電動汽車無線充電系統耦合線圈仿真分析

竇勝月，王 宇，甄亞晶，田圣哲，崔金龍

電動汽車無線充電系統耦合線圈仿真分析

竇勝月，王 宇，甄亞晶，田圣哲，崔金龍

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

電動汽車無線充電技術以其運行安全、方便靈活等優點受到了越來越多的關注，為電動汽車發展提供了新鮮活力。耦合線圈是無線充電系統中電能場能轉換、能量傳輸的關鍵部件，從根本上影響整個系統的性能。文章首先在有限元仿真軟件Ansys Maxwell 中建立耦合線圈模型，包括只有耦合線圈、帶磁芯鋁板的耦合線圈兩種；然后針對兩種模型進行仿真，分析磁芯鋁板對磁場分布、互感和耦合系數的影響，同時仿真得出互感、耦合系數與耦合線圈的傳輸距離、偏移距離之間的關系。

耦合線圈；無線充電系統；Maxwell仿真；電動汽車

前言

為應對全球氣候變化、推動綠色發展，發展和推廣電動汽車成為必然舉措[1]。但是由于電池容量的限制，電動汽車續駛里程短以及充電困難等問題制約著電動汽車的發展。目前的充電方式有有線充電和無線充電兩種。有線充電頻繁插拔容易產生電火花，線路老化、破損會帶來漏電等安全隱患，且對雨雪等惡劣天氣的適應性也較差[2-3]。而無線充電將發射線圈埋入地下，占地面積小且無外漏接口，無需插拔，具有運行安全、方便靈活、不受惡劣天氣影響、維護成本低、充電更加智能化等優點[4-6]，而且無線充電方式與智能駕駛理念更相符，因此無線充電技術受到了越來越多的關注。

耦合線圈是無線充電系統中實現發射端和接收端能量耦合實現能量相互轉化的元件，是影響系傳輸性能的關鍵部件[7]。本文針對方形耦合線圈進行建模仿真，分析磁芯鋁板對磁場、互感及耦合系數的影響以及耦合系數隨傳輸距離、偏移距離的變化規律。

1 耦合線圈模型的建立

本文在電磁仿真軟件Ansys Maxwell 中搭建兩種電動汽車無線充電系統耦合線圈模型：只有耦合線圈（如圖1所示）、帶磁芯鋁板的耦合線圈（如圖2所示）。

圖1 只有耦合線圈時的仿真模型

圖2 帶磁芯鋁板的耦合線圈仿真模型

其中耦合線圈采用方形線圈，且設計接收線圈和發射線圈結構參數完全相同，其具體參數見表1。磁芯由6根長、寬、高分別為210 mm、40 mm、7 mm的條形鐵氧體材料構成，其相對磁導率為1 000。鋁板長、寬、高分別為600 mm、600 mm、10 mm。

表1 方形耦合線圈參數

線圈外邊長/mm線圈內邊長/mm線圈匝數/匝導線半徑/mm 400290300.9

2 仿真結果分析

本文在Maxwell 軟件中建立渦流場求解模型，頻率設置為85 kHz，發射線圈和接收線圈均通入10 A電流。由于電動汽車無線充電系統發射線圈安裝于地面上，接收線圈安裝于汽車底盤上，兩線圈之間的傳輸距離受到汽車離地間隙的限制。純電動汽車的離地間隙一般為100 mm～250 mm[8]，本文選取發射線圈與接收線圈之間的傳輸距離為100 mm～200 mm。另外，由于車輛停放位置可能出現偏差會導致兩線圈不能完全對齊，產生橫向偏移，本文設置線圈偏移距離為0～200 mm。

2.1 磁場分布仿真結果

電動汽車無線充電系統耦合線圈進行無接觸能量傳輸，發射回路中的高頻交變電流使得發射線圈產生高頻磁場，處于高頻磁場中的接收線圈產生感應電流，從而實現電能-磁場-電能的轉化，進而對負載進行充電。因此，兩線圈之間的磁場分布情況體現了兩線圈的耦合程度。利用Maxwell軟件仿真得到的兩種模型的磁場分布云圖如圖3、圖4所示。

