運用于電動汽車充電裝置的軟磁材料技術(shù)

1、運用于電動汽車充電裝置的運用于電動汽車充電裝置的軟磁材料技術(shù)軟磁材料技術(shù)l電動汽車充電技術(shù)概況l應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗錳鋅鐵氧體材料具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心無線充電磁耦合線圈磁心NS系列寬溫低功耗鐵硅鋁金屬磁粉心材料l附錄 電動汽車充電裝置用軟磁材料及器件產(chǎn)值預(yù)測目目 錄錄關(guān)于新能源關(guān)于新能源汽車的幾個汽車的幾個大數(shù)據(jù)大數(shù)據(jù)根據(jù)國務(wù)院印發(fā)的節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20122020年），到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量超過500萬輛。截至2014年年底，全國共建成780座充電站，3.1萬個充電樁，充電設(shè)施與新能源汽車保有量比例僅為1:4

2、左右，離標(biāo)配1:1差距很大。 工信部最新公布2015年19月份新能源汽車產(chǎn)量為15.6萬輛，同比增長近3倍。今年總產(chǎn)量可望達(dá)到22萬輛國務(wù)院辦公廳近日印發(fā)的關(guān)于加快電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見中指出，到2020年要建成滿足500萬輛以上電動汽車充電需求的充電基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)估計，這對應(yīng)充電站1.2萬個，充電樁450萬個，相關(guān)市場空間將超過1000億元。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l電動汽車充電裝置分類電動汽車充電裝置電動汽車充電裝置接觸式充電裝置接觸式充電裝置交流充電樁交流充電樁車載充電機車載充電機直流充電樁（非車載充電機）直流充電樁（非車載充電機）無線充電裝置無線充電裝置感應(yīng)式

3、感應(yīng)式諧振諧振感應(yīng)式感應(yīng)式諧振式諧振式電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l交流充電樁p輸入、輸出均為交流，所以需連接車載充電機將交流變換為直流，以便為動力電池充電。p輸出功率較?。壳爸髁鳛?632A，3.36.6kW），適合610h慢速充電。p電能未經(jīng)過轉(zhuǎn)換，所以電力電子部分無須使用磁性元器件。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l直流充電樁電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況p由開關(guān)電源模塊（充電機）、監(jiān)控單元、人機操作界面、與電動汽車之間的電氣接口、計量系統(tǒng)和通訊接口等部分組成。p輸出功率較大（10kW300kW）、輸出直流電壓范圍較寬（280V750V），可實現(xiàn)對各種動力

4、電池的直接快速充電。p涉及電能形式的轉(zhuǎn)換，必須使用磁性元器件。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l車載/非車載充電機電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況p將輸入交流整流成直流，再通過DC-DC變換環(huán)節(jié)來調(diào)整電壓、電流輸出，以便對動力電池充電。p在輸入、輸出EMI濾波、PFC、DC-DC變換、輔助電源等部分，都要使用磁性元器件。p車載充電機與交流充電樁配合使用，受到體積、重量等方面的限制，通常功率較小，適用于慢速充電。p非車載充電機通常為直流充電樁的一個組成部分，具有較大功率，可以輸出較大電流以便對動力電池進行快速充電。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l感應(yīng)式無線充電裝置電動汽

5、車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況p通過整流、逆變電路，將市電轉(zhuǎn)換為高頻交流電，利用發(fā)射端線圈和接收端線圈之間的磁感應(yīng)耦合，將電能由充電發(fā)射端饋送至車載接收端，再經(jīng)過整流、變換成電壓和電流符合要求的直流，為動力電池充電。p由于磁耦合線圈間距稍大，就會產(chǎn)生嚴(yán)重的漏磁，降低傳輸效率，所以發(fā)射端線圈和接收端線圈必須十分接近（12cm），這限制了實際應(yīng)用。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l諧振感應(yīng)式無線充電裝置電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況p在感應(yīng)式基礎(chǔ)上，運用LC諧振原理，使發(fā)射端和接收端線圈諧振于同一頻率，增加了傳輸距離（2030cm），提高了能量傳遞效率。p由于線圈間距較大，可

