一种磁谐振式电动汽车无线充电集成装置的制作方法

本实用新型涉及一种电动汽车无线充电系统，特别涉及一种磁谐振式电动汽车无线充电集成装置。

背景技术：

随着科技的进步与发展，汽车开始逐渐摆脱对石油的依赖，世界各国都开始了对电动汽车的研究。第八届全球新能源汽车大会于2017年12月14日在北京国家会议中心盛大开幕，作为全球最大的电动汽车市场，中国正迎来“双积分”新政时代，荷兰、挪威、德国以及美国加州等地已经明确表态在未来全面取消传统燃油车，汽车电动化已是大势所趋。

纵观国内外，电动化技术在交通领域中的使用愈加广泛，电动汽车(ev)的需求迅速增长。与使用内燃机(ice)的汽车相比，电动汽车具有易于操作、维护少、零排放和效率高的特点。但是ev的动力电池造价昂贵，续驶里程不理想，充电基础设施建设不完善。目前普遍的充电方式为有线充电，有线充电技术相对简单，但是由于电动汽车充电功率大，有线充电需要停车充电，通过充电线缆与充电桩连接，操作十分不便，插拔充电线缆容易产生电火花，非常危险。而且在雨、雪、风等恶劣环境条件下工作容易发生电击，造成人员的伤亡。有线充电必须要求汽车具备大容量电池才能保证续航里程，导致充电时间较长且提高了整车的成本。与使用导线充电相比，无线电力传输(wpt)充电系统被广泛引入ev，并且作为一种更为安全便捷的替代充电方法。wpt系统广泛用于在道路上或在停车场为电动汽车充电。wpt系统通过感应将能量从一个线圈传递到另一个线圈，从而为电动汽车供电，而无需进行有线连接。

目前国内外已经有一些相关的wpt技术方案，但是仍然存在一些如传输距离短、抗偏移能力差；对于其他电气和电子设备的抗干扰性差；结构不够紧凑和轻便，即轻量化程度差；涡流以及靠近wpt的金属部件热损耗严重；产生的辐射对环境以及人体有影响等问题。

技术实现要素：

在各种wpt技术中，使用磁场谐振式无线电能传输(magneticresonantwirelesspowertransfer,mrwpt)的技术不仅提供最高的功率传输效率，而且提供近场情况下较远距离的无线传输功率，非常适合电动汽车进行无线充电。磁谐振式无线电能传输通过两个谐振电路之间的磁场进行电能传输，每个谐振电路由连接到电容器的绕组线圈或具有内部电容的其他谐振器组成，这两个谐振电路在相同的谐振频率下谐振。在发射器和接收器中使用谐振电路，磁场耦合被最大化，并且在谐振频率处产生最高的功率传输能力，同时具有一定的抗偏移能力。

在这种具有磁场谐振的wpt系统中，低损耗电路、线圈、匹配电路和磁屏蔽结构的设计是要考虑的关键要素。通过结合这些设计理念，可以实现最大化的功率传输和最佳的谐振磁场分布。

本实用新型提供一种磁谐振式电动汽车无线充电集成装置，包括电能发送装置和电能接收装置，所述的电能发送装置设在地面或地面以下，其包括基座、铝盘屏蔽层、垫片、铁氧体屏蔽层、第一线圈和端盖，基座位于下部，铝盘屏蔽层设在基座上，垫片设在铝盘屏蔽层上，铁氧体屏蔽层包括数片铁氧体片，每片铁氧体片设在垫片镂空处，铁氧体片呈中心对称均匀设置，第一线圈设在铁氧体屏蔽层上，端盖盖在上端；所述的电能接收装置设在汽车底盘，充电时位于电能发送装置上方，其包括基座、铝盘屏蔽层、垫片、铁氧体屏蔽层、第一线圈和端盖，基座位于上部，铝盘屏蔽层设在基座下方，垫片设在铝盘屏蔽层下，铁氧体屏蔽层包括数片铁氧体片，每片铁氧体片设在垫片镂空处，铁氧体片呈中心对称均匀设置，第一线圈设在铁氧体屏蔽层下方，端盖盖在下端。电能发送装置和电能接收装置对称设置。

