一种基于LCL谐振补偿拓扑的电动汽车无线充电用双三明治集成化磁耦合结构

一种基于lcl谐振补偿拓扑的电动汽车无线充电用双三明治集成化磁耦合结构
技术领域
1.本发明无线充电技术领域，更具体地说，提供了一种基于lcl谐振补偿拓扑的低成本高参数灵活性无线充电用的集成化磁耦合结构设计方法。


背景技术：

2.随着新能源时代的到来，电动汽车日益普及，而目前电动汽车普遍采用有线充电方式，虽然其技术相对成熟，且成本相对较低，但在充电过程中存在易漏电、接插件易老化等问题。采用无线充电技术能够在实现电网与电动汽车之间完全电气隔离的同时又很好的规避了有线充电所带来的问题。
3.为了最大限度降低损耗，进而提高系统传输效率；电动汽车无线充电系统多采用谐振电容、谐振电感进行无功分量补偿的方法，在实现软开关的同时能够完成恒压\恒流输出。在谐振网络配置中具有更多谐振电感、谐振电容的复合谐振拓扑，增加了系统阶数，使系统参数设计更加灵活，且能够有效减小开关器件应力广泛应用于电动汽车无线充电领域。但引入额外的谐振电感会在影响系统效率的同时增加系统体积及设计成本。
4.目前，无线充电用集成化电磁耦合结构研究较少，并多数存在铁氧体磁芯利用率较低、交叉耦合系数较难完全忽略等问题。


