[发明专利]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

说明书

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。

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；