电动汽车无线充电系统耦合线圈仿真分析

窦胜月，王 宇，甄亚晶，田圣哲，崔金龙

电动汽车无线充电系统耦合线圈仿真分析

窦胜月，王 宇，甄亚晶，田圣哲，崔金龙

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

电动汽车无线充电技术以其运行安全、方便灵活等优点受到了越来越多的关注，为电动汽车发展提供了新鲜活力。耦合线圈是无线充电系统中电能场能转换、能量传输的关键部件，从根本上影响整个系统的性能。文章首先在有限元仿真软件Ansys Maxwell 中建立耦合线圈模型，包括只有耦合线圈、带磁芯铝板的耦合线圈两种；然后针对两种模型进行仿真，分析磁芯铝板对磁场分布、互感和耦合系数的影响，同时仿真得出互感、耦合系数与耦合线圈的传输距离、偏移距离之间的关系。

耦合线圈；无线充电系统；Maxwell仿真；电动汽车

前言

为应对全球气候变化、推动绿色发展，发展和推广电动汽车成为必然举措[1]。但是由于电池容量的限制，电动汽车续驶里程短以及充电困难等问题制约着电动汽车的发展。目前的充电方式有有线充电和无线充电两种。有线充电频繁插拔容易产生电火花，线路老化、破损会带来漏电等安全隐患，且对雨雪等恶劣天气的适应性也较差[2-3]。而无线充电将发射线圈埋入地下，占地面积小且无外漏接口，无需插拔，具有运行安全、方便灵活、不受恶劣天气影响、维护成本低、充电更加智能化等优点[4-6]，而且无线充电方式与智能驾驶理念更相符，因此无线充电技术受到了越来越多的关注。

耦合线圈是无线充电系统中实现发射端和接收端能量耦合实现能量相互转化的元件，是影响系传输性能的关键部件[7]。本文针对方形耦合线圈进行建模仿真，分析磁芯铝板对磁场、互感及耦合系数的影响以及耦合系数随传输距离、偏移距离的变化规律。

1 耦合线圈模型的建立

本文在电磁仿真软件Ansys Maxwell 中搭建两种电动汽车无线充电系统耦合线圈模型：只有耦合线圈（如图1所示）、带磁芯铝板的耦合线圈（如图2所示）。

图1 只有耦合线圈时的仿真模型

图2 带磁芯铝板的耦合线圈仿真模型

其中耦合线圈采用方形线圈，且设计接收线圈和发射线圈结构参数完全相同，其具体参数见表1。磁芯由6根长、宽、高分别为210 mm、40 mm、7 mm的条形铁氧体材料构成，其相对磁导率为1 000。铝板长、宽、高分别为600 mm、600 mm、10 mm。

表1 方形耦合线圈参数

线圈外边长/mm线圈内边长/mm线圈匝数/匝导线半径/mm 400290300.9

2 仿真结果分析

本文在Maxwell 软件中建立涡流场求解模型，频率设置为85 kHz，发射线圈和接收线圈均通入10 A电流。由于电动汽车无线充电系统发射线圈安装于地面上，接收线圈安装于汽车底盘上，两线圈之间的传输距离受到汽车离地间隙的限制。纯电动汽车的离地间隙一般为100 mm～250 mm[8]，本文选取发射线圈与接收线圈之间的传输距离为100 mm～200 mm。另外，由于车辆停放位置可能出现偏差会导致两线圈不能完全对齐，产生横向偏移，本文设置线圈偏移距离为0～200 mm。

2.1 磁场分布仿真结果

电动汽车无线充电系统耦合线圈进行无接触能量传输，发射回路中的高频交变电流使得发射线圈产生高频磁场，处于高频磁场中的接收线圈产生感应电流，从而实现电能-磁场-电能的转化，进而对负载进行充电。因此，两线圈之间的磁场分布情况体现了两线圈的耦合程度。利用Maxwell软件仿真得到的两种模型的磁场分布云图如图3、图4所示。

图3 只有耦合线圈时的磁场分布云图

图4 带磁芯铝板的耦合线圈磁场分布云图

由图3、图4可知，磁芯铝板对耦合线圈之间的磁通路径有一定的约束作用，带磁芯铝板的耦合线圈的磁场分布更集中于两线圈之间的区域，且该区域的磁场分布更加均匀，磁场强度也更大。因此，磁芯铝板对于聚拢并增强两线圈间的磁场有重要作用。

2.2 互感值仿真结果分析

根据电动汽车无线充电系统等效电路模型，分析系统传输特性，由参考文献[9]中的传输效率计算公式得知耦合线圈之间的互感值直接影响无线充电系统传输效率，且传输效率随互感值的增加而增加[9]。对建立的模型进行仿真分析，当偏移距离为0 mm时，互感值随耦合线圈传输距离变化的曲线图如图5所示，当传输距离为100 mm时，互感值随耦合线圈偏移距离变化的曲线图如图6所示。

