電動汽車無線充電系統磁耦合線圈的仿真分析

楊志達，王 鐵

電動汽車無線充電系統磁耦合線圈的仿真分析

楊志達，王 鐵*

（沈陽理工大學 汽車與交通學院，遼寧 沈陽 110159）

電動汽車無線充電系統的磁耦合線圈是無線充電和有線充電的最大不同點，是無線充電系統能夠實現電能無線傳輸的關鍵部件。論文使用ANSYS Maxwell建立圓形線圈和方形線圈模型，對兩種類型線圈進行仿真，分析線圈匝數和傳輸距離對兩種線圈的影響；分析線圈互感、耦合系數與線圈匝數、傳輸距離的關系。使用相同數量導線繞制成圓形線圈和方形線圈，對比分析兩種線圈傳輸性能。結果顯示，在導線數量相同的情況下，圓形線圈的性能優于方形線圈。

電動汽車；無線充電系統；磁耦合線圈；ANSYS Maxwell

無線電能傳輸技術（Wireless Power Transfer, WPT）是指發射線圈和接收線圈之間通過電磁耦合的方式實現電能在互相不接觸的線圈之間的傳輸，磁耦合諧振式WPT可以通過相對較大的氣隙傳輸電能且傳輸效率相對比較高，因此，近年受到越來越多的關注。近幾年，電動汽車越來越受到消費者的歡迎，電動汽車目前主流的充電方式是有線充電，該充電方式存在一定的缺陷，如充電槍和充電線老化損壞、下雨天存在觸電的潛在危險等。故電動汽車無線充電技術應運而生，目前，電動汽車無線充電技術的主流是磁耦合諧振式[1]。

磁能線圈組是無線充電技術和有線充電的最大區別，其傳輸性能是無線充電系統最關鍵的部分，磁能線圈組是無線充電系統能夠在空氣中傳輸電能的主要結構，它的性能直接決定了系統的傳輸性能。比較常見的磁能線圈有方形線圈、圓形線圈等。

本文使用ANSYS Maxwell對圓形線圈和方形線圈進行建模仿真，分析線圈匝數和傳輸距離對互感及耦合系數的影響。

1 圓形和方形線圈的建模

在電動汽車無線充電系統中常用的磁耦合線圈有圓形和方形兩種，本文將使用Maxwell對上述兩種結構的線圈進行建模分析，圖1為圓形線圈和方形線圈。

圖1 圓形和方形線圈

由于汽車底盤的限制，耦合線圈不可過大，由設計經驗可知，本文研究的兩種不同類型線圈的參數如表1所示。

表1 兩種線圈的參數 單位：mm

圓形線圈直徑方形線圈邊長導線直徑匝間距 70070056

圓形磁能線圈的鐵氧體屏蔽層是半徑為 370 mm、厚度為5 mm的圓環；鋁板屏蔽層是半徑為400 mm、高度為6 mm的圓柱體。方形磁能線圈的鐵氧體屏蔽層的長、寬、高分別是740 mm、740 mm、5 mm；鋁板屏蔽層的長、寬、高分別是800 mm、800 mm、6 mm。

2 線圈匝數對耦合性能的影響

電動汽車無線充電系統磁能線圈的匝數是影響系統傳輸性能的重要因素，在線圈設計中匝數的選擇非常重要。由文獻[2]可知，無線充電系統兩線圈的耦合系數影響互感值，而互感值會影響系統傳輸效率及傳輸功率。隨著耦合系數的增大，兩線圈的互感隨之增大；隨著互感值的增大，系統的傳輸效率跟著增大。而線圈的匝數以及兩線圈的傳輸距離會影響耦合系數及互感值，進而影響系統的傳輸效率及傳輸功率。

本文使用Maxwell對圓形線圈和方形線圈匝數進行了仿真分析，設置線圈傳輸距離為160 mm，激勵電流為8 A，頻率為85 kHz，當線圈匝數取值為10～50，步長為5 mm，圓形線圈、方形線圈的互感值和耦合系數隨匝數變化的仿真結果如圖2所示。