圖3 只有耦合線圈時的磁場分布云圖

圖4 帶磁芯鋁板的耦合線圈磁場分布云圖

由圖3、圖4可知，磁芯鋁板對耦合線圈之間的磁通路徑有一定的約束作用，帶磁芯鋁板的耦合線圈的磁場分布更集中于兩線圈之間的區域，且該區域的磁場分布更加均勻，磁場強度也更大。因此，磁芯鋁板對于聚攏并增強兩線圈間的磁場有重要作用。

2.2 互感值仿真結果分析

根據電動汽車無線充電系統等效電路模型，分析系統傳輸特性，由參考文獻[9]中的傳輸效率計算公式得知耦合線圈之間的互感值直接影響無線充電系統傳輸效率，且傳輸效率隨互感值的增加而增加[9]。對建立的模型進行仿真分析，當偏移距離為0 mm時，互感值隨耦合線圈傳輸距離變化的曲線圖如圖5所示，當傳輸距離為100 mm時，互感值隨耦合線圈偏移距離變化的曲線圖如圖6所示。

圖5 不同傳輸距離互感變化曲線圖

由圖5可知，當耦合線圈偏移距離一定時，兩種模型的互感值都隨傳輸距離的增大而減小，且帶磁芯鋁板的耦合線圈互感值下降速度更快。當傳輸距離由100 mm增加到200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的互感值由300.726 uH減小到121.977 uH，降低了近60%；只有耦合線圈時的互感值由176.553 uH減小到78.210 uH，降低了56%左右。另外，傳輸距離為100 mm～200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的互感值均大于只有耦合線圈時的互感值，但是隨著傳輸距離的增大，磁芯鋁板的優勢逐漸下降。

圖6 不同偏移距離互感變化曲線圖

由圖6可知，當耦合線圈傳輸距離一定時，兩種模型的互感值都隨偏移距離的增大而減小，且帶磁芯鋁板的耦合線圈互感值下降趨勢更明顯。當偏移距離由0 mm增加到200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的互感值由300.726 uH減小到97.218 uH，降低了近68%；只有耦合線圈時的互感值由176.553 uH減小到71.597 uH，降低了60%左右。另外，偏移距離為0 mm～200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的互感值均大于只有耦合線圈時的互感值，但是隨著傳輸距離的增大，兩種模型的互感值逐漸接近。

對比圖5、圖6，耦合線圈偏移對互感值的影響更大，且磁芯鋁板可以在一定程度上增強耦合線圈互感，傳輸距離和偏移距離越小，磁芯鋁板的增強作用越明顯。

2.3 耦合系數仿真結果分析

在電動汽車無線充電系統中，常用耦合系數來表征發射線圈和接收線圈之間的耦合程度，耦合系數越大則耦合線圈之間的耦合程度越高，傳輸到接收線圈的能量也就越多，系統的傳輸效率也就越高。利用有限元電磁仿真軟件Maxwell 對只有耦合線圈、帶磁芯鋁板的耦合線圈兩種模型進行仿真，得到偏移距離為0 mm時的耦合系數隨傳輸距離的變化曲線，如圖7所示，傳輸距離為100 mm時的耦合系數隨偏移距離的變化曲線，如圖8所示。

圖7 不同傳輸距離耦合系數變化曲線圖

由圖7可知，當耦合線圈偏移距離一定時，兩種模型的耦合系數都隨傳輸距離的增大而減小，且兩種模型的耦合系數變化趨勢相接近。當傳輸距離由100 mm增加到200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的耦合系數由0.350減小到0.147，降低了58%；只有耦合線圈時的耦合系數由0.281減小到0.125，降低了56%左右。另外，傳輸距離為100 mm～200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的耦合系數均大于只有耦合線圈時的耦合系數。

