高飽和柔性納米晶磁芯在電動汽車無線充電中的應(yīng)用

熊 萌，戴海峰，2，魏學(xué)哲

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.智能型新能源汽車協(xié)同創(chuàng)新中心，上海201804）

無線電能傳輸（wireless power transfer，WPT）技術(shù)由于充電裝置與車之間不存在直接的物理連接而成為研究熱點，它具有快速方便、操作安全、易維護(hù)等優(yōu)點，能克服傳統(tǒng)有線充電機(jī)充電不安全，設(shè)施難維護(hù)以及充電不方便等缺點［1-4］。無線充電采用松耦合的線圈結(jié)構(gòu)，僅通過線圈本身很難保證高效率大功率傳輸。而線圈耦合結(jié)構(gòu)中的鐵氧體磁芯具有增強(qiáng)耦合以及磁屏蔽作用，可顯著增加線圈間互感與耦合系數(shù)，改善線圈間傳輸效率，同時減小磁泄露。因此，鐵氧體磁芯被廣泛用于電動汽車的無線充電領(lǐng)域［5-11］。

磁芯結(jié)構(gòu)與排布對無線傳輸?shù)男阅苡绊戄^大。近幾年國內(nèi)外研究致力于通過優(yōu)化磁芯結(jié)構(gòu)與排布，來改善系統(tǒng)傳輸效率與減小磁芯損耗等［12-15］。圖1 為4 種國內(nèi)外代表的磁芯結(jié)構(gòu)研究，Strauch等［12］基于如圖1a 的圓形線圈下的輻射條狀磁芯進(jìn)行優(yōu)化，分析了磁芯夾角α、磁芯距離圓心v和單條磁芯長（bt）、寬（at）、高（ct）對耦合系數(shù)和磁芯體積的影響；Castelli-Dezza 等［13］在此基礎(chǔ)上，提出如圖 1b的T 型磁芯，通過在非對稱圓形線圈的互耦合區(qū)增添磁芯減小該區(qū)域的磁阻，提高了線圈間耦合系數(shù)；劉志珍等［14］在DD（double-D）線圈的兩空心區(qū)域增添磁芯，提出如圖1c所示的雙凸型磁芯，有效提高了線圈互感；Mohammad等［15］基于圓形線圈，考慮磁芯利用率與磁飽和限值，提出了如圖1d 的類梯形磁芯，有效減少了磁芯損耗。

圖1 4種國內(nèi)外的磁芯結(jié)構(gòu)Fig.1 Four core structures at home and abroad

上述國內(nèi)外磁芯研究是基于鐵氧體磁芯的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，且磁芯結(jié)構(gòu)多為異型，實際中很難通過加工工藝實現(xiàn)。與此同時，鐵氧體本身也存在材料缺陷，比如飽和限值較低、脆性易碎裂等。而目前，尚未有研究從磁芯材料和磁芯工藝上，根本解決磁芯在車載無線充電應(yīng)用中的問題。

由于接收端對磁芯體積質(zhì)量要求嚴(yán)格，且接收端磁芯更易在汽車行駛中受顛簸破壞。而納米晶材料具有更高的柔性與飽和限值，可實現(xiàn)磁芯小型化。因此本文選擇納米晶材料進(jìn)行研究，以期替代鐵氧體在車載端的應(yīng)用。近些年，納米晶多應(yīng)用于低功率和低頻率（30 kHz）的手機(jī)無線充電、低頻變壓器等［16-19］，其電阻率遠(yuǎn)小于鐵氧體，理論上在85 kHz的車載無線充電頻率下將出現(xiàn)嚴(yán)重的渦流損耗與發(fā)熱問題，因此納米晶磁芯不能直接用于大功率高頻率的車載無線充電。