圖2 匝數對耦合性能的影響

由圖2中兩種線圈互感值的變化趨勢可知，兩種形狀的線圈的互感都隨著匝數的增加而增加，且增加的趨勢基本相同。方形線圈的匝數從10增加到30時，其互感值從26.97 μH增加到391.41 μH，且增幅也在變大；當方形線圈的匝數從30增加到50時，互感值從391.41 μH增加到795.22 μH，但其增加的幅度在逐漸減小，即方形線圈的互感值隨匝數的增加先快速變大，后緩慢變大。圓形線圈互感值隨匝數的變化情況與方形線圈基本相同，在匝數為30時互感的增加最快。由圖2可明顯看出，當線圈的匝數相同時，方形線圈的互感值比圓形線圈的大。

由圖2兩種線圈耦合系數的變化趨勢可知，方形線圈和圓形線圈的耦合系數都隨著匝數的增加而增加，且增大的趨勢基本一致。方形線圈的匝數從10增加到30時，耦合系數近似呈線性增加；但隨著匝數的增加，耦合系數的增加越來越緩慢，方形線圈耦合系數的增加量由開始的0.065 4到最后的0.008 8。圓形線圈同樣由開始的近似線性增加到最后幾乎不變，最開始增加量為0.059 7到最后的增加量為0.005。由圖2可明顯看出，當線圈匝數相同時，方形線圈的耦合系數比圓形線圈的大。

由上述分析可知，當圓形線圈的直徑等于方形線圈的邊長，且匝數相同、傳輸距離不變的情況下，方形線圈的傳輸性能優于圓形線圈。由文獻[3]可知，把圓形線圈和方形線圈置于同一尺寸的正方形中時，由于方形線圈占用了更多的面積，其耦合性能更佳，故方形線圈的傳輸性能優于圓形線圈。

3 傳輸距離對耦合性能的影響

磁耦合諧振式無線充電系統兩個耦合線圈的傳輸距離也是影響系統傳輸性能的重要因素。

式中，為發射、接收線圈之間的互感；0為空間磁導率；1、2為發射、接收線圈匝數；1、2為發射、接收線圈的半徑；為發射、接收線圈之間的距離[4]。

由式（1）可知，兩線圈的互感與傳輸距離成反比，互感會直接影響系統的傳輸效率和傳輸功率。

使用上文建立的圓形和方形線圈模型，對不同傳輸距離情況進行仿真分析。設置發射和接收線圈匝數為40匝，激勵電流為8 A，頻率為85 kHz，發射和接收線圈的傳輸距離為140～230 mm，步長為10 mm，此時圓形線圈、方形線圈的互感值和耦合系數隨傳輸距離變化的仿真結果如圖3所示。

圖3 互感值隨傳輸距離的變化

由圖3中兩種線圈互感值的變化趨勢可知，隨著發射和接收線圈之間的距離增大，圓形線圈和方形線圈的互感值都在減小。傳輸距離從140 mm變化到230 mm時，方形線圈的互感值從766.42 μH降到了390.78 μH，減小的比例為49.0%；圓形線圈的互感值從590.75 μH降到了288.72 μH，減小的比例為51.1%。隨著線圈的傳輸距離的增大，互感值減小的幅度在逐漸降低，圓形線圈從開始的減小量為46.19 μH到最后的20.17 μH；方形線圈從開始的減小量為63.11 μH到最后的24.83 μH。由圖3也可明顯看出，隨著傳輸距離的變化，兩種線圈的互感值的變化趨勢基本相同；在傳輸距離相同的情況下，方形線圈的互感值比圓形線圈大。