所述的基座内设有凹槽，用于放置铝盘屏蔽层；所述的铝盘屏蔽层为圆形，边缘设有一圈缘壁，内部形成凹槽，用于放置铁氧体屏蔽层，缘壁的高度不小于铁氧体屏蔽层的厚度；所述的铁氧体屏蔽层包括八片铁氧体片，八片铁氧体片在铝盘屏蔽层上呈中心对称圆周阵列，所述的端盖内侧设有与铁氧体片和线圈吻合的凹槽。

所述的铁氧体屏蔽层的铁氧体片为轴对称的三段阶梯状，第一段和第二段的厚度相同，第三段的厚度大于第一段和第二段。

所述的电能发送装置和电能接收装置中，第一线圈的内侧设有同心的第二线圈，第二线圈的电流与第一线圈的电流相反。

集成装置还包括一次侧补偿电路、二次侧补偿电路、滤波器和整流器，所述的一次侧补偿电路设在电能发送装置基座上，一次侧补偿电路一端与电能发送装置中的第一线圈相连，另一端与供电电路相连供电电路包括电源、ac/dc转换器、buck电路和dc/ac高频逆变器，电源、ac/dc转换器、buck电路和dc/ac高频逆变器顺次相连，dc/ac高频逆变器与一次侧补偿电路相连；所述的二次侧补偿电路设在电能接收装置基座上，二次侧补偿电路一端与电能接收装置中的第一线圈相连，另一端与滤波器相连，滤波器另一端与整流器相连，整流器另一端经过功率调节器与车载电池组相连。

集成装置还包括控制器，所述的控制器设在电能发送装置上，与一次侧补偿电路相连，同时与供电电路相连，接收一次侧补偿电路及供电电路中的相关数据并输出相应控制信号进行控制，控制器与车载控制系统ecu无线连接，接收车载控制系统ecu的相关数据，车载控制系统ecu与整流器、滤波器、功率调节器以及车载电池组相连，接收整流器、滤波器、功率调节器以及车载电池组的相关数据并输出相应控制信号进行控制。

工作原理：

工作时给一次侧通入交流电源，经过带功率因素校正(powerfactorcorrection，pfc)的ac/dc转换器转化为直流电，然后经过buck电路进行降压和调压，这样便可以控制输入的一次侧电压，可以实现动态调节；随后，高压直流电通过dc/ac高频逆变器转化为所要求的高频交流方波来驱动一次侧补偿电路，电能发送装置中的第一线圈便可以产生时变的磁场；根据法拉第电磁感应，在电能接收装置中的第一线圈中会产生感应电动势来驱动整个二次侧补偿电路；由于补偿电路的存在，两侧的线圈产生的耦合磁场在同一频率下发生谐振，大大加强了两线圈之间的耦合系数，提高了传输效率。电能接收装置谐振电路产生的交流电通过整流和滤波，变为用于给电池组充电的直流电，并通过ecu进行功率控制，来调节通入电池组的电功率。由于充电电网波动，外部干扰等因素，并且考虑到电池组的健康状态，需要进行无线数据传输通讯来确保充电安全，ecu给予控制器期望的电路电压和电流，控制器接收到之后，通过模糊控制器进行模糊化、模糊控制和去模糊化，对期望值与当前实测值的偏差进行大、中、小来判断，根据不同的充电曲线来进行pid调节以跟随预期值，实现电池健康、充电时间、充电电流分配等的动态可调。