為改善納米晶的渦流損耗，本文利用晶粒細(xì)化熱處理工藝與交錯層疊式拼接工藝來提高傳統(tǒng)納米晶磁芯的電阻率。然而優(yōu)化工藝將減小納米晶磁芯的相對磁導(dǎo)率，相對磁導(dǎo)率過低會導(dǎo)致線圈間耦合減弱，漏磁增加。為了權(quán)衡優(yōu)化工藝與相對磁導(dǎo)率的減小，本文通過COMSOL有限元仿真分析了相對磁導(dǎo)率對線圈間耦合系數(shù)和磁泄露的影響，確定了磁導(dǎo)率減小的下限值。

基于上述仿真分析，本文主要貢獻(xiàn)是提出將新型柔性納米晶磁芯作為車載接收端的新型磁屏蔽層方案，并從靜態(tài)參數(shù)，系統(tǒng)效率，磁芯發(fā)熱、磁泄露4個方面分析驗證了納米晶磁芯的可行性與高飽和優(yōu)勢。

1 典型鐵氧體存在的問題

Mn-Zn軟磁鐵氧體作為功率型鐵氧體，成本低，矯頑力與剩磁小，且具有高電阻率，在SAE J2954標(biāo)準(zhǔn)［20］定義的79～90 kHz 頻段內(nèi)磁損耗較小，因而被廣泛用于電動汽車無線充電。本文所采用的Mn-Zn鐵氧體相對磁導(dǎo)率為3 000，圖2 為該Mn-Zn 鐵氧體材料的B-H曲線，其最大磁飽和限值為0.45 T。該曲線反映了Mn-Zn鐵氧體隨外部磁場H激勵下的磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化（由于矯頑力剩磁較小，不考慮磁滯的影響），曲線上不同位置的相對磁導(dǎo)率不同，且隨磁場強(qiáng)度H增大，磁導(dǎo)率逐漸減小，直到趨于飽和時，磁導(dǎo)率減小到真空磁導(dǎo)率，磁芯磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加緩慢。

圖2 典型Mn-Zn鐵氧體材料的BH曲線Fig.2 B-H curve of typical Mn-Zn ferrite

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；μ'為磁芯相對磁導(dǎo)率。

由于鐵氧體存在上述非線性磁特性，因此在大功率小體積應(yīng)用中，鐵氧體易磁飽和。由于快充需求的增加意味著更大的傳輸功率，線圈將激發(fā)更強(qiáng)的交變磁場H，導(dǎo)致磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加，磁芯磁導(dǎo)率下降并飽和，磁耦合作用減弱［21］。圖3為厚度3 mm的條形磁芯在45 A線圈激勵電流（近似11 kW）下的磁通密度分布，可看到磁芯最大磁通密度達(dá)到了518.804 mT，此時磁芯已經(jīng)局部飽和。圖中，RMS為均方根（root mean spuare）。除此之外，磁芯損耗與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比，磁飽和往往同時帶來損耗發(fā)熱加劇。另外，鐵氧體的脆性易碎裂特點也使其不適用于車載接收端的應(yīng)用場景，容易因行駛顛簸以及飛石沖擊而造成磁芯結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)失諧。

2 新型柔性納米晶磁芯的研發(fā)

基于第1 節(jié)中鐵氧體存在的諸多問題，本文采用具有高飽和限值與柔性的鐵基納米晶材料，以更小的體積替代鐵氧體磁芯在車載接收端的應(yīng)用，納米晶原始帶材來自德國磁芯制造商VAC的V-800F型號。納米晶材料具有優(yōu)秀的磁化性能，但由于其電阻率遠(yuǎn)小于鐵氧體，納米晶磁芯多用于30 kHz 以下或低功率場景，而在85 kHz大電流激勵下，將產(chǎn)生大量的渦流損耗，存在潛在熱問題，不能直接應(yīng)用于電動汽車無線充電。

圖3 厚度3 mm 條形磁芯在45 A 線圈電流激勵下的磁通密度分布Fig.3 Flux density distribution of ferrite cores with a thickness of 3 mm at 45 A (RMS) current citation

