运用于电动汽车充电装置的软磁材料技术

运用于电动汽车充电装置的软磁材料技术电动汽车充电技术概况应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗锰锌铁氧体材料——具有低气隙损耗的分段气隙磁心——无线充电磁耦合线圈磁心——NS系列宽温低功耗铁硅铝金属磁粉心材料附录

电动汽车充电装置用软磁材料及器件产值预测目录关于新能源汽车的几个大数据根据国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012－2020年）》，到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量超过500万辆。截至2014年年底，全国共建成780座充电站，3.1万个充电桩，充电设施与新能源汽车保有量比例仅为1:4左右，离标配1:1差距很大。工信部最新公布2015年1~9月份新能源汽车产量为15.6万辆，同比增长近3倍。今年总产量可望达到22万辆国务院办公厅近日印发的《关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见》中指出，到2020年要建成满足500万辆以上电动汽车充电需求的充电基础设施。据估计，这对应充电站1.2万个，充电桩450万个，相关市场空间将超过1000亿元。电动汽车充电技术概况电动汽车充电装置分类电动汽车充电装置接触式充电装置交流充电桩车载充电机直流充电桩（非车载充电机）无线充电装置感应式谐振—感应式谐振式电动汽车充电技术概况交流充电桩输入、输出均为交流，所以需连接车载充电机将交流变换为直流，以便为动力电池充电。输出功率较小（目前主流为16~32A，3.3~6.6kW），适合6~10h慢速充电。电能未经过转换，所以电力电子部分无须使用磁性元器件。电动汽车充电技术概况直流充电桩电动汽车充电技术概况由开关电源模块（充电机）、监控单元、人机操作界面、与电动汽车之间的电气接口、计量系统和通讯接口等部分组成。输出功率较大（10kW~300kW）、输出直流电压范围较宽（280V~750V），可实现对各种动力电池的直接快速充电。涉及电能形式的转换，必须使用磁性元器件。电动汽车充电技术概况车载/非车载充电机电动汽车充电技术概况将输入交流整流成直流，再通过DC-DC变换环节来调整电压、电流输出，以便对动力电池充电。在输入、输出EMI滤波、PFC、DC-DC变换、辅助电源等部分，都要使用磁性元器件。车载充电机与交流充电桩配合使用，受到体积、重量等方面的限制，通常功率较小，适用于慢速充电。非车载充电机通常为直流充电桩的一个组成部分，具有较大功率，可以输出较大电流以便对动力电池进行快速充电。电动汽车充电技术概况感应式无线充电装置电动汽车充电技术概况通过整流、逆变电路，将市电转换为高频交流电，利用发射端线圈和接收端线圈之间的磁感应耦合，将电能由充电发射端馈送至车载接收端，再经过整流、变换成电压和电流符合要求的直流，为动力电池充电。由于磁耦合线圈间距稍大，就会产生严重的漏磁，降低传输效率，所以发射端线圈和接收端线圈必须十分接近（1~2cm），这限制了实际应用。电动汽车充电技术概况谐振—感应式无线充电装置电动汽车充电技术概况在感应式基础上，运用LC谐振原理，使发射端和接收端线圈谐振于同一频率，增加了传输距离（20~30cm），提高了能量传递效率。由于线圈间距较大，可以设计安装于地面和汽车底盘的发射、接收单元，实用性较强。电动汽车充电技术概况谐振式无线充电装置基于麻省理工学院2007年完成的一项无线电能谐振传输实验，未来有望实现行驶中电动汽车的远距离（数米）无线充电。目前在传输效率、功率等级、辐射危害等方面还有许多发展的瓶颈有待突破。电动汽车充电技术概况充电装置中为什么需要软磁材料？满足电磁兼容、安全等法律、行政法规和相关标准要求的需要，如：GB17625.1-2003《低压电器及电子设备发出的谐波电流限制（设备每相输入电流不大于16A）》GB9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法>应用于充电装置的软磁材料及元件在车载/非车载充电机中实现电路功能的需要在无线充电装置中实现磁耦合及磁屏蔽的需要应用于充电装置的软磁材料及元件充电装置中使用何种软磁材料？在车载/非车载充电机中可能用到：输入共模EMI扼流圈磁心（高磁导率MnZn铁氧体）；输入差模EMI扼流圈磁心（铁粉心或FeSiAl金属磁粉心）；PFC电感器磁心（低功耗MnZn铁氧体或FeSiAl等金属磁粉心）；DC-DC变换电路相关变压器及电感器磁心（低功耗MnZn铁氧体）；输出平滑扼流圈磁心（低功耗MnZn铁氧体或FeSiAl等金属磁粉心）；辅助变压器磁心（低功耗MnZn铁氧体）。