有益效果：

本实用新型的一种磁谐振式电动汽车无线充电集成装置在发射器和接收器中使用谐振电路，磁场耦合被最大化，并且在谐振频率处产生最高的功率传输能力，同时具有一定的抗偏移能力；除了可以在潮湿的地方使用外，它还可以根据实际条件在(设有充电铺装的道路上)行驶过程中实时充电，减少电池组并增加行驶距离；由于补偿电路的存在，两侧的第一线圈产生的耦合磁场在同一频率下发生谐振，大大加强了两线圈之间的耦合系数，提高了传输效率；采用铁氧体放置在线圈和铝板之间的屏蔽方法，可以减轻整个mrwpt系统的重量并且无需提供额外的电能；圆形充电器结构具有非常理想的单侧磁场，这是因为线圈位于铁氧体上方，而铁氧体引导了线圈下方的磁场并叠加到线圈上方磁场中；当铝盘屏蔽层被添加到充电器背面以防止周围金属材料的损失时，它对电能的传输效率几乎没有影响，因为它仅用于阻止泄漏(而非主要)的磁通量，这对电动汽车充电很重要，因为汽车底盘通常由钢制成，如果没有铝盘的屏蔽，漏磁通会耦合到车辆中，并会影响接收器的电感且增加损耗。

附图说明

图1为本实用新型汽车无线充电集成装置工作过程结构示意图；

图2为本实用新型汽车无线充电集成装置结构示意图；

图3为本实用新型汽车无线充电集成装置外观示意图；

图4为本实用新型汽车无线充电集成装置装配示意图；

图5为本实用新型汽车无线充电集成装置基座结构示意图；

图6为本实用新型汽车无线充电集成装置铝盘屏蔽层结构示意图；

图7为本实用新型汽车无线充电集成装置垫片结构示意图；

图8为本实用新型汽车无线充电集成装置端盖结构示意图；

图9为本实用新型汽车无线充电集成装置端盖内部结构示意图；

图10为本实用新型汽车无线充电集成装置铁氧体屏蔽层结构示意图；

图11为本实用新型汽车无线充电集成装置铁氧体屏蔽层与线圈结构示意图；

图12为本实用新型系统流程结构框图；

图13为本实用新型实施例结构示意图；

图14为本实用新型实施例靠近铝盘屏蔽层外侧表面的漏磁场径向分布曲线图；

图15为本实用新型实施例采用的ss型补偿电容等效模型；

图16为本实用新型实施例第一线圈匝数与内径的关系曲线示意图；

图17为本实用新型实施例第一线圈外径和耦合系数与线圈内径的关系示意图；

图18为本实用新型实施例铁氧体屏蔽层互感和耦合系数与r1的关系示意图；

图19为本实用新型实施例铁氧体屏蔽层互感和耦合系数与铁氧体屏蔽层外径的关系示意图；

图20为本实用新型实施例铁氧体片结构计算分解示意图；

1、电能发送装置2、电能接收装置3、基座4、铝盘屏蔽层

5、垫片6、第一线圈7、端盖8、铁氧体片9、第二线圈

10、一次侧补偿电路11、二次侧补偿电路12、滤波器13、整流器

14、电源15、ac/dc转换器16、buck电路17、dc/ac高频逆变器

18、电池组19、控制器20、车载控制系统ecu21、功率调节器

22、汽车底盘23、凹槽24、缘壁。

具体实施方式

结合附图1-12所示：

本实用新型提供一种磁谐振式电动汽车无线充电集成装置，包括电能发送装置1和电能接收装置2，所述的电能发送装置1设在地面或地面以下，其包括基座3、铝盘屏蔽层4、垫片5、铁氧体屏蔽层、第一线圈6和端盖7，基座3位于下部，铝盘屏蔽层4设在基座3上，垫片5设在铝盘屏蔽层4上，铁氧体屏蔽层包括数片铁氧体片8，每片铁氧体片8设在垫片5镂空处，铁氧体片8呈中心对称圆周设置，第一线圈6设在铁氧体屏蔽层上，端盖7盖在上端；所述的电能接收装置2设在汽车底盘22，充电时位于电能发送装置1上方，其包括基座3、铝盘屏蔽层4、垫片5、铁氧体屏蔽层、第一线圈6和端盖7，基座3位于上部，固定在汽车底部，铝盘屏蔽层4设在基座3下方，垫片5设在铝盘屏蔽层4下，铁氧体屏蔽层包括数片铁氧体片8，每片铁氧体片8设在垫片5镂空处，铁氧体片8呈中心对称圆周设置，第一线圈6设在铁氧体屏蔽层下方，端盖7盖在下端。电能发送装置1和电能接收装置2对称设置。电能发送装置1和电能接收装置2中两线圈的距离为150mm，选择6.6kw的电能传输功率。