2.1 渦流損耗的工藝優(yōu)化

根據(jù)線圈交變激勵磁場的主要分布，如圖4a 可知納米晶磁芯的感應(yīng)渦流主要集中在XY平面，因此從微觀層面上，可采用熱處理碎化工藝將XY平面分布的納米晶晶粒細(xì)化。該工藝主要分為兩個部分：帶材熱處理工藝與碎磁工藝。帶材熱處理是在真空氮氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行退火，在非晶基體上晶化析出納米晶晶粒，形成非晶-納米晶雙相結(jié)構(gòu)，正是因為這種雙相結(jié)構(gòu)的存在，可具有非常優(yōu)異的電磁性能。而碎磁工藝是將大片納米晶合金通過機(jī)械碎化裝置分割成一系列細(xì)小片的納米晶顆粒，納米晶顆粒之間存在微小的氣隙。整個過程增大了晶粒間的有效氣隙面積，從而將渦流限值在更小的晶粒尺寸內(nèi)，最終提高了納米晶帶材的電阻率，如圖4b所示。

從宏觀層面上，將厚度20 μm 的改良納米晶帶材按圖4c所示的條形并排拼接成330 mm×330 mm尺寸的接收端線圈大小，拼接縫隙從宏觀上對XY平面的渦流起到了進(jìn)一步阻隔。層與層間采用三維正交的層疊方式，不僅限制了垂直方向的渦流，同時也減小了拼接縫隙產(chǎn)生的空間磁泄露。單片1.16 mm 厚的納米晶磁芯的層間結(jié)構(gòu)如圖5 所示，20 μm的納米晶帶材之間為3μm 的絕緣層，由外覆蓋層包裹。通過該方法制成的納米晶磁芯具有優(yōu)秀的抗彎性能，能承受車載端的顛簸破壞，如圖4d所示。

然而，熱處理碎化工藝在減小渦流損耗的同時，產(chǎn)生的氣隙導(dǎo)致磁芯退磁場增加，磁化難度增大，即宏觀上納米晶磁芯的相對磁導(dǎo)率減小，并且晶粒細(xì)化程度越大，相對磁導(dǎo)率減小越多，而作為接收端磁芯，相對磁導(dǎo)率直接決定了線圈間互感大小，因此需確定相對磁導(dǎo)率對系統(tǒng)影響的下限邊界值，防止因工藝過度導(dǎo)致納米晶方案耦合效果變差。

圖4 納米晶磁芯的工藝優(yōu)化過程Fig.4 Process optimization of nanocrystalline core

圖5 1.16 mm單片納米晶磁芯的層結(jié)構(gòu)組成（單位：μm）Fig.5 Layered structure of a 1.16 mm single nanocrystalline core(unit:μm)

基于下文2.2 節(jié)的有限元仿真分析結(jié)果，選定納米晶工藝優(yōu)化的磁導(dǎo)率下限為400。選取初始電阻率為1.14×10-4Ω·m 的納米晶帶材進(jìn)行晶粒細(xì)化工藝，按照熱處理與渦流阻隔的程度不同，制得4種不同磁導(dǎo)率的納米晶磁芯，見表1，將它們命名為DOE1（μi=3 000，700 kW·m-3）、DOE2（μi=1 500，450 kW·m-3）、DOE3（μi=700，400 kW·m-3）、DOE4（μi=400，375 kW·m-3），其最大磁飽和限值Bs=1.10 T，是鐵氧體的2.4 倍。納米晶磁芯損耗的有效改善驗證了工藝優(yōu)化的可行性，但還需進(jìn)一步的無線電能傳輸實驗分析。

2.2 COMSOL有限元仿真分析

為確定磁導(dǎo)率的邊界，本文利用COMSOL有限元仿真搭建了實驗用非對稱矩形線圈的3D模型，發(fā)射線圈尺寸為650 mm×500 mm，接收線圈尺寸為330 mm×330 mm。線圈間耦合系數(shù)與空間漏磁場作為系統(tǒng)關(guān)鍵性能參數(shù)與安全指標(biāo)，受磁芯相對磁導(dǎo)率影響較大。同時，本文主要在于車載接收端的磁芯研究，因此仿真中只考慮接收端磁芯相對磁導(dǎo)率的減小對線圈耦合與漏磁的影響。