圖8 不同偏移距離耦合系數變化曲線圖

由圖8可知，當耦合線圈傳輸距離一定時，兩種模型的耦合系數都隨偏移距離的增大而減小，且帶磁芯鋁板的耦合線圈耦合系數下降趨勢更明顯。當偏移距離由0 mm增加到200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的耦合系數由0.350減小到0.115，降低了近67%；只有耦合線圈時的耦合系數由0.281減小到0.114，降低了60%左右。另外，偏移距離為0 mm～200 mm時，帶磁芯鋁板的耦合線圈的耦合系數均大于只有耦合線圈時的互感值，但是隨著傳輸距離的增大，兩種模型的耦合系數逐漸接近，當線圈偏移距離200 mm時，兩模型的耦合系數僅相差0.001。

對比圖7、圖8，耦合線圈偏移對耦合系數的影響大于線圈傳輸距離對耦合系數的影響，且磁芯鋁板可以增大耦合線圈耦合系數，傳輸距離和偏移距離越小，磁芯鋁板增大耦合系數的作用越明顯。

3 結論

（1）磁芯鋁板能夠聚攏并增強耦合線圈之間的磁場，增大耦合線圈的互感及耦合系數；

（2）互感值和耦合系數都隨耦合線圈傳輸距離、偏移距離的增加而減小，且對線圈偏移更敏感；

（3）耦合系數隨傳輸距離、偏移距離的變化趨勢與互感的變化趨勢相同。

[1] 譚澤富,張偉,王瑞,等.電動汽車無線充電技術研究綜述[J].智慧電力,2020,48(04):42-47+111.

[2] 趙爭鳴,劉方,陳凱楠.電動汽車無線充電技術研究綜述[J].電工技術學報,2016,31(20):30-40.

[3] 吳理豪,張波.電動汽車靜態無線充電技術研究綜述(上篇)[J].電工技術學報,2020,35(06):1153-1165.

[4] 高大威,王碩,楊福源.電動汽車無線充電技術的研究進展[J].汽車安全與節能學報,2015,6(04):314-327.

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[6] 賈金亮,閆曉強.磁耦合諧振式無線電能傳輸特性研究動態[J].電工技術學報,2020,35(20):4217-4231.

[7] 吳理豪,張波.電動汽車靜態無線充電技術研究綜述(下篇)[J].電工技術學報,2020,35(08):1662-1678.

[8] 楊陽,崔金龍,崔信.電動汽車無線充電系統磁耦合線圈耦合系數的研究[J].智慧電力,2020,48(08):56-62+115.

[9] 沈錦飛.磁共振無線充電應用技術[M].北京:機械工業出版社,2019:35-47.

Simulation Analysis of Coupling Coil of Electric Vehicle Wireless Charging System

DOU Shengyue, WANG Yu, ZHEN Yajing, TIAN Shengzhe, CUI Jinlong

( School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

Electric vehicle wireless charging technology has attracted more and more attention due to its advantages such as safe operation, convenience and flexibility, and has provided fresh vitality for the development of electric vehicles. The coupling coil is a key component of field energy conversion and energy transmission in the wireless charging system, which fundamentally affects the performance of the entire system. Firstly, the coupling coil model is established in the finite element simulation software Ansys Maxwell, including two coupling coils with only coupling coil and aluminum plate with magnetic core; then the two models are simulated to analyze the magnetic field distribution, mutual inductance and coupling coefficient of the magnetic core aluminum plate. Simultaneously, the relationship between the coupling coefficient and the transmission distance and offset distance of the coupling coil is obtained by simulation.

Coupling coil; Wireless charging system; Maxwell simulation; Electric vehicle

B

1671-7988(2022)01-10-04

U469.7

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1671-7988(2022)01-10-04

CLC NO.:U469.7

竇勝月，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院，主要研究電動汽車無線充電技術。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.003