6、以設(shè)計安裝于地面和汽車底盤的發(fā)射、接收單元，實用性較強。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l諧振式無線充電裝置p基于麻省理工學(xué)院 2007年完成的一項無線電能諧振傳輸實驗，未來有望實現(xiàn)行駛中電動汽車的遠(yuǎn)距離（數(shù)米）無線充電。p目前在傳輸效率、功率等級、輻射危害等方面還有許多發(fā)展的瓶頸有待突破。電動汽車充電技術(shù)概況電動汽車充電技術(shù)概況l充電裝置中為什么需要軟磁材料？p滿足電磁兼容、安全等法律、行政法規(guī)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的需要，如：GB 17625.1-2003 低壓電器及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制（設(shè)備每相輸入電流不大于16 A）GB9254 -2008信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法應(yīng)

7、用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件p在車載/非車載充電機中實現(xiàn)電路功能的需要p在無線充電裝置中實現(xiàn)磁耦合及磁屏蔽的需要應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件l充電裝置中使用何種軟磁材料？p在車載/非車載充電機中可能用到：輸入共模EMI扼流圈磁心（高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體）；輸入差模EMI扼流圈磁心（鐵粉心或 FeSiAl金屬磁粉心）；PFC電感器磁心（低功耗MnZn鐵氧體或FeSiAl等金屬磁粉心）；DC-DC變換電路相關(guān)變壓器及電感器磁心（低功耗MnZn鐵氧體）；輸出平滑扼流圈磁心（低功耗MnZn鐵氧體或FeSiAl等金屬磁粉心）；輔助變壓器磁心（

8、低功耗MnZn鐵氧體）。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件p在無線充電發(fā)射部分中可能用到：輸入共模EMI扼流圈磁心（高磁導(dǎo)率MnZn鐵氧體）；輸入差模EMI扼流圈磁心（鐵粉心或 FeSiAl金屬磁粉心）；PFC電感器磁心（低功耗MnZn鐵氧體或FeSiAl金屬磁粉心）；DC-AC逆變電路相關(guān)變壓器及電感器磁心（低功耗MnZn鐵氧體）；輔助變壓器磁心（低功耗MnZn鐵氧體）。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件p在無線充電接收部分中可能用到：DC-DC變換電路相關(guān)變壓器及電感器磁心（低功耗MnZn鐵氧體）；輸出扼流圈及磁心（低功耗MnZn鐵氧體）

9、；輔助變壓器磁心（低功耗MnZn鐵氧體）。p在磁耦合部分中用到：磁耦合線圈磁心（MnZn鐵氧體）應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件l相比于一般室內(nèi)應(yīng)用的開關(guān)電源而言，電動汽車車載充電機的環(huán)境溫度范圍寬得多，要求從攝氏零下幾十度到一百度以上都要正常工作；直流充電樁的非車載充電機也大都安裝于戶外露天條件下，環(huán)境溫度范圍亦很寬。l傳統(tǒng)軟磁鐵氧體材料的功率損耗隨溫度的變化很大，僅能在很窄的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)低功耗。為了追求高功率密度、高效率、低溫升和高可靠性，希望充電機中使用的磁性元器件在很寬的工作溫度范圍內(nèi)能夠保持低功耗，這對傳統(tǒng)鐵氧體材料的功耗溫度特性提出了挑戰(zhàn)。應(yīng)用于充電裝

10、置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料l由于受到磁晶各向異性常數(shù)(K1)強溫度依賴性的影響，傳統(tǒng)MnZn鐵氧體材料僅僅能在K1補償為零的單一溫度點附近才能實現(xiàn)低磁滯損耗(Ph)和高磁導(dǎo)率(i)的特性。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料lNCD在深入研究影響K1的溫度依賴性的各種機理和因素基礎(chǔ)上，通過對材料配方、微量添加劑和制備工藝的全面技術(shù)創(chuàng)新，使K1補償為零的溫點由單一高溫點變成高、低溫兩個點，大大降低了磁晶各向異性對溫度的依賴性，開發(fā)的

11、LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料在寬溫范圍內(nèi)具有平坦的功耗溫度特性及磁導(dǎo)率溫度特性 。lMnZn鐵氧體的總體功耗Pcv由磁滯損耗Ph、渦流損耗Pe和剩余損耗Pr三部分構(gòu)成，即Pcv=Ph+Pe+Pr。在500kHz以內(nèi)Pr可以忽略。lNCD運用損耗分離技術(shù)精確地分析材料功耗的構(gòu)成情況。LP10材料在100kHz、200mT時，Ph呈現(xiàn)相對平坦的溫度特性，并出現(xiàn)高低溫兩個功耗谷點，這對應(yīng)K1的兩個補償零點；Pe也比傳統(tǒng)材料有所下降。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料05010015020025030002

12、0406080100120140160Pcv （kW/m3）T ( ) LP10：Ph, Pe vs. temperature100kHz, 200mT Pe Ph低溫補償點低溫補償點高溫補償點高溫補償點應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料l和現(xiàn)有寬溫低功耗鐵氧體材料LP9相比，LP10在室溫、100 、120和140 下的功耗分別降低了17% 、12%、14% 和18%。0100200300400500600020406080100120140160Pcv (kW/m3)T () Power loss vs.