當(dāng)接收端磁芯的相對磁導(dǎo)率從3 000減小到200的時候，線圈間的耦合磁通明顯減?。▓D6）。但相對磁導(dǎo)率的減小與線圈間的耦合并非線性關(guān)系，如圖7所示，當(dāng)相對磁導(dǎo)率從3 000 逐漸減小到20 的過程中，線圈間耦合系數(shù)k先是緩慢減小，當(dāng)磁導(dǎo)率減小到400后，k開始急劇減小。

表1 實驗所用的5種磁芯方案的特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of five magnetic materials for experiments

圖6 相對磁導(dǎo)率下降對線圈間耦合的定性影響Fig.6 Qualitative effect of relative permeability decrease on coils coupling

與此同時，對線圈在X、Y、Z方向產(chǎn)生的空間最大漏磁場進(jìn)行評估，兩側(cè)磁芯厚度設(shè)定為5 mm，線圈激勵電流45 A（RMS），接近11 kW功率等級。如圖8 所示，在線圈發(fā)生最大偏移（100 mm，75 mm）后，漏磁場顯著增加，尤其在X、Y方向。且線圈在X、Y、Z方向的最大漏磁場隨相對磁導(dǎo)率的減小都逐漸增大，并在減小到200后漏磁場開始急劇增大，但由于鋁板的二次屏蔽作用，漏磁場未超過ICNIRP2010［22］規(guī)定的27 μT限值。

圖7 接收端磁芯的相對磁導(dǎo)率對線圈間耦合系數(shù)的影響Fig.7 Relative permeability versus coupling coefficient

圖8 接收端磁芯的相對磁導(dǎo)率對X、Y、Z 方向的空間最大漏磁場的影響Fig.8 Relative permeability versus maximum flux leakage in X,Y,Z directions

3 可行性實驗設(shè)置

為對納米晶磁芯進(jìn)行可行性的實驗驗證，采用表1中制備的4種納米晶方案，并選取TDK的PC95材質(zhì)Mn-Zn 鐵氧體磁芯DOE0 作為實驗對比，其電阻率為5 Ω·m。5 種磁芯方案都拼接成330 mm×330 mm 的接收線圈尺寸。雙邊線圈選擇帶匝距的標(biāo)準(zhǔn)矩形線圈，發(fā)射端尺寸為650 mm×500 mm，接收端尺寸為330mm×330mm，線圈間垂直磁間距定在150 mm，如圖9 所示?？紤]到車載端對接收線圈及其磁芯有更嚴(yán)格的尺寸與厚度要求，因此本文主要分析新型柔性納米晶磁芯在接收端應(yīng)用的可行性。

圖9 實驗用大功率無線充電的磁芯加載測試臺架Fig.9 High power wireless charging test bench for core loading

3.1 靜態(tài)參數(shù)測試

線圈靜態(tài)參數(shù)反映了線圈損耗發(fā)熱與線圈耦合性能，本文采用LCR儀對85 kHz下不同磁芯方案的接收線圈進(jìn)行靜態(tài)參數(shù)測量，包括反映線圈發(fā)熱損耗的交直流內(nèi)阻、線圈品質(zhì)因數(shù)、線圈自感、互感以及耦合系數(shù)等?？紤]到線圈鄰近效應(yīng)的影響，本文是在兩線圈對準(zhǔn)工況下完成靜態(tài)參數(shù)測量。

3.2 7.7 kW可行性測試

由于納米晶磁芯具有非線性磁特性，其性能好壞需進(jìn)一步通過7.7 kW加載測試來驗證，就目前技術(shù)上而言，該功率等級較為成熟且應(yīng)用普遍，有產(chǎn)業(yè)代表性。實驗中接收端磁芯厚度為5 mm，主要測試評價指標(biāo)有磁芯溫度，線圈間AC-AC傳輸效率，以及系統(tǒng)DC-DC傳輸效率。為了更直觀地采集磁芯溫度分布，分析磁芯對系統(tǒng)效率以及損耗的影響，實驗中去掉了接收端鋁板的干擾，因此線圈只含銅損與鐵損。