铁氧体这一磁性材料用mfe2o4所示的正则表达式来表示，m主要是二价金属氧化物，诸如氧化锰、氧化镍、氧化铜、氧化锌等，工程中的铁氧体是此类几种化合物复合而成的多结晶烧结体。

所述的基座3内设有凹槽23，用于放置铝盘屏蔽层4；所述的铝盘屏蔽层4为圆形，边缘设有一圈缘壁24，内部形成凹槽23，用于放置铁氧体屏蔽层，由于wpt充电器内部和外部的磁通密度不取决于铝板的厚度，85khz时铝的集肤深度约为0.28mm，因此只要铝盘屏蔽层4的厚度大于集肤深度，随着厚度的增加，进入铝板的感应电流密度场不会显著变化；所述的铁氧体屏蔽层包括八片铁氧体片8，八片铁氧体片8在铝盘屏蔽层4上呈中心对称圆周阵列；所述的端盖7内侧设有与铁氧体片和线圈吻合的凹槽23。

如图13所示，铁氧体片8可以为三角形、矩形和本实用新型中涉及的轴对称的三段阶梯状三种铁氧体形式。由于目前市面上绝大多数铁氧体很少有三角形，不便于自行设计和布置，三角形尖端的工艺难度也比较高，定制具有一定困难，难以量产，生产成本高。后面两种布置形式在成型上面更为灵活和简单。

考虑到电磁辐射的危害，emf必须符合saej2954/1中所述的国际非电离辐射防护委员会(icnirp)2010，而ieeec95.1-2345-2014提供了对神经激励(<100khz)和组织加热(>100khz)等生理影响的更多标准。wpt采用低thd的高pfc电路，最常用的pfc配置是用于ev充电器的交错式升压pfc电路。

表1emf暴露标准

ev的无线充电在发射器和接收器之间存在高频磁场，icnirp规定了时变磁场、电场和emf的限制指导原则。saej2954/1/2报告指出，wpt系统的电场和磁场以及接触电流必须符合icnirp2010的要求。表1总结了2010年icnirp的emf暴露极限。

仿真得到图14示靠近铝盘屏蔽层4外侧表面的漏磁场径向分布曲线，由图可知，在靠近中心时，三角形的屏蔽效果最好，但是沿着径向向外时，漏磁场开始增大。矩形的漏磁场趋势和阶梯型较为相似，但是整体效果都不如其它两者，阶梯型虽然在最内圈屏蔽效果不算最好，但是整体的漏磁场较低，总体来说效果最佳。

而当仿真整个集成结构基座3外表面漏磁场时，三种布置情况下大部分区域均小于6.25ut，符合saej2954/1。这三种布置中，阶梯型布置能够有效减少漏磁场，降低传输能量损耗，减少铝盘发热，并且能够更好地实现屏蔽效果。

所述的铁氧体片8为轴对称的三段阶梯状，第二段宽度大于第一段，第三段宽度大于第二段，第一段和第二段的厚度相同，第三段的厚度大于第一段和第二段。第一段靠近铝盘屏蔽层4圆心处，第三段位于铝盘屏蔽层4边缘。