技术实现要素：

5.本发明针对电动汽车无线充电用复合型lcl谐振补偿拓扑，额外的谐振电感会影响系统体积，增加系统成本，因而可将谐振补偿电感集成于能量传输结构侧。本发明针对以下几个问题进行设计。首先，无线充电用电磁耦合结构属于空间开放式磁路，需在确保生物安全性即漏磁最小化的同时将谐振电感集成于磁耦合结构。其次，将谐振电感集成于功率传输线圈则会引入导致谐振电感与主功率传输线圈间产生额外的耦合(即称为交叉耦合系数)，增加谐振补偿拓扑阶数，影响系统稳定性。提出一种基于lcl谐振补偿拓扑的电动汽车无线充电用双三明治集成化磁耦合结构设计方案。该方案在空间上去掉外置谐振电感、减小系统体积、降低设计成本，确保较高的参数设计灵活性。
6.为解决上述问题，本发明提供了一种双三明治集成化磁耦合结构设计方案，旨在将谐振电感集成于功率传输结构，空间上去掉外置谐振电感，降低无线充电系统设计成本。所述结构包括：
7.相对放置的能量发射机构与能量接收机构，接收机构与发射机构同轴设置，发射与接收机构之间存在气隙，其中，发射机构从外到内依次为：屏蔽薄层一、设于屏蔽薄层一上的谐振补偿线圈一、设于谐振补偿线圈一上的磁芯一、及设于磁芯一上的能量发射线圈一，上述结构均同心设置；
8.接收机构从外到内依次为：屏蔽薄层二、设于屏蔽薄层二上的谐振补偿线圈二、设于谐振补偿线圈二上的磁芯二、及设于磁芯二上的能量接收线圈二，上述结构均同心设置；
9.屏蔽层为方形结构其边长略大于磁芯直径，磁芯一外半径与磁芯二外半径尺寸相同；
10.进一步的，所述屏蔽薄层、磁芯均为宽温高饱和特性锰锌铁氧体材质；
11.进一步的，所述磁芯一及磁芯二均由若干“i”字型磁条组成，构成环形均匀分布，两磁条之间存在间隙；
12.进一步的，能量发射线圈一为环形结构，其外径小于磁芯一外径，内径大于磁芯一内径；
13.进一步的，能量接收线圈一为环形结构，其外径小于磁芯二外径，内径大于磁芯二内径；
14.进一步的，谐振补偿线圈一为双半圆形结构，半圆一绕制方向为顺时针绕制，半圆二绕制方向为逆时针绕制，其半径等于能量发射线圈一外径；谐振补偿线圈二为双半圆形结构，半圆三绕制方向为顺时针绕制，半圆四绕制方向为逆时针绕制，其半径等于能量接收线圈二外径；其谐振补偿线圈一与谐振补偿线圈二空间呈现90
°
垂直放置。
15.与现有技术相比，本技术提出的集成化电磁耦合结构具有的技术效果或优点是：通过将谐振电感集成于功率传输结构，空间去掉外置谐振电感，在确保较高的参数设计灵活性的同时降低无线充电系统设计成本。
16.以下结合附图以实施例作详细说明。
附图说明
17.图1为lcl-lcl谐振补偿拓
18.图2为集成化lcl-lcl谐振补偿拓扑
19.图3为本实施例所述双三明治集成化电磁耦合结构
20.图4为谐振补偿线圈垂直化放置方式
21.图5为双三明治集成化磁耦合结构磁通分布图示
22.图6为双三明治集成化磁耦合结构主要设计变量
23.图7为主功率传输线圈宽度与耦合系数关系图
24.图8为单侧双级谐振补偿线圈不同间距时的磁密云图
25.图9为谐振补偿线圈尺寸与损耗的关系分布曲线
26.图10为双三明治集成化磁耦合结构屏蔽层外500mm处磁通分布情况
27.图11为传统分立式能量传输结构屏蔽层外500mm处磁通分布情况
具体实施方式
28.本技术通过提供一种电动汽车无线充电用集成化电磁耦合结构，将复合型谐振拓扑中谐振电感集成于功率传输结构，减小无线充电系统体积及设计成本，增加系统传输效率。
29.为更好理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及最佳实施方式，对上述技术方案进行详细的说明。
30.实施实例：
31.本实施例适用于电动汽车无线充电用lcl-lcl谐振补偿拓扑。具体为：图 1所述为
lcl-lcl谐振补偿拓扑，其存在额外谐振电感造成损耗与较大体积的问题。通过将谐振电感集成化后需考虑如图2所述的互感特性。额外的互感所产生的交叉耦合效应会使增高系统阶数，影响系统的稳定性。可通过本实施例将额外的耦合系数尽可能减小至可忽略状态。
32.具体的，本实施例中单级线圈为能量传输线圈。将双级线圈为谐振补偿电感集成于能量传输线圈。其结构示意图如图3所示。图3中，0301是铁氧体屏蔽层，0302是双级谐振补偿电感，0303是功率铁氧体棒，0304是能量传输线圈绕组。
33.在本实施例中，双级线圈谐振补偿电感线圈为litz线绕制。按照如图4所述垂直特性进行放置。即因dd型线圈可产生水平方向磁场，该放置方案可保证谐振补偿电感1与谐振补偿电感2所产生的磁场空间上垂直交链，谐振补偿电感的交叉耦合系数降到最低。
34.在本实施例中，双级谐振电感与能量传输线圈的电流流通方式及磁场分布情况如图5所示。确保谐振补偿电感间电流流通方向为180
°
导通，即谐振补偿电感左半部分产生的磁场与右半部分产生的磁场在能量传输线圈侧的大小相等方向相反。
35.在本实施例中，其关于谐振补偿电感集成化的设计变量如图6所示，图6 中，0601是能量传输线圈宽度，0602是双级谐振补偿线圈间距离，0603是双级谐振补偿线圈半径。其中能量传输线圈采用圆形结构，其耦合系数随着线圈宽度的变化关系如图7所示。即在圆形能量传输线圈中，传输线圈宽度影响耦合系数大小，进一步影响系统传输效率。本实施例是在最优耦合系数下完成的系统设计。
36.进一步的，图6中0602涉及到铁氧体屏蔽层内磁通量大小。以10mm宽度为间隔其不同间隔下铁氧体屏蔽层的磁密云图如图8所示，即在本实施例中，令谐振补偿电感线圈的间距为0mm。
37.特别的，在本实施例中，0603即谐振补偿线圈半径直接影响磁耦合系统谐振电感的损耗。当谐振补偿线圈半径很小时，参与谐振补偿线圈磁通路的磁芯面积较小，需较多的线圈匝数才可达到所需谐振电感量，因而线圈的铜损耗较大，但是磁损耗较小。随着谐振补偿线圈半径的增加，达到相同电感量所需的线圈匝数减小，铜损耗始终呈现减小趋势；双级谐振补偿线圈半径的增加导致系统磁芯损耗先增加后减小。定性分析谐振补偿线圈尺寸与损耗的关系如图9 所示。即可确保在本实施例中，取谐振补偿线圈的半径最大化时绕制该线圈。
38.值得一提的，本实施例中涉及的集成化谐振补偿线圈相比传统分立式能量传输机构来说具有更好的电磁泄漏特性，其距离屏蔽层外500mm处磁通分布情况如图10所示。相同工况下传统分立式能量传输机构电磁泄漏特性如图11所示。对比可知本实施例的电磁泄漏磁场值小于传统分立式能量传输线圈，且均小于国家对此的相关规定。且本实施例中谐振电感不需要额外铁氧体磁芯，确保该电磁耦合结构更加环保经济。