運(yùn)用于電動(dòng)汽車充電裝置的軟磁材料技術(shù)

運(yùn)用于電動(dòng)汽車充電裝置的軟磁材料技術(shù)電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況應(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(wú)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附錄

電動(dòng)汽車充電裝置用軟磁材料及器件產(chǎn)值預(yù)測(cè)目錄關(guān)于新能源汽車的幾個(gè)大數(shù)據(jù)根據(jù)國(guó)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（2012－2020年）》，到2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量超過(guò)500萬(wàn)輛。截至2014年年底，全國(guó)共建成780座充電站，3.1萬(wàn)個(gè)充電樁，充電設(shè)施與新能源汽車保有量比例僅為1:4左右，離標(biāo)配1:1差距很大。工信部最新公布2015年1~9月份新能源汽車產(chǎn)量為15.6萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)近3倍。今年總產(chǎn)量可望達(dá)到22萬(wàn)輛國(guó)務(wù)院辦公廳近日印發(fā)的《關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出，到2020年要建成滿足500萬(wàn)輛以上電動(dòng)汽車充電需求的充電基礎(chǔ)設(shè)施。據(jù)估計(jì)，這對(duì)應(yīng)充電站1.2萬(wàn)個(gè)，充電樁450萬(wàn)個(gè)，相關(guān)市場(chǎng)空間將超過(guò)1000億元。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況電動(dòng)汽車充電裝置分類電動(dòng)汽車充電裝置接觸式充電裝置交流充電樁車載充電機(jī)直流充電樁（非車載充電機(jī)）無(wú)線充電裝置感應(yīng)式諧振—感應(yīng)式諧振式電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況交流充電樁輸入、輸出均為交流，所以需連接車載充電機(jī)將交流變換為直流，以便為動(dòng)力電池充電。輸出功率較?。壳爸髁鳛?6~32A，3.3~6.6kW），適合6~10h慢速充電。電能未經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，所以電力電子部分無(wú)須使用磁性元器件。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況直流充電樁電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況由開(kāi)關(guān)電源模塊（充電機(jī)）、監(jiān)控單元、人機(jī)操作界面、與電動(dòng)汽車之間的電氣接口、計(jì)量系統(tǒng)和通訊接口等部分組成。輸出功率較大（10kW~300kW）、輸出直流電壓范圍較寬（280V~750V），可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種動(dòng)力電池的直接快速充電。涉及電能形式的轉(zhuǎn)換，必須使用磁性元器件。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況車載/非車載充電機(jī)電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況將輸入交流整流成直流，再通過(guò)DC-DC變換環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)整電壓、電流輸出，以便對(duì)動(dòng)力電池充電。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。車載充電機(jī)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。非車載充電機(jī)通常為直流充電樁的一個(gè)組成部分，具有較大功率，可以輸出較大電流以便對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行快速充電。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況感應(yīng)式無(wú)線充電裝置電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況通過(guò)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(guò)整流、變換成電壓和電流符合要求的直流，為動(dòng)力電池充電。由于磁耦合線圈間距稍大，就會(huì)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（1~2cm），這限制了實(shí)際應(yīng)用。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況諧振—感應(yīng)式無(wú)線充電裝置電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況在感應(yīng)式基礎(chǔ)上，運(yùn)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（20~30cm），提高了能量傳遞效率。由于線圈間距較大，可以設(shè)計(jì)安裝于地面和汽車底盤(pán)的發(fā)射、接收單元，實(shí)用性較強(qiáng)。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況諧振式無(wú)線充電裝置基于麻省理工學(xué)院2007年完成的一項(xiàng)無(wú)線電能諧振傳輸實(shí)驗(yàn)，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)行駛中電動(dòng)汽車的遠(yuǎn)距離（數(shù)米）無(wú)線充電。目前在傳輸效率、功率等級(jí)、輻射危害等方面還有許多發(fā)展的瓶頸有待突破。電動(dòng)汽車充電技術(shù)概況充電裝置中為什么需要軟磁材料？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：GB17625.1-2003《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16A）》GB9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無(wú)線電騷擾限值和測(cè)量方法>應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件在車載/非車載充電機(jī)中實(shí)現(xiàn)電路功能的需要在無(wú)線充電裝置中實(shí)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充電裝置中使用何種軟磁材料？在車載/非車載充電機(jī)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（低功耗MnZn鐵氧體）。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件在無(wú)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在無(wú)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）；輔助變壓器磁心（低功耗MnZn鐵氧體）。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相比于一般室內(nèi)應(yīng)用的開(kāi)關(guān)電源而言，電動(dòng)汽車車載充電機(jī)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(jī)也大都安裝于戶外露天條件下，環(huán)境溫度范圍亦很寬。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(shí)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(jī)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(duì)傳統(tǒng)鐵氧體材料的功耗溫度特性提出了挑戰(zhàn)。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料由于受到磁晶各向異性常數(shù)(K1)強(qiáng)溫度依賴性的影響，傳統(tǒng)MnZn鐵氧體材料僅僅能在K1補(bǔ)償為零的單一溫度點(diǎn)附近才能實(shí)現(xiàn)低磁滯損耗(Ph)和高磁導(dǎo)率(μi)的特性。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料NCD在深入研究影響K1的溫度依賴性的各種機(jī)理和因素基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)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(bǔ)償為零的溫點(diǎn)由單一高溫點(diǎn)變成高、低溫兩個(gè)點(diǎn)，大大降低了磁晶各向異性對(duì)溫度的依賴性，開(kāi)發(fā)的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。