所述的铁氧体片8尺寸通过如下过程计算：

电动乘用车的车身宽度均不足1900mm，本次设计将线圈的直径控制在520mm的范围内，即取铝盘屏蔽层4内缘的直径为520mm，即半径r4＝260mm，选用线径d0为3.9mm的利兹线作为第一线圈6，本次wpt充电器设计的初始数据如表2所示。

表2初始数据

考虑到增大空间利用率，以及现有的线材技术，选择了导线密铺的线圈。

如图15所示，由于系统采用了带pfc的ac/dc转换器，可以调节电压和电流使其同相位，在不考虑元器件老化和损耗的情况下，由基尔霍夫电压定律可得公式(1)-(3)。

式中为i1的共轭电流，由公式(3)可知传输功率与两个线圈的互感大小m和额定谐振圆频率ω0成反比，与两侧电路的电压成正比，反过来知道公式中的其他参数也可以确定m并进一步确定第一线圈6的内径r2和匝数n。

m0＝uabuab/ω0/pout＝400×356.4/85/2/3.14159/6.6μh＝40.44μh

图16所示是在满足功率的设计要求，即m0＝40.44μh时，线圈匝数n与内径r2的变化关系。随着线圈内径增加，所需匝数不断减小直至n＝14，而线圈内径越大，则线圈的品质因数也会增大，提高了线圈的抗偏移能力。但是，线圈内径过大的话，会导致其离充电器的外壳越近，会使漏磁增加。

图17所示是在满足功率的设计要求，即m0＝40.44μh时，第一线圈6的外径r3和耦合系数k与内径r2的变化关系。随着线圈内径增加，线圈的外径r3和k值呈现出阶梯状增长。也就是说，对于在同一阶梯上的规格来说，同时达到了一个极大值。最终的设计参数见表3。

表3第一线圈参数设计结果

在r2＝155mm，n＝16的模型基础上，针对铁氧体片8的设计需要建立新的参数，包括铁氧体屏蔽层内径r1和外径r5，同样，借助有限元来仿真和计算，结果如图18所示。

由图18可知，当铁氧体屏蔽层作用区域的内径r1从0增加到70mm时，整个wpt充电器的互感和耦合系数下降的均比较缓慢；而从70mm增加到200mm时，互感m和耦合系数k开始急剧下降；当r1增加到大于200mm时，m和k降到很低并且几乎已经不变了，这是因为第一线圈6外径为217.4mm，这个时候铁氧体屏蔽层内径已经在线圈之外，因此铁氧体屏蔽层内径r1取值0-70mm，有助于轻量化设计。

根据仿真结果，铁氧体屏蔽层内径r1＝65mm时互感m相比最大值减小不到1μh，耦合系数k减小不到0.003，但是却相当于在中间去掉了一块几乎不起作用的区域，起到了轻量化作用，避免了材料和成本的浪费。

从图19可以看出wpt充电器铁氧体作用区域的外径r5从250mm开始减小到150mm时，互感m和耦合系数k急剧降低；而当r5减小到150mm之后，互感m和耦合系数k几乎不变，这是因为第一线圈6的内径取的是155mm，此时铁氧体作用区域不覆盖线圈部分。

根据仿真结果，应当保持r5＝250mm，因为减小wpt充电器铁氧体作用区域的外径r5会导致互感m和耦合系数k明显地降低。

如图20所示，铁氧体片8尺寸计算过程如下：

设第一段的宽度为2d1，长度为d2，厚度为h1，第二段的宽度为2d3，长度为d4，厚度为h1，第三段的宽度为2d5，长度为d6，厚度为h2；其中k为铁氧体屏蔽层中铁氧体片8的数量8，则angle＝22.5°；