采用FORTRIC325 紅外測溫探頭對接收端磁芯的溫度分布進(jìn)行采集，獲取磁芯表面熱像圖。為了保證測量準(zhǔn)確性，將室溫控制在25 ℃恒溫，并持續(xù)加載至少1.5 h以確保磁芯溫度穩(wěn)定。

本文基于雙邊LCC拓?fù)湓?個測試點布置了相應(yīng)的電壓電流測量探頭，以測量線圈間交流傳輸效率（AC-AC）與直流源到負(fù)載端的系統(tǒng)直流傳輸效率（DC-DC），如圖10 所示。圖中，Uin為直流輸入電壓，S1～S4 為逆變開關(guān)管，L_f1 與L_f2 為原副邊可調(diào)電感，C_f1與C_f2為原副邊并聯(lián)電容，C1與C2為原副邊串聯(lián)電容，L1 與L2 為原副邊線圈自感，D1～D4為副邊整流二極管，C0為濾波電容，L0為濾波電感，Ub為電池端電壓。為了更精確地測得線圈間高頻電流大小，在線圈AC輸入側(cè)和AC輸出側(cè)采用HIOKI 的CT6904 高精度霍爾傳感器。整個WPT系統(tǒng)的補(bǔ)償電感L_f1與L_f2具有阻抗可調(diào)功能，能維持恒定功率輸出，并適應(yīng)不同磁芯方案下的線圈自感變化。

圖10 基于雙邊LCC阻抗可調(diào)拓?fù)涞膶嶒炐蕼y試點Fig.10 Measurement points of transmission efficiency based on bilateral LCC impedance adjustable topology

3.3 11 kW抗飽和測試

理論上，抗飽和測試的加載功率越高，納米晶磁芯的高飽和優(yōu)勢（小體積應(yīng)用）越明顯。因此，基于3.1節(jié)和3.2節(jié)的實驗結(jié)果，在進(jìn)一步的11 kW抗飽和測試中選取性能最優(yōu)的納米晶方案與鐵氧體對比，并將所有接收端磁芯厚度從5 mm 減小到3 mm甚至2 mm。除了更大的功率等級與更薄的接收端磁芯，實驗設(shè)置與7.7 kW 測試相同，即采用更強(qiáng)的激勵電流產(chǎn)生更大的磁通密度，以驗證納米晶磁芯的高飽和優(yōu)勢。

3.4 11 kW磁泄漏測試

納米晶磁芯在小體積、低磁導(dǎo)率、大功率11 kW下存在潛在磁泄漏問題，需滿足ICNIRP2010 的磁泄露限值要求（有效值不超過27 μT），因此本文對3.3 節(jié)中不同厚度的納米晶磁芯在對準(zhǔn)位置和最大偏移（100 mm，75 mm）處的最大磁泄漏進(jìn)行測量，磁場測試儀采用HIOKI的FT3470-52。

根據(jù)SAE J2954 標(biāo)準(zhǔn)［20］對磁泄露測量的要求，本文以接收線圈幾何中心為球心，0.8 m為最小測量半徑，分別對X、Y、Z三個方向的最大漏磁場進(jìn)行測量，如圖11 所示。為模擬實車應(yīng)用場景，在接收端加入兩層鋁板，第一層鋁板為接收線圈的鋁板（330 mm×330 mm×3 mm），第二層鋁板用來模擬汽車底盤（尺寸為800 mm×800 mm×3 mm，未顯示在圖11中）。

圖11 最大空間磁泄漏的測量方向與最小測量距離Fig.11 Measurement directions and minimum measurement distance for maximum flux leakage

