電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合線圈的仿真分析

楊志達(dá)，王 鐵

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁耦合線圈的仿真分析

楊志達(dá)，王 鐵*

（沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，遼寧 沈陽 110159）

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)的磁耦合線圈是無線充電和有線充電的最大不同點(diǎn)，是無線充電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能無線傳輸?shù)年P(guān)鍵部件。論文使用ANSYS Maxwell建立圓形線圈和方形線圈模型，對(duì)兩種類型線圈進(jìn)行仿真，分析線圈匝數(shù)和傳輸距離對(duì)兩種線圈的影響；分析線圈互感、耦合系數(shù)與線圈匝數(shù)、傳輸距離的關(guān)系。使用相同數(shù)量導(dǎo)線繞制成圓形線圈和方形線圈，對(duì)比分析兩種線圈傳輸性能。結(jié)果顯示，在導(dǎo)線數(shù)量相同的情況下，圓形線圈的性能優(yōu)于方形線圈。

電動(dòng)汽車；無線充電系統(tǒng)；磁耦合線圈；ANSYS Maxwell

無線電能傳輸技術(shù)（Wireless Power Transfer, WPT）是指發(fā)射線圈和接收線圈之間通過電磁耦合的方式實(shí)現(xiàn)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(duì)較大的氣隙傳輸電能且傳輸效率相對(duì)比較高，因此，近年受到越來越多的關(guān)注。近幾年，電動(dòng)汽車越來越受到消費(fèi)者的歡迎，電動(dòng)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(xiǎn)等。故電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，目前，電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的主流是磁耦合諧振式[1]。

磁能線圈組是無線充電技術(shù)和有線充電的最大區(qū)別，其傳輸性能是無線充電系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，磁能線圈組是無線充電系統(tǒng)能夠在空氣中傳輸電能的主要結(jié)構(gòu)，它的性能直接決定了系統(tǒng)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(duì)圓形線圈和方形線圈進(jìn)行建模仿真，分析線圈匝數(shù)和傳輸距離對(duì)互感及耦合系數(shù)的影響。

1 圓形和方形線圈的建模

在電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)中常用的磁耦合線圈有圓形和方形兩種，本文將使用Maxwell對(duì)上述兩種結(jié)構(gòu)的線圈進(jìn)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可知，本文研究的兩種不同類型線圈的參數(shù)如表1所示。

表1 兩種線圈的參數(shù) 單位：mm

圓形線圈直徑方形線圈邊長(zhǎng)導(dǎo)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(huán)；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(zhǎng)、寬、高分別是740 mm、740 mm、5 mm；鋁板屏蔽層的長(zhǎng)、寬、高分別是800 mm、800 mm、6 mm。

2 線圈匝數(shù)對(duì)耦合性能的影響

電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)磁能線圈的匝數(shù)是影響系統(tǒng)傳輸性能的重要因素，在線圈設(shè)計(jì)中匝數(shù)的選擇非常重要。由文獻(xiàn)[2]可知，無線充電系統(tǒng)兩線圈的耦合系數(shù)影響互感值，而互感值會(huì)影響系統(tǒng)傳輸效率及傳輸功率。隨著耦合系數(shù)的增大，兩線圈的互感隨之增大；隨著互感值的增大，系統(tǒng)的傳輸效率跟著增大。而線圈的匝數(shù)以及兩線圈的傳輸距離會(huì)影響耦合系數(shù)及互感值，進(jìn)而影響系統(tǒng)的傳輸效率及傳輸功率。

本文使用Maxwell對(duì)圓形線圈和方形線圈匝數(shù)進(jìn)行了仿真分析，設(shè)置線圈傳輸距離為160 mm，激勵(lì)電流為8 A，頻率為85 kHz，當(dāng)線圈匝數(shù)取值為10～50，步長(zhǎng)為5 mm，圓形線圈、方形線圈的互感值和耦合系數(shù)隨匝數(shù)變化的仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 匝數(shù)對(duì)耦合性能的影響