应用于充电装置的软磁材料及元件在无线充电发射部分中可能用到：输入共模EMI扼流圈磁心（高磁导率MnZn铁氧体）；输入差模EMI扼流圈磁心（铁粉心或FeSiAl金属磁粉心）；PFC电感器磁心（低功耗MnZn铁氧体或FeSiAl金属磁粉心）；DC-AC逆变电路相关变压器及电感器磁心（低功耗MnZn铁氧体）；辅助变压器磁心（低功耗MnZn铁氧体）。应用于充电装置的软磁材料及元件在无线充电接收部分中可能用到：DC-DC变换电路相关变压器及电感器磁心（低功耗MnZn铁氧体）；输出扼流圈及磁心（低功耗MnZn铁氧体）；辅助变压器磁心（低功耗MnZn铁氧体）。在磁耦合部分中用到：磁耦合线圈磁心（MnZn铁氧体）应用于充电装置的软磁材料及元件相比于一般室内应用的开关电源而言，电动汽车车载充电机的环境温度范围宽得多，要求从摄氏零下几十度到一百度以上都要正常工作；直流充电桩的非车载充电机也大都安装于户外露天条件下，环境温度范围亦很宽。传统软磁铁氧体材料的功率损耗随温度的变化很大，仅能在很窄的温度范围内实现低功耗。为了追求高功率密度、高效率、低温升和高可靠性，希望充电机中使用的磁性元器件在很宽的工作温度范围内能够保持低功耗，这对传统铁氧体材料的功耗温度特性提出了挑战。应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料由于受到磁晶各向异性常数(K1)强温度依赖性的影响，传统MnZn铁氧体材料仅仅能在K1补偿为零的单一温度点附近才能实现低磁滞损耗(Ph)和高磁导率(μi)的特性。应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料NCD在深入研究影响K1的温度依赖性的各种机理和因素基础上，通过对材料配方、微量添加剂和制备工艺的全面技术创新，使K1补偿为零的温点由单一高温点变成高、低温两个点，大大降低了磁晶各向异性对温度的依赖性，开发的LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料在宽温范围内具有平坦的功耗温度特性及磁导率温度特性。MnZn铁氧体的总体功耗Pcv由磁滞损耗Ph、涡流损耗Pe和剩余损耗Pr三部分构成，即Pcv=Ph+Pe+Pr。在500kHz以内Pr可以忽略。NCD运用损耗分离技术精确地分析材料功耗的构成情况。LP10材料在100kHz、200mT时，Ph呈现相对平坦的温度特性，并出现高低温两个功耗谷点，这对应K1的两个补偿零点；Pe也比传统材料有所下降。应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料PePh低温补偿点高温补偿点应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料和现有宽温低功耗铁氧体材料LP9相比，LP10在室温、100℃、120℃和140℃下的功耗分别降低了17%、12%、14%和18%。LP9LP10应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料LP10材料的起始磁导率在宽温范围内保持稳定，可以观察到存在高、低温两个补偿点。低温补偿点高温补偿点应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料项目NCD-LP10NCD-LP9TDK-PC95FERROXCUBE-3C97FERROXCUBE-3C95起始磁导率µi3300±25%3300±25%3300±25%3000±20%3000±25%饱和磁通密度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℃)居里温度Tc(℃)215min.215min.215min.215min.215min.密度d(kg/m3)49004900490048004800功率损耗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与其它宽温低功耗铁氧体材料技术规格对照应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低损耗MnZn铁氧体材料用LP10材料制成的磁心可以替代传统窄温低功耗材料用于各类功率变换领域，尤其适用于环境温度变化较大的车载充电机或户外非车载充电机，作为功率变换器的主变压器磁心、LLC谐振电感器磁心、PFC电感器磁心等，亦适用于无线充电装置的车载和地面磁耦合线圈磁心。下图为NCD用LP10材料为客户开发的3.3kW车载充电机主变压器用PQ40型磁心及15kW非车载充电模组主变压器用EE70型（两副拼接）磁心。