4 實驗結(jié)果分析

4.1 靜態(tài)參數(shù)測試結(jié)果分析

測量含納米晶磁芯與鐵氧體磁芯的接收端線圈在85 kHz 的交直流電阻與品質(zhì)因數(shù)，得到表2 所示結(jié)果，證明了納米晶改良工藝的可行性?？梢钥吹诫S著晶粒細(xì)化工藝的程度加大，納米晶磁導(dǎo)率減小，但交流電阻也明顯減小，從64.6 mΩ 減小到36 mΩ，品質(zhì)因數(shù)從392增加到了692。同時，由于接收端線圈參數(shù)不變，因此直流電阻Rdc基本保持不變。但鐵氧體的交流電阻Rac明顯低于納米晶磁芯，其品質(zhì)因數(shù)也比納米晶磁芯高，理論上納米晶磁芯損耗發(fā)熱將大于鐵氧體。同時，本文對不同磁導(dǎo)率下納米晶磁芯的線圈感值與耦合系數(shù)k進(jìn)行測量，如表3 所示。隨著納米晶磁芯磁導(dǎo)率的減小，其線圈自感與互感逐漸減小，納米晶耦合系數(shù)變化較小，從0.222減小到0.190，與仿真結(jié)果相吻合。

總的來說，納米晶磁芯的Rac值從損耗角度初步驗證了優(yōu)化工藝的可行性，同時從傳輸效率角度，即使納米晶磁芯磁導(dǎo)率減小到400，仍能維持較高的線圈互感與耦合系數(shù)。DOE4 的損耗有明顯改善，Rac減小到了1.96 mΩ，但納米晶磁芯DOE1 在大功率無線傳輸中可能存在潛在熱問題，其Rac/Rdc比值高達(dá)3.54，遠(yuǎn)高于鐵氧體的1.58，因此4種納米晶磁芯方案還需進(jìn)行7.7 kW可行性測試。

表2 不同磁材料方案下的線圈交/直流電阻與品質(zhì)因數(shù)實驗結(jié)果Tab.2 Results of coil resistance and quality factor in different magnetic material schemes

表3 不同磁材料方案下的線圈感值與耦合系數(shù)實驗結(jié)果Tab.3 Results of coil inductance and coupling coefficient in different magnetic material schemes

4.2 7.7 kW可行性測試結(jié)果分析

本文先對納米晶磁芯DOE1 進(jìn)行了7.7 kW 的可行性測試，在功率加載10 min 后，如圖12 所示，DOE1溫度達(dá)到119.3 ℃，納米晶帶材層間黏著劑達(dá)到其著火點，開始冒煙燃燒，立即停止了對DOE1的加載?？紤]到DOE1 的交流內(nèi)阻Rac有64.6 mΩ，磁芯損耗為700 kW·m-3，遠(yuǎn)高于鐵氧體DOE0，分析可能是優(yōu)化工藝程度不夠，納米晶DOE1 電阻率仍較小，渦流損耗在納米晶的磁芯損耗中為主要貢獻(xiàn)，因此DOE1方案不能用于電動汽車無線充電。

圖12 納米晶磁芯DOE1 的磁芯溫度分布（10 min 后黏著劑冒煙燃燒）Fig.12 Temperature distribution of nanocrystalline core DOE1 (adhesive smoke and burning after 10 min)

考慮到上述納米晶磁芯DOE1未加載至溫度穩(wěn)定，因此后續(xù)未對其做進(jìn)一步的效率測試。本文利用HIOKI 的PW6001功率分析儀對剩余4種磁芯方案的DC-DC 系統(tǒng)效率、AC-AC 線圈間效率與線圈間損耗進(jìn)行采集分析，如圖13 所示，隨著納米晶磁芯磁導(dǎo)率減小，AC-AC線圈損耗逐漸從218 W減小到125 W，納米晶DOE4 相比鐵氧體DOE0 少了76 W損耗。相應(yīng)地，納米晶磁芯的AC-AC線圈間效率也從97.13%提升到了98.33%，高于鐵氧體DOE0的97.41%。因此，從效率角度進(jìn)一步驗證了納米晶損耗發(fā)熱的顯著改善，尤其是相對磁導(dǎo)率400 的納米晶DOE4，具有最優(yōu)的AC-AC傳輸性能。