由圖2中兩種線圈互感值的變化趨勢(shì)可知，兩種形狀的線圈的互感都隨著匝數(shù)的增加而增加，且增加的趨勢(shì)基本相同。方形線圈的匝數(shù)從10增加到30時(shí)，其互感值從26.97 μH增加到391.41 μH，且增幅也在變大；當(dāng)方形線圈的匝數(shù)從30增加到50時(shí)，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(shù)的增加先快速變大，后緩慢變大。圓形線圈互感值隨匝數(shù)的變化情況與方形線圈基本相同，在匝數(shù)為30時(shí)互感的增加最快。由圖2可明顯看出，當(dāng)線圈的匝數(shù)相同時(shí)，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(shù)的變化趨勢(shì)可知，方形線圈和圓形線圈的耦合系數(shù)都隨著匝數(shù)的增加而增加，且增大的趨勢(shì)基本一致。方形線圈的匝數(shù)從10增加到30時(shí)，耦合系數(shù)近似呈線性增加；但隨著匝數(shù)的增加，耦合系數(shù)的增加越來越緩慢，方形線圈耦合系數(shù)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(dāng)線圈匝數(shù)相同時(shí)，方形線圈的耦合系數(shù)比圓形線圈的大。

由上述分析可知，當(dāng)圓形線圈的直徑等于方形線圈的邊長(zhǎng)，且匝數(shù)相同、傳輸距離不變的情況下，方形線圈的傳輸性能優(yōu)于圓形線圈。由文獻(xiàn)[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(shí)，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(yōu)于圓形線圈。

3 傳輸距離對(duì)耦合性能的影響

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

式中，為發(fā)射、接收線圈之間的互感；0為空間磁導(dǎo)率；1、2為發(fā)射、接收線圈匝數(shù)；1、2為發(fā)射、接收線圈的半徑；為發(fā)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(huì)直接影響系統(tǒng)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(duì)不同傳輸距離情況進(jìn)行仿真分析。設(shè)置發(fā)射和接收線圈匝數(shù)為40匝，激勵(lì)電流為8 A，頻率為85 kHz，發(fā)射和接收線圈的傳輸距離為140～230 mm，步長(zhǎng)為10 mm，此時(shí)圓形線圈、方形線圈的互感值和耦合系數(shù)隨傳輸距離變化的仿真結(jié)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(shì)可知，隨著發(fā)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(shí)，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(shì)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(shù)的變化趨勢(shì)可知，當(dāng)發(fā)射線圈和接收線圈的傳輸距離增大時(shí)，兩種形狀線圈的耦合系數(shù)都在減小。當(dāng)線圈的傳輸距離從140 mm增大到230 mm時(shí)，方形線圈的耦合系數(shù)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(shù)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(shù)變化趨勢(shì)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(dāng)圓形線圈和方形線圈尺寸參數(shù)相同的情況下，方形線圈的傳輸性能優(yōu)于圓形線圈。由文獻(xiàn)[3]亦可驗(yàn)證上述結(jié)論。

4 圓形線圈和方形線圈的比較

由上文的分析可知，當(dāng)圓形線圈的直徑等于方形線圈的邊長(zhǎng)，且線圈匝數(shù)、傳輸距離相同的情況下，方形線圈的傳輸性能優(yōu)于圓形線圈。但是此時(shí)方形線圈比圓形線圈需要的導(dǎo)線數(shù)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(duì)比兩種線圈的傳輸性能，使用相同的數(shù)量的導(dǎo)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(shù)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(zhǎng)為550 mm，上述兩種形狀線圈的仿真結(jié)果如表2所示。

表2 兩種形狀線圈對(duì)比

線圈形狀互感/μH耦合系數(shù) 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(shù)都優(yōu)于方形線圈。因此，當(dāng)使用相同數(shù)量的導(dǎo)線繞制線圈時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇圓形線圈。由文獻(xiàn)[5]亦可驗(yàn)證上述結(jié)論。

5 結(jié)論

圓形線圈和方形線圈的傳輸性能在一定范圍內(nèi)能隨著匝數(shù)的增加而增強(qiáng)，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(zhǎng)的情況下，方形線圈的傳輸性能優(yōu)于圓形線圈；在導(dǎo)線數(shù)量相同的情況下，圓形線圈的性能優(yōu)于方形線圈。

[1] 譚澤富,張偉,王瑞,等.電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)研究綜述[J].智慧電力,2020,48(4):42-47,111.

[2] 郭微,張健.電動(dòng)汽車無線充電系統(tǒng)耦合線圈的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,34(4): 36-43.

[3] 李長(zhǎng)青.電動(dòng)汽車無線充電線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)與磁屏蔽研究[D].綿陽:西南科技大學(xué),2021.

[4] 鄧亞峰.無線電能傳輸技術(shù)及在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2018.

[5] 季樂樂.基于磁耦合諧振的電動(dòng)汽車無線充電技術(shù)的研究[D].蕪湖:安徽工程大學(xué),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(dá)（1998－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)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(dǎo)師，研究方向?yàn)檐囕v工程，E-mail:wangtiesylg@126.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.006