13、temperature100kHz, 200mTLP9LP10應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料lLP10 材料的起始磁導(dǎo)率在寬溫范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，可以觀察到存在高、低溫兩個補償點。0500100015002000250030003500400045005000-60-40-20020406080100120140160180200220240260280iT () Initial permeability vs.temperature低溫補償點低溫補償點高溫補償點高溫補償點應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于

14、充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料項 目NCD-LP10NCD-LP9TDK-PC95FERROXCUBE-3C97FERROXCUBE-3C95起始磁導(dǎo)率i330025%330025%330025%300020%300025%飽和磁通密度Bs1200A/m (mT)530 (25)520 (25)530 (25)530 (25)530 (25)410 (100)410 (100)380 (120)410 (100)410 (100)剩余磁通密度Br (mT)90 (25)90 (25)85 (25)55 (120)居里溫度Tc ()215mi

15、n.215min.215min.215min.215min.密度d(kg/m3)49004900490048004800功率損耗Pcv 100kHz,200mT (kW/m3)320 (25)350 (25)350 (25)350 (25)310 (60)300 (80)280 (80)320 (60)300 (100)290 (100)320 (120)370 (120)350 (120)320 (120)380 (140)380 (140)lLP10與其它寬溫低功耗鐵氧體材料技術(shù)規(guī)格對照應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低損耗型寬溫低損耗MnZn鐵氧

16、體材料鐵氧體材料l用LP10材料制成的磁心可以替代傳統(tǒng)窄溫低功耗材料用于各類功率變換領(lǐng)域，尤其適用于環(huán)境溫度變化較大的車載充電機或戶外非車載充電機，作為功率變換器的主變壓器磁心、LLC諧振電感器磁心、PFC電感器磁心等，亦適用于無線充電裝置的車載和地面磁耦合線圈磁心。l下圖為NCD用LP10材料為客戶開發(fā)的3.3kW車載充電機主變壓器用PQ40型磁心及15kW非車載充電模組主變壓器用EE70型（兩副拼接）磁心。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件LP10型寬溫低功耗型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料鐵氧體材料l在充電機中，用于PFC電感器、輸出平滑扼流圈的鐵氧體磁心工作在直

17、流偏置條件下，常需要開制較大尺寸的氣隙，以提高磁心抗飽和的能力。l在充電機常用的高效率LLC變換器中，雖然諧振回路串有諧振電容，沒有直流成分，但變壓器T和諧振電感器Ls磁心通常也要通過開制氣隙，來降低有效磁導(dǎo)率和電感量，以便使諧振頻率位于合適的范圍內(nèi)。單純靠減少線圈匝數(shù)來降低電感量，將導(dǎo)致工作磁通密度振幅過大，而引起高損耗和高溫升。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心l在磁心氣隙處由于磁阻突然變大，會

18、產(chǎn)生大量的散磁通，這種交變磁通將在線圈導(dǎo)體中感生出渦流，引起氣隙損耗和溫升，既降低了效率，又增加了失效風(fēng)險。lNCD和客戶合作，設(shè)計和開發(fā)了多種分段氣隙磁心，用幾個小尺寸氣隙替代一個大尺寸集中氣隙，保持總氣隙尺寸不變。這樣在不改變磁心抗飽和能力的前提下，大大減小了氣隙損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率和可靠性。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心l從磁場仿真圖上可以看到，分段氣隙較集中氣隙的空間散磁通明顯減小。(注：磁場仿真系委托有關(guān)院校完成）應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件具有低氣隙損耗的分段氣隙磁