圖13 7.7 kW功率下在接收端的4種磁芯方案的效率測試結(jié)果Fig.13 Efficiency test results of four core schemes at receiving side based on 7.7 kW

但納米晶磁芯的DC-DC 系統(tǒng)效率從94.41 %減小到92.77%，考慮到系統(tǒng)需在納米晶磁芯互感減小的前提下保證恒定7.7 kW輸出，因此需通過拓?fù)渌淖杩棺赃m應(yīng)調(diào)節(jié)裝置對原副邊補(bǔ)償電感進(jìn)行調(diào)節(jié)，這會使補(bǔ)償電路中電流增大，電路元件損耗增加，因此DC-DC 效率略微減小，但仍高于鐵氧體DOE0的92.65%。

與此同時，為獲取7.7 kW 下4 種接收端磁芯方案的溫度分布，將它們加載1.5 h 至溫度穩(wěn)定，如圖14a 所示。鐵氧體DOE0 溫度最高點達(dá)到72.6 ℃，三種納米晶磁芯方案分別為94.3 ℃、83.6 ℃、58.6 ℃。隨著磁導(dǎo)率減小，DOE3 溫度低于DOE2，但仍比鐵氧體DOE0 高11 ℃左右，而400 磁導(dǎo)率的DOE4由于工藝優(yōu)化程度最大，因此溫度表現(xiàn)最好。

圖14 7.7 kW功率下接收端4種磁芯方案的溫度分布Fig.14 Temperature distribution of four core schemes at receiving side based on 7.7 kW

總的來說，納米晶DOE1由于7.7 kW下的嚴(yán)重?zé)釗p耗問題，不適用于電動汽車無線充電，而DOE2、DOE3與DOE4在效率測試表現(xiàn)上略好于鐵氧體DOE0，DOE4 在納米晶方案中損耗最低，溫度表現(xiàn)最佳。因此，本節(jié)上述測試結(jié)果驗證了通過優(yōu)化工藝增加納米晶電阻率并改善磁損耗的可行性。

4.3 11 kW抗飽和測試結(jié)果分析

基于4.2 節(jié)的結(jié)論，選擇性能最佳的納米晶DOE4做進(jìn)一步的11 kW抗飽和測試。為體現(xiàn)納米晶的高飽和優(yōu)勢，將接收端磁芯厚度減小到3 mm與2 mm，并制備了相同尺寸厚度的鐵氧體DOE0 做對比。

測試結(jié)果如圖15所示，3 mm的鐵氧體DOE0在加載中發(fā)生碎裂并出現(xiàn)裂縫，測溫探頭測得縫隙處溫度高達(dá)131.4 ℃，分析原因可能是鐵氧體飽和限值較低，已達(dá)到其飽和上限，在外界交變強(qiáng)磁場作用下磁芯內(nèi)部磁疇?wèi)?yīng)力使其被破壞產(chǎn)生裂縫，縫隙產(chǎn)生的接觸電阻使溫度迅速升高，鐵氧體在2 mm下也出現(xiàn)相同問題。因此，鐵氧體DOE0 抗飽和測試下表現(xiàn)較差。

相反地，如圖16a 所示，納米晶DOE4 在11 kW抗飽和測試下表現(xiàn)優(yōu)異，在厚度3 mm下磁芯最高溫度只有80.9 ℃，系統(tǒng)DC-DC效率94.405%，且線圈AC-AC 效率高達(dá)98.295 %。甚至當(dāng)厚度減小到2 mm，納米晶磁芯DOE4 仍能正常工作，如圖16b 其最高溫度與3 mm相比無顯著變化，系統(tǒng)DC-DC效率下降不到1%，為93.539%，AC-AC 線圈間效率97.408%。