图5 不同传输距离互感变化曲线图

由图5可知，当耦合线圈偏移距离一定时，两种模型的互感值都随传输距离的增大而减小，且带磁芯铝板的耦合线圈互感值下降速度更快。当传输距离由100 mm增加到200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的互感值由300.726 uH减小到121.977 uH，降低了近60%；只有耦合线圈时的互感值由176.553 uH减小到78.210 uH，降低了56%左右。另外，传输距离为100 mm～200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的互感值均大于只有耦合线圈时的互感值，但是随着传输距离的增大，磁芯铝板的优势逐渐下降。

图6 不同偏移距离互感变化曲线图

由图6可知，当耦合线圈传输距离一定时，两种模型的互感值都随偏移距离的增大而减小，且带磁芯铝板的耦合线圈互感值下降趋势更明显。当偏移距离由0 mm增加到200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的互感值由300.726 uH减小到97.218 uH，降低了近68%；只有耦合线圈时的互感值由176.553 uH减小到71.597 uH，降低了60%左右。另外，偏移距离为0 mm～200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的互感值均大于只有耦合线圈时的互感值，但是随着传输距离的增大，两种模型的互感值逐渐接近。

对比图5、图6，耦合线圈偏移对互感值的影响更大，且磁芯铝板可以在一定程度上增强耦合线圈互感，传输距离和偏移距离越小，磁芯铝板的增强作用越明显。

2.3 耦合系数仿真结果分析

在电动汽车无线充电系统中，常用耦合系数来表征发射线圈和接收线圈之间的耦合程度，耦合系数越大则耦合线圈之间的耦合程度越高，传输到接收线圈的能量也就越多，系统的传输效率也就越高。利用有限元电磁仿真软件Maxwell 对只有耦合线圈、带磁芯铝板的耦合线圈两种模型进行仿真，得到偏移距离为0 mm时的耦合系数随传输距离的变化曲线，如图7所示，传输距离为100 mm时的耦合系数随偏移距离的变化曲线，如图8所示。

图7 不同传输距离耦合系数变化曲线图

由图7可知，当耦合线圈偏移距离一定时，两种模型的耦合系数都随传输距离的增大而减小，且两种模型的耦合系数变化趋势相接近。当传输距离由100 mm增加到200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的耦合系数由0.350减小到0.147，降低了58%；只有耦合线圈时的耦合系数由0.281减小到0.125，降低了56%左右。另外，传输距离为100 mm～200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的耦合系数均大于只有耦合线圈时的耦合系数。

图8 不同偏移距离耦合系数变化曲线图

由图8可知，当耦合线圈传输距离一定时，两种模型的耦合系数都随偏移距离的增大而减小，且带磁芯铝板的耦合线圈耦合系数下降趋势更明显。当偏移距离由0 mm增加到200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的耦合系数由0.350减小到0.115，降低了近67%；只有耦合线圈时的耦合系数由0.281减小到0.114，降低了60%左右。另外，偏移距离为0 mm～200 mm时，带磁芯铝板的耦合线圈的耦合系数均大于只有耦合线圈时的互感值，但是随着传输距离的增大，两种模型的耦合系数逐渐接近，当线圈偏移距离200 mm时，两模型的耦合系数仅相差0.001。

对比图7、图8，耦合线圈偏移对耦合系数的影响大于线圈传输距离对耦合系数的影响，且磁芯铝板可以增大耦合线圈耦合系数，传输距离和偏移距离越小，磁芯铝板增大耦合系数的作用越明显。

3 结论

（1）磁芯铝板能够聚拢并增强耦合线圈之间的磁场，增大耦合线圈的互感及耦合系数；

（2）互感值和耦合系数都随耦合线圈传输距离、偏移距离的增加而减小，且对线圈偏移更敏感；

（3）耦合系数随传输距离、偏移距离的变化趋势与互感的变化趋势相同。

[1] 谭泽富,张伟,王瑞,等.电动汽车无线充电技术研究综述[J].智慧电力,2020,48(04):42-47+111.

[2] 赵争鸣,刘方,陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报,2016,31(20):30-40.

[3] 吴理豪,张波.电动汽车静态无线充电技术研究综述(上篇)[J].电工技术学报,2020,35(06):1153-1165.

[4] 高大威,王硕,杨福源.电动汽车无线充电技术的研究进展[J].汽车安全与节能学报,2015,6(04):314-327.

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[6] 贾金亮,闫晓强.磁耦合谐振式无线电能传输特性研究动态[J].电工技术学报,2020,35(20):4217-4231.

[7] 吴理豪,张波.电动汽车静态无线充电技术研究综述(下篇)[J].电工技术学报,2020,35(08):1662-1678.

[8] 杨阳,崔金龙,崔信.电动汽车无线充电系统磁耦合线圈耦合系数的研究[J].智慧电力,2020,48(08):56-62+115.

[9] 沈锦飞.磁共振无线充电应用技术[M].北京:机械工业出版社,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

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1671-7988(2022)01-10-04

U469.7

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1671-7988(2022)01-10-04

CLC NO.:U469.7

窦胜月，硕士研究生，就读于长安大学汽车学院，主要研究电动汽车无线充电技术。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.003