19、心具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心l下圖為NCD開發(fā)和生產(chǎn)的15kW非車載充電機功率模組主變壓器用EE70型分段氣隙鐵氧體磁心。平板方案E形方案應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件無線充電磁耦合線圈磁心無線充電磁耦合線圈磁心l 在電動汽車無線充電磁耦合部分，耦合線圈磁心的主要作用是：集中磁通于有效傳輸空間，減少漏磁通，提高耦合系數(shù)和能量傳輸效率；在線圈和車身之間形成磁屏蔽，避免高頻磁通在車身金屬部分產(chǎn)生渦流效應(yīng)。l運用磁場仿真技術(shù)對不同結(jié)構(gòu)和尺寸的磁心及線圈所產(chǎn)生的空間磁通分布狀態(tài)進行研究及優(yōu)化。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件無線充電磁耦合線圈

20、磁心無線充電磁耦合線圈磁心(注：磁場仿真系委托有關(guān)院校完成）l 由于停車位置不可能精確對位，所以須研究車載磁心和地面磁心錯位時，空間磁通分布的變化及其對能量傳輸狀態(tài)的影響。縱向錯位橫向錯位應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件無線充電磁耦合線圈磁心無線充電磁耦合線圈磁心(注：磁場仿真系委托有關(guān)院校完成）lNCD正在和整車廠開展戰(zhàn)略合作，研究開發(fā)用于電動汽車無線充電的先進技術(shù)和產(chǎn)品。目前已開發(fā)了磁耦合磁心適用的鐵氧體材料，試制了不同尺寸的磁心單元，采用這些磁心單元拼裝了不同結(jié)構(gòu)的地面和車載磁組件，進行了樣品測試和驗證。l利用上述磁組件搭建了2.2kW無線充電實驗平臺，在20

21、cm傳輸距離上，系統(tǒng)傳輸效率達(dá)到90%，取得了較滿意的結(jié)果。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件無線充電磁耦合線圈磁心無線充電磁耦合線圈磁心應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件無線充電磁耦合線圈磁心無線充電磁耦合線圈磁心l目前無線充電裝置已安裝在試驗用轎車上，進行相關(guān)測試。l在車載或非車載充電機的有源PFC電路中，PFC電感器的工作條件相對惡劣。以DCM模式為例，其電流波形為100Hz包絡(luò)線的大振幅三角波，三角波頻率常為幾十到100kHz。因此，PFC電感器磁心工作在高頻、大磁通密度和等效直流偏磁的嚴(yán)苛條件下。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于

22、充電裝置的軟磁材料及元件NS系列寬溫低功耗系列寬溫低功耗FeSiAl金屬磁粉心材料金屬磁粉心材料PFC電感器lPFC電感器磁心選材素來有兩種設(shè)計流派：鐵氧體磁心和FeSiAl等金屬磁粉心。l前者高頻下功耗較小，易于實現(xiàn)較高的效率，但受到鐵氧體較低的飽和磁通密度Bs的限制，需要設(shè)計較大的磁路面積和體積，不利于元器件的小型化。另外，由于PFC電感器工作時存在直流偏置磁場，磁路中須加開較大尺寸的氣隙以避免磁飽和，如何減少氣隙損耗也是一個棘手的問題。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件NS系列寬溫低功耗系列寬溫低功耗FeSiAl金屬磁粉心材料金屬磁粉心材料l后者在高頻下?lián)p耗較大

23、，但因為金屬軟磁材料Bs是鐵氧體材料的23倍，所以可以設(shè)計較高的工作磁通密度而減小元器件體積。另外，磁粉心本身結(jié)構(gòu)上已具備分布式氣隙，無需再加開集中式氣隙，無氣隙損耗之虞。另外，由于分布式氣隙帶來的 “軟飽和”特性，也使金屬磁粉心比鐵氧體磁心在大直流偏置下工作更加安全，不會突然進入飽和區(qū)而導(dǎo)致元器件失效。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件NS系列寬溫低功耗系列寬溫低功耗FeSiAl金屬磁粉心材料金屬磁粉心材料l由于FeSiAl等金屬磁粉心具有上述優(yōu)點，隨著其價格的下降，在各類電源設(shè)計中已越來越多地被用于PFC電感器。在電動汽車充電機中，尤其是大功率非車載充電機中也是如此。l傳統(tǒng)的FeSiAl磁粉心材料功耗具有較大的正溫度系數(shù)，即隨著溫度的上升損耗增加，這加大了溫升，又導(dǎo)致更大的損耗產(chǎn)生。這種狀態(tài)不僅影響了效率，而且易發(fā)生熱失控，導(dǎo)致溫升過高而燒毀線圈。lNCD采用先進的合金制備技術(shù)，開發(fā)了具有寬溫低功耗優(yōu)異特性的NS系列FeSiAl合