圖15 11 kW功率下接收端3 mm鐵氧體DOE0的抗飽和測試結(jié)果Fig.15 Anti-saturation test results of 3 mm thickness DOE0 at receiving side based on 11 kW

圖16 11 kW功率下接收端納米晶磁芯DOE4在3 mm和2 mm厚度下的抗飽和測試結(jié)果Fig.16 Anti-saturation test results of DOE4 at receiving side based on 11kW with a thickness of 3 mm and 2 mm

總之，典型的Mn-Zn 鐵氧體磁芯由于飽和限值較低，抗破壞與抗飽和性能差，不適用于大功率小體積的電動汽車無線充電。而改良后的納米晶磁芯在電阻率提高，損耗發(fā)熱表現(xiàn)良好的前提下，具有明顯的抗飽和優(yōu)勢與磁穩(wěn)定性，因此其能以更小體積更大功率替代鐵氧體在車載接收端的應(yīng)用。

4.4 11 kW磁泄漏測試結(jié)果分析

雖然適當(dāng)減小磁芯磁導(dǎo)率對無線傳輸效率影響較小，但實際加載過程中可能存在潛在磁泄漏問題。因此有必要對磁導(dǎo)率最小的DOE4做11 kW下不同磁芯厚度的磁泄漏測量，測量方法嚴(yán)格按照SAEJ2954 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［20］，結(jié)果如圖 17 所示。由于兩層鋁屏蔽板的作用，所有測量結(jié)果完全滿足ICNIRP2010 的限值要求，且5 mm 厚度下的DOE4測量結(jié)果基本與仿真一致。

圖17 11 kW 功率下接收端不同磁芯厚度下DOE4 的磁泄漏測量Fig.17 Leakage measurement results of DOE4 with different thicknesses at receiving side based on 11 kW

與此同時，隨著磁芯厚度的減小，DOE4的空間漏磁增加。相比對準(zhǔn)情況，線圈在最大偏移（100 mm，75 mm）下漏磁增加最明顯，但由于發(fā)射端產(chǎn)生的磁通需穿過多層屏蔽板到達(dá)接收端（鐵氧體對磁通的引導(dǎo)，以及鋁板產(chǎn)生的感應(yīng)渦流對磁通進(jìn)行抵消），使得Z方向漏磁最小。相比之下，由于X和Y方向無磁屏蔽層的包覆，磁通發(fā)散在X和Y方向的空間中，因此在DOE4 厚度2 mm 且最大偏移下，Y方向上的磁泄漏最高，達(dá)到了15.34 μT，但未超過27 μT限值。

5 結(jié)語

基于本文研究工作，總結(jié)研究亮點如下：

（1）根據(jù)納米晶磁芯在接收端的渦流分布，采用晶粒碎化熱處理工藝與交錯層疊式拼接工藝，從微觀和宏觀上提高納米晶磁芯的電阻率，改善其渦流損耗，并通過有限元仿真確定了相對磁導(dǎo)率的下限邊界。

（2）提出了新型磁芯可行性研究的實驗測試方法，并通過靜態(tài)參數(shù)測量與7.7 kW加載測試驗證了優(yōu)化工藝與納米晶磁芯應(yīng)用的可行性。

（3）通過11 kW 抗飽和測試，從傳輸效率、發(fā)熱溫升和磁泄漏大小等方面證明了改良后的納米晶磁芯具有高飽和優(yōu)勢，相比之下，小體積下的鐵氧體由于抗飽和能力弱，發(fā)生局部碎裂和過溫。

目前，電動汽車無線充電正朝著產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，相關(guān)企業(yè)正加緊研發(fā)，而磁芯作為磁屏蔽與增強(qiáng)磁耦合的核心部件尤為重要。隨著未來大功率快充技術(shù)的成熟與普及，主流Mn-Zn鐵氧體磁芯將會因脆性、低飽和缺陷而被替代。改良后的納米晶磁芯由于具有高柔性與高飽和特性，更適合大功率小體積下的無線充電接收端應(yīng)用。