d1＝s0r1sinangle＝19.9mm，其中s0取0.8；

d2＝r2-r1＝90mm；

其中b1、b3分别为r1、r3处的磁场强度，

d3取最大值d3max＝r2tanangle＝64.2mm；

d4＝s1(r3-r2)＝74.9mm，其中s1取1.2；

其中b2、b4分别为r2、r4处的磁场强度，

d5取最大值d5max＝(r2+d4)tanangle＝d3+d4tanangle＝95.2mm；

其中s2取0.9；

s0、s1、s2为尺寸修正系数；

h1取值5～8mm，铁氧体的第三阶段与第二阶段的高差应该高于线圈的高度才能起到良好的屏蔽作用，因此h2不小于h1+d0，d0为第一线圈6的线径；

同一水平面上，铁氧体屏蔽层面积与第一线圈6最大外径形成的圆面积比不少于40％。

所述的电能发送装置1和电能接收装置2中，第一线圈6的内侧设有同心的第二线圈9，第二线圈9的电流与第一线圈6的电流相反，可以抑制三次磁场谐波，降低磁场噪声的辐射影响。

集成装置还包括一次侧补偿电路10、二次侧补偿电路11、滤波器12和整流器13，所述的一次侧补偿电路10设在电能发送装置1基座3上，一次侧补偿电路10一端与电能发送装置1中的第一线圈6相连，另一端与供电电路相连，供电电路包括电源14、ac/dc转换器15、buck电路16和dc/ac高频逆变器17，电源14、ac/dc转换器15、buck电路16和dc/ac高频逆变器17顺次相连，dc/ac高频逆变器17与一次侧补偿电路10相连；所述的二次侧补偿电路11设在电能接收装置2基座3上，二次侧补偿电路11一端与电能接收装置2中的第一线圈6相连，另一端与滤波器12相连，滤波器12另一端与整流器13相连，整流器13另一端经过功率调节器21与车载电池组18相连。

集成装置还包括控制器19，所述的控制器19设在电能发送装置1上，与一次侧补偿电路10相连，同时与供电电路相连，接收一次侧补偿电路10及供电电路中的相关数据并输出相应控制信号进行控制，控制器19与车载控制系统ecu20无线连接，接收车载控制系统ecu20的相关数据，车载控制系统ecu20与整流器13、滤波器12、功率调节器21以及车载电池组18相连，接收整流器13、滤波器12、功率调节器21以及车载电池组18的相关数据并输出相应控制信号进行控制。

控制器19选用freescale公司的处理器(mc9s12dg128)，cpu使用32位的mcu内核，使系统的运行速度快，能够适应电网波动等外部影响带来的谐振频率和充电优化的计算需求；总线频率不小于25mhz，存储器eeprom不小于4kb，ram不小于16kb，flasheeprom不小于256kb。

工作原理：

工作时给一次侧通入交流电源14，经过带功率因素校正(powerfactorcorrection，pfc)的ac/dc转换器15转化为直流电，然后经过buck电路16进行降压和调压，这样便可以控制输入的一次侧电压，可以实现动态调节；随后，高压直流电通过dc/ac高频逆变器17转化为所要求的高频交流方波来驱动一次侧补偿电路10，电能发送装置1中的第一线圈6便可以产生时变的磁场；根据法拉第电磁感应，在电能接收装置2中的第一线圈6中会产生感应电动势来驱动整个二次侧补偿电路11；由于补偿电路的存在，两侧的线圈产生的耦合磁场在同一频率下发生谐振，大大加强了两线圈之间的耦合系数，提高了传输效率。电能接收装置2谐振电路产生的交流电通过整流和滤波，变为用于给电池组18充电的直流电，并通过ecu进行功率控制，来调节通入电池组18的电功率。由于充电电网波动，外部干扰等因素，并且考虑到电池组的健康状态，需要进行无线数据传输通讯来确保充电安全，ecu给予控制器19期望的电路电压和电流，控制器19接收到之后，通过模糊控制器19进行模糊化、模糊控制和去模糊化，对期望值与当前实测值的偏差进行大、中、小来判断，根据不同的充电曲线来进行pid调节以跟随预期值，实现电池健康、充电时间、充电电流分配等的动态可调。