电动汽车无线充电系统磁耦合线圈的仿真分析

杨志达，王 铁

电动汽车无线充电系统磁耦合线圈的仿真分析

杨志达，王 铁*

（沈阳理工大学 汽车与交通学院，辽宁 沈阳 110159）

电动汽车无线充电系统的磁耦合线圈是无线充电和有线充电的最大不同点，是无线充电系统能够实现电能无线传输的关键部件。论文使用ANSYS Maxwell建立圆形线圈和方形线圈模型，对两种类型线圈进行仿真，分析线圈匝数和传输距离对两种线圈的影响；分析线圈互感、耦合系数与线圈匝数、传输距离的关系。使用相同数量导线绕制成圆形线圈和方形线圈，对比分析两种线圈传输性能。结果显示，在导线数量相同的情况下，圆形线圈的性能优于方形线圈。

电动汽车；无线充电系统；磁耦合线圈；ANSYS Maxwell

无线电能传输技术（Wireless Power Transfer, WPT）是指发射线圈和接收线圈之间通过电磁耦合的方式实现电能在互相不接触的线圈之间的传输，磁耦合谐振式WPT可以通过相对较大的气隙传输电能且传输效率相对比较高，因此，近年受到越来越多的关注。近几年，电动汽车越来越受到消费者的欢迎，电动汽车目前主流的充电方式是有线充电，该充电方式存在一定的缺陷，如充电枪和充电线老化损坏、下雨天存在触电的潜在危险等。故电动汽车无线充电技术应运而生，目前，电动汽车无线充电技术的主流是磁耦合谐振式[1]。

磁能线圈组是无线充电技术和有线充电的最大区别，其传输性能是无线充电系统最关键的部分，磁能线圈组是无线充电系统能够在空气中传输电能的主要结构，它的性能直接决定了系统的传输性能。比较常见的磁能线圈有方形线圈、圆形线圈等。

本文使用ANSYS Maxwell对圆形线圈和方形线圈进行建模仿真，分析线圈匝数和传输距离对互感及耦合系数的影响。

1 圆形和方形线圈的建模

在电动汽车无线充电系统中常用的磁耦合线圈有圆形和方形两种，本文将使用Maxwell对上述两种结构的线圈进行建模分析，图1为圆形线圈和方形线圈。

图1 圆形和方形线圈

由于汽车底盘的限制，耦合线圈不可过大，由设计经验可知，本文研究的两种不同类型线圈的参数如表1所示。

表1 两种线圈的参数 单位：mm

圆形线圈直径方形线圈边长导线直径匝间距 70070056

圆形磁能线圈的铁氧体屏蔽层是半径为 370 mm、厚度为5 mm的圆环；铝板屏蔽层是半径为400 mm、高度为6 mm的圆柱体。方形磁能线圈的铁氧体屏蔽层的长、宽、高分别是740 mm、740 mm、5 mm；铝板屏蔽层的长、宽、高分别是800 mm、800 mm、6 mm。

2 线圈匝数对耦合性能的影响

电动汽车无线充电系统磁能线圈的匝数是影响系统传输性能的重要因素，在线圈设计中匝数的选择非常重要。由文献[2]可知，无线充电系统两线圈的耦合系数影响互感值，而互感值会影响系统传输效率及传输功率。随着耦合系数的增大，两线圈的互感随之增大；随着互感值的增大，系统的传输效率跟着增大。而线圈的匝数以及两线圈的传输距离会影响耦合系数及互感值，进而影响系统的传输效率及传输功率。

本文使用Maxwell对圆形线圈和方形线圈匝数进行了仿真分析，设置线圈传输距离为160 mm，激励电流为8 A，频率为85 kHz，当线圈匝数取值为10～50，步长为5 mm，圆形线圈、方形线圈的互感值和耦合系数随匝数变化的仿真结果如图2所示。

图2 匝数对耦合性能的影响

由图2中两种线圈互感值的变化趋势可知，两种形状的线圈的互感都随着匝数的增加而增加，且增加的趋势基本相同。方形线圈的匝数从10增加到30时，其互感值从26.97 μH增加到391.41 μH，且增幅也在变大；当方形线圈的匝数从30增加到50时，互感值从391.41 μH增加到795.22 μH，但其增加的幅度在逐渐减小，即方形线圈的互感值随匝数的增加先快速变大，后缓慢变大。圆形线圈互感值随匝数的变化情况与方形线圈基本相同，在匝数为30时互感的增加最快。由图2可明显看出，当线圈的匝数相同时，方形线圈的互感值比圆形线圈的大。

由图2两种线圈耦合系数的变化趋势可知，方形线圈和圆形线圈的耦合系数都随着匝数的增加而增加，且增大的趋势基本一致。方形线圈的匝数从10增加到30时，耦合系数近似呈线性增加；但随着匝数的增加，耦合系数的增加越来越缓慢，方形线圈耦合系数的增加量由开始的0.065 4到最后的0.008 8。圆形线圈同样由开始的近似线性增加到最后几乎不变，最开始增加量为0.059 7到最后的增加量为0.005。由图2可明显看出，当线圈匝数相同时，方形线圈的耦合系数比圆形线圈的大。