MnZn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。NCD運(yùn)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(shí)，Ph呈現(xiàn)相對(duì)平坦的溫度特性，并出現(xiàn)高低溫兩個(gè)功耗谷點(diǎn)，這對(duì)應(yīng)K1的兩個(gè)補(bǔ)償零點(diǎn)；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——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料PePh低溫補(bǔ)償點(diǎn)高溫補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料和現(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%。LP9LP10應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料LP10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(gè)補(bǔ)償點(diǎn)。低溫補(bǔ)償點(diǎn)高溫補(bǔ)償點(diǎn)應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料項(xiàng)目NCD-LP10NCD-LP9TDK-PC95FERROXCUBE-3C97FERROXCUBE-3C95起始磁導(dǎo)率μi3300±25%3300±25%3300±25%3000±20%3000±25%飽和磁通密度Bs@1200A/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(℃)215min.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℃)LP10與其它寬溫低功耗鐵氧體材料技術(shù)規(guī)格對(duì)照應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——LP10型寬溫低損耗MnZn鐵氧體材料用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(jī)或戶外非車載充電機(jī)，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(wú)線充電裝置的車載和地面磁耦合線圈磁心。下圖為NCD用LP10材料為客戶開(kāi)發(fā)的3.3kW車載充電機(jī)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——LP10型寬溫低功耗MnZn鐵氧體材料在充電機(jī)中，用于PFC電感器、輸出平滑扼流圈的鐵氧體磁心工作在直流偏置條件下，常需要開(kāi)制較大尺寸的氣隙，以提高磁心抗飽和的能力。在充電機(jī)常用的高效率LLC變換器中，雖然諧振回路串有諧振電容，沒(méi)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(guò)開(kāi)制氣隙，來(lái)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(lái)降低電感量，將導(dǎo)致工作磁通密度振幅過(guò)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——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——具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心在磁心氣隙處由于磁阻突然變大，會(huì)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(xiǎn)。NCD和客戶合作，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了多種分段氣隙磁心，用幾個(gè)小尺寸氣隙替代一個(gè)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——具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心從磁場(chǎng)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(chǎng)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——具有低氣隙損耗的分段氣隙磁心下圖為NCD開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的15kW非車載充電機(jī)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——無(wú)線充電磁耦合線圈磁心在電動(dòng)汽車無(wú)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)。運(yùn)用磁場(chǎng)仿真技術(shù)對(duì)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(jìn)行研究及優(yōu)化。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——無(wú)線充電磁耦合線圈磁心(注：磁場(chǎng)仿真系委托有關(guān)院校完成）由于停車位置不可能精確對(duì)位，所以須研究車載磁心和地面磁心錯(cuò)位時(shí)，空間磁通分布的變化及其對(duì)能量傳輸狀態(tài)的影響?？v向錯(cuò)位橫向錯(cuò)位應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——無(wú)線充電磁耦合線圈磁心(注：磁場(chǎng)仿真系委托有關(guān)院校完成）NCD正在和整車廠開(kāi)展戰(zhàn)略合作，研究開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)汽車無(wú)線充電的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品。目前已開(kāi)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(jìn)行了樣品測(cè)試和驗(yàn)證。利用上述磁組件搭建了2.2kW無(wú)線充電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在20cm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——無(wú)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——無(wú)線充電磁耦合線圈磁心目前無(wú)線充電裝置已安裝在試驗(yàn)用轎車上，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。在車載或非車載充電機(jī)的有源PFC電路中，PFC電感器的工作條件相對(duì)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——NS系列寬溫低功耗FeSiAl金屬磁粉心材料PFC電感器PFC電感器磁心選材素來(lái)有兩種設(shè)計(jì)流派：鐵氧體磁心和FeSiAl等金屬磁粉心。前者高頻下功耗較小，易于實(shí)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(jì)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(shí)存在直流偏置磁場(chǎng)，磁路中須加開(kāi)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(gè)棘手的問(wèn)題。應(yīng)用于充電裝置的軟磁材料及元件——NS系列寬溫低功耗FeSiAl金屬磁粉心材料后者在高頻下?lián)p耗較大，但因?yàn)榻饘佘洿挪牧螧s是鐵氧體材料的2~3倍，所以可以設(shè)計(jì)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(wú)需再加開(kāi)集中式氣隙，無(wú)氣隙損耗之虞。另外，由于分布式氣隙帶來(lái)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(huì)突然進(jìn)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——NS系列寬溫低功耗FeSiAl金屬磁粉心材料由于FeSiAl等金屬磁粉心具有上述優(yōu)點(diǎn)，隨著其價(jià)格的下降，在各類電源設(shè)計(jì)中已越來(lái)越多地被用于PFC電感器。在電動(dòng)汽車充電機(jī)中，尤其是大功率非車載充電機(jī)中也是如此。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(guò)高而燒毀線圈。NCD采用先進(jìn)的合金制備技術(shù)，開(kāi)發(fā)了具有寬溫低功耗優(yōu)異特性的NS系列FeSiAl合金材料，其功耗不僅溫度系數(shù)很小，而且整體功耗較低，非常適用于追求高可靠