由圖3兩種線圈耦合系數的變化趨勢可知，當發射線圈和接收線圈的傳輸距離增大時，兩種形狀線圈的耦合系數都在減小。當線圈的傳輸距離從140 mm增大到230 mm時，方形線圈的耦合系數從0.525 3減小到了0.290 3，減小的比例為44.7%；圓形線圈的耦合系數從0.484 6減小到了0.251 2，減小的比例為48.2%。隨著線圈的傳輸距離的增大，線圈傳輸距離減小的幅度在逐漸降低，方形線圈從開始的減小量為0.034 3到最后的0.018 5；圓形線圈從開始的減小量為0.034 0到最后的0.018 2。由圖3也可明顯看出，隨著傳輸距離的變化，兩種形狀線圈的耦合系數變化趨勢幾乎相同。

由上述分析可知，在傳輸距離相同的情況下，方形線圈的互感值比圓形線圈大；當圓形線圈和方形線圈尺寸參數相同的情況下，方形線圈的傳輸性能優于圓形線圈。由文獻[3]亦可驗證上述結論。

4 圓形線圈和方形線圈的比較

由上文的分析可知，當圓形線圈的直徑等于方形線圈的邊長，且線圈匝數、傳輸距離相同的情況下，方形線圈的傳輸性能優于圓形線圈。但是此時方形線圈比圓形線圈需要的導線數量多，且方形線圈圍繞的面積大于圓形線圈，即方形線圈的成本高于圓形線圈。

為了對比兩種線圈的傳輸性能，使用相同的數量的導線在Maxwell中建立圓形線圈和方形線圈模型；兩種形狀的線圈匝數取為35，傳輸距離取160 mm，圓形線圈半徑為350 mm，方形線圈邊長為550 mm，上述兩種形狀線圈的仿真結果如表2所示。

表2 兩種形狀線圈對比

線圈形狀互感/μH耦合系數 方形線圈320.840.323 圓形線圈402.450.391

由表2可知，圓形線圈的互感和耦合系數都優于方形線圈。因此，當使用相同數量的導線繞制線圈時，應優先選擇圓形線圈。由文獻[5]亦可驗證上述結論。

5 結論

圓形線圈和方形線圈的傳輸性能在一定范圍內能隨著匝數的增加而增強，隨著傳輸距離的變大而減弱。在圓形線圈的直徑等于方形線圈邊長的情況下，方形線圈的傳輸性能優于圓形線圈；在導線數量相同的情況下，圓形線圈的性能優于方形線圈。

[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(4):42-47,111.

[2] 郭微,張健.電動汽車無線充電系統耦合線圈的優化設計[J].鹽城工學院學報(自然科學版),2021,34(4): 36-43.

[3] 李長青.電動汽車無線充電線圈優化設計與磁屏蔽研究[D].綿陽:西南科技大學,2021.

[4] 鄧亞峰.無線電能傳輸技術及在電動汽車中的應用[M].北京:化學工業出版社,2018.

[5] 季樂樂.基于磁耦合諧振的電動汽車無線充電技術的研究[D].蕪湖:安徽工程大學,2019.

Simulation Analysis of Magnetic Coupled Coil of Electric Vehicles Wireless Charging System

YANG Zhida, WANG Tie*

( School of Automobile and Transportation, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China )

The magnetically coupled coil of the wireless charging system of electric vehicles is the biggest difference between wireless charging and wired charging, and is the key component of the wireless charging system that can realize the wireless transmission of electrical energy. The paper uses ANSYS Maxwell to build a circular coil and a square coil model, simulates both types of coils, and analyses the influence of the number of turns and transmission distance on the two types of coils; analyses the relationship between coil mutual inductance and coupling coefficient with the number of turns and transmission distance. The relationship between the mutual inductance and coupling coefficient of the coil and the number of turns and transmission distance is also analysed. The results show that the performance of the circular coil is better than that of the square coil for the same number of wires.

Electric vehicles; Wireless charging system; Magnetic coupling coil;ANSYS Maxwell

U469.72

A

1671-7988(2023)11-32-04

楊志達（1998－），男，碩士研究生，研究方向為電動汽車無線充電，E-mail:1728706348@qq.com。

王鐵（1969－），男，博士后，教授，碩士研究生導師，研究方向為車輛工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.006