由上述分析可知，当圆形线圈的直径等于方形线圈的边长，且匝数相同、传输距离不变的情况下，方形线圈的传输性能优于圆形线圈。由文献[3]可知，把圆形线圈和方形线圈置于同一尺寸的正方形中时，由于方形线圈占用了更多的面积，其耦合性能更佳，故方形线圈的传输性能优于圆形线圈。

3 传输距离对耦合性能的影响

磁耦合谐振式无线充电系统两个耦合线圈的传输距离也是影响系统传输性能的重要因素。

式中，为发射、接收线圈之间的互感；0为空间磁导率；1、2为发射、接收线圈匝数；1、2为发射、接收线圈的半径；为发射、接收线圈之间的距离[4]。

由式（1）可知，两线圈的互感与传输距离成反比，互感会直接影响系统的传输效率和传输功率。

使用上文建立的圆形和方形线圈模型，对不同传输距离情况进行仿真分析。设置发射和接收线圈匝数为40匝，激励电流为8 A，频率为85 kHz，发射和接收线圈的传输距离为140～230 mm，步长为10 mm，此时圆形线圈、方形线圈的互感值和耦合系数随传输距离变化的仿真结果如图3所示。

图3 互感值随传输距离的变化

由图3中两种线圈互感值的变化趋势可知，随着发射和接收线圈之间的距离增大，圆形线圈和方形线圈的互感值都在减小。传输距离从140 mm变化到230 mm时，方形线圈的互感值从766.42 μH降到了390.78 μH，减小的比例为49.0%；圆形线圈的互感值从590.75 μH降到了288.72 μH，减小的比例为51.1%。随着线圈的传输距离的增大，互感值减小的幅度在逐渐降低，圆形线圈从开始的减小量为46.19 μH到最后的20.17 μH；方形线圈从开始的减小量为63.11 μH到最后的24.83 μH。由图3也可明显看出，随着传输距离的变化，两种线圈的互感值的变化趋势基本相同；在传输距离相同的情况下，方形线圈的互感值比圆形线圈大。

由图3两种线圈耦合系数的变化趋势可知，当发射线圈和接收线圈的传输距离增大时，两种形状线圈的耦合系数都在减小。当线圈的传输距离从140 mm增大到230 mm时，方形线圈的耦合系数从0.525 3减小到了0.290 3，减小的比例为44.7%；圆形线圈的耦合系数从0.484 6减小到了0.251 2，减小的比例为48.2%。随着线圈的传输距离的增大，线圈传输距离减小的幅度在逐渐降低，方形线圈从开始的减小量为0.034 3到最后的0.018 5；圆形线圈从开始的减小量为0.034 0到最后的0.018 2。由图3也可明显看出，随着传输距离的变化，两种形状线圈的耦合系数变化趋势几乎相同。

由上述分析可知，在传输距离相同的情况下，方形线圈的互感值比圆形线圈大；当圆形线圈和方形线圈尺寸参数相同的情况下，方形线圈的传输性能优于圆形线圈。由文献[3]亦可验证上述结论。

4 圆形线圈和方形线圈的比较

由上文的分析可知，当圆形线圈的直径等于方形线圈的边长，且线圈匝数、传输距离相同的情况下，方形线圈的传输性能优于圆形线圈。但是此时方形线圈比圆形线圈需要的导线数量多，且方形线圈围绕的面积大于圆形线圈，即方形线圈的成本高于圆形线圈。

为了对比两种线圈的传输性能，使用相同的数量的导线在Maxwell中建立圆形线圈和方形线圈模型；两种形状的线圈匝数取为35，传输距离取160 mm，圆形线圈半径为350 mm，方形线圈边长为550 mm，上述两种形状线圈的仿真结果如表2所示。

表2 两种形状线圈对比

线圈形状互感/μH耦合系数 方形线圈320.840.323 圆形线圈402.450.391

由表2可知，圆形线圈的互感和耦合系数都优于方形线圈。因此，当使用相同数量的导线绕制线圈时，应优先选择圆形线圈。由文献[5]亦可验证上述结论。

5 结论

圆形线圈和方形线圈的传输性能在一定范围内能随着匝数的增加而增强，随着传输距离的变大而减弱。在圆形线圈的直径等于方形线圈边长的情况下，方形线圈的传输性能优于圆形线圈；在导线数量相同的情况下，圆形线圈的性能优于方形线圈。

[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(4):42-47,111.

[2] 郭微,张健.电动汽车无线充电系统耦合线圈的优化设计[J].盐城工学院学报(自然科学版),2021,34(4): 36-43.

[3] 李长青.电动汽车无线充电线圈优化设计与磁屏蔽研究[D].绵阳:西南科技大学,2021.

[4] 邓亚峰.无线电能传输技术及在电动汽车中的应用[M].北京:化学工业出版社,2018.

[5] 季乐乐.基于磁耦合谐振的电动汽车无线充电技术的研究[D].芜湖:安徽工程大学,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

杨志达（1998－），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车无线充电，E-mail:1728706348@qq.com。

王铁（1969－），男，博士后，教授，硕士研究生导师，研究方向为车辆工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.006