接至负载；

若接收模块中的线圈为单面交错结构，其中的两组线圈经过各自的阻抗匹配网络分别连接两个整流模块，两个整流模块的直流侧并联后经直流变换电路连接至负载实现功率输出；若发射模块中的线圈为螺旋结构，则该线圈经过阻抗匹配网络连接逆变模块，逆变模块的直流侧连接至直流电源或前级整流器输出侧。

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