应用于充电装置的软磁材料及元件——LP10型宽温低功耗MnZn铁氧体材料在充电机中，用于PFC电感器、输出平滑扼流圈的铁氧体磁心工作在直流偏置条件下，常需要开制较大尺寸的气隙，以提高磁心抗饱和的能力。在充电机常用的高效率LLC变换器中，虽然谐振回路串有谐振电容，没有直流成分，但变压器T和谐振电感器Ls磁心通常也要通过开制气隙，来降低有效磁导率和电感量，以便使谐振频率位于合适的范围内。单纯靠减少线圈匝数来降低电感量，将导致工作磁通密度振幅过大，而引起高损耗和高温升。应用于充电装置的软磁材料及元件——具有低气隙损耗的分段气隙磁心应用于充电装置的软磁材料及元件——具有低气隙损耗的分段气隙磁心在磁心气隙处由于磁阻突然变大，会产生大量的散磁通，这种交变磁通将在线圈导体中感生出涡流，引起气隙损耗和温升，既降低了效率，又增加了失效风险。NCD和客户合作，设计和开发了多种分段气隙磁心，用几个小尺寸气隙替代一个大尺寸集中气隙，保持总气隙尺寸不变。这样在不改变磁心抗饱和能力的前提下，大大减小了气隙损耗，提高了转换效率和可靠性。应用于充电装置的软磁材料及元件——具有低气隙损耗的分段气隙磁心从磁场仿真图上可以看到，分段气隙较集中气隙的空间散磁通明显减小。(注：磁场仿真系委托有关院校完成）应用于充电装置的软磁材料及元件——具有低气隙损耗的分段气隙磁心下图为NCD开发和生产的15kW非车载充电机功率模组主变压器用EE70型分段气隙铁氧体磁心。平板方案E形方案应用于充电装置的软磁材料及元件——无线充电磁耦合线圈磁心在电动汽车无线充电磁耦合部分，耦合线圈磁心的主要作用是：集中磁通于有效传输空间，减少漏磁通，提高耦合系数和能量传输效率；在线圈和车身之间形成磁屏蔽，避免高频磁通在车身金属部分产生涡流效应。运用磁场仿真技术对不同结构和尺寸的磁心及线圈所产生的空间磁通分布状态进行研究及优化。应用于充电装置的软磁材料及元件——无线充电磁耦合线圈磁心(注：磁场仿真系委托有关院校完成）由于停车位置不可能精确对位，所以须研究车载磁心和地面磁心错位时，空间磁通分布的变化及其对能量传输状态的影响。纵向错位横向错位应用于充电装置的软磁材料及元件——无线充电磁耦合线圈磁心(注：磁场仿真系委托有关院校完成）NCD正在和整车厂开展战略合作，研究开发用于电动汽车无线充电的先进技术和产品。目前已开发了磁耦合磁心适用的铁氧体材料，试制了不同尺寸的磁心单元，采用这些磁心单元拼装了不同结构的地面和车载磁组件，进行了样品测试和验证。利用上述磁组件搭建了2.2kW无线充电实验平台，在20cm传输距离上，系统传输效率达到90%，取得了较满意的结果。应用于充电装置的软磁材料及元件——无线充电磁耦合线圈磁心应用于充电装置的软磁材料及元件——无线充电磁耦合线圈磁心目前无线充电装置已安装在试验用轿车上，进行相关测试。在车载或非车载充电机的有源PFC电路中，PFC电感器的工作条件相对恶劣。以DCM模式为例，其电流波形为100Hz包络线的大振幅三角波，三角波频率常为几十到100kHz。因此，PFC电感器磁心工作在高频、大磁通密度和等效直流偏磁的严苛条件下。应用于充电装置的软磁材料及元件——NS系列宽温低功耗FeSiAl金属磁粉心材料PFC电感器PFC电感器磁心选材素来有两种设计流派：铁氧体磁心和FeSiAl等金属磁粉心。前者高频下功耗较小，易于实现较高的效率，但受到铁氧体较低的饱和磁通密度Bs的限制，需要设计较大的磁路面积和体积，不利于元器件的小型化。另外，由于PFC电感器工作时存在直流偏置磁场，磁路中须加开较大尺寸的气隙以避免磁饱和，如何减少气隙损耗也是一个棘手的问题。应用于充电装置的软磁材料及元件——NS系列宽温低功耗FeSiAl金属磁粉心材料后者在高频下损耗较大，但因为金属软磁材料Bs是铁氧体材料的2~3倍，所以可以设计较高的工作磁通密度而减小元器件体积。另外，磁粉心本身结构上已具备分布式气隙，无需再加开集中式气隙，无气隙损耗之虞。另外，由于分布式气隙带来的“软饱和”特性，也使金属磁粉心比铁氧体磁心在大直流偏置下工作更加安全，不会突然进入饱和区而导致元器件失效。应用于充电装置的软磁材料及元件——NS系列宽温低功耗FeSiAl金属磁粉心材料由于FeSiAl等金属磁粉心具有上述优点，随着其价格的下降，在各类电源设计中已越来越多地被用于PFC电感器。在电动汽车充电机中，尤其是大功率非车载充电机中也是如此。传统的FeSiAl磁粉心材料功耗具有较大的正温度系数，即随着温度的上升损耗增加，这加大了温升，又导致更大的损耗产生。这种状态不仅影响了效率，而且易发生热失控，导致温升过高而烧毁线圈。NCD采用先进的合金制备技术，开发了具有宽温低功耗优异特性的NS系列FeSiAl合金材料，其功耗不仅温度系数很小，而且整体功耗较低，非常适用于追求高可靠