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一、前言
随着新能源汽车的推广和应用，节能减排、环保、无噪音污染的优点已深入人心，但如何快速高效的充电越来越受到广大消费者和厂商的关注，ANSYS R17.0 助力新能源车用无线充电系统的设计，大大缩短研发周期，提高产品一次成功率，提高产品性能。
二、新能源车用无线充电原理
无线充电技术，源于无线电力输送技术，又称作感应充电、非接触式感应充电，是利用近场感应，也就是电感耦合，由供电设备将能量传送至用电的装置，该装置使用接收到的能量对电池充电，并同时供其本身运作之用。由于供电设备与用电装置之间以电感耦合传送能量，两者之间不用电线连接，因此供电设备与用电装置之间无导电接点外露。无线充电主要有电磁感应式充电、磁场共振式充电、无线电波式充电三种充电方式、电磁感应式充电因其输出功率远大于后两者、是目前的主流方式。
三、电磁感应式无线充电面临的技术挑战
如图1、2所示为无线充电示意图，在这个系统中存在以下三个方面的问题：
● 传输效率问题。图2中线圈1、2的横向偏差较大时传输效率会明显下降。
● 线圈的匝数较多教密集，工作时线圈之间的发热、散热是一个很大的问题
● 两个线圈之间是通过耦合传递能量，那么对应的磁场是否存在泄漏，人如何避免受影响
其他比如是否有异物落入线圈1上也是实际使用时需要考虑的因素。
图1 图２
四、ANSYS解决方案
Maxwell参数化分析可以抽取线圈的参数，如自感、互感、耦合系数，将线圈的内外径、间距、厚度、匝数等参数设置为变量（如图3所示），可获得所需参数的值及在此基础上的变化规律，直接看出偏移、匝数等对参数的影响（如图4、5、6、7所示），并可以比较不同方案的优劣（如图8 a、b所示）以及效率map图（如图9所示）。
图３
图４ 线圈匝数
图５ 线圈自感及互感
图６ 参数化分析变量（current/gap/sliding）
图7 耦合系数与间距、偏移量的关系
图8 a 盘式线圈方案
图8 b 螺线管式线圈方案
图9 效率map图
除此之外，Maxwell 静态场还可以分析铁心的饱和与否、线圈周围的磁场分布、铁心的形状等，如图10、11所示
图10 铁心的磁感应强度分布
图11 铁心中垂面的磁感应强度分布
Maxwell 涡流场求解器可以计算线圈的阻抗矩阵，同时包含电阻和电抗；如图12、13所示。
图12
图13
Maxwell 涡流场求解器还可以计算用于防止磁场泄漏的屏蔽材料特性及形状，如图14 a/b/c所示。从图14 b/c 没有屏蔽和有屏蔽比较可看出，采用屏蔽后大大减少了磁场的泄漏。
铁芯(Power Ferrite)
图14 a
屏蔽材料(Aluminum)
图14 b 没有屏蔽
图14 c 有屏蔽
对于设计、优化好的无源元件线圈，是否包括整个系统在内性能都达到了最优，如何优化系统性能呢？ANSYS能做到!
图 15 ANSYS Simplorer 无线充电系统仿真
图15 中的线圈采用ROM（降阶模型）模型放入系统当中，这样就可以对整个系统的电路、元件的影响整体考虑，更接近实际系统，从而优化系统及各个部件的性能。
在此基础上，ANSYS Workbench 平台可以进行线圈发热的分析，特别是有充电是有异物如金属铝罐掉入充电设备时的温度分布场（如图16所示）。
图 16
图16Workbench铝罐掉入充电设备损耗引起的温度场分布耦合分析在这个耦合分析中，温度场给出当前损耗下的分布，maxw ell据此调整线圈的电导率，从新计算出损耗，温度场根据反馈回来的损耗计算出温度分布，经过多次迭代，求得趋于稳定时的温度分布（如图17所示）。
图 17 线圈温度分布
六、总结
ANSYS 电磁场和系统仿真可以轻松边界的实现新能源汽车用无线充电系统的线圈及系统设计，采用多域耦合仿真技术可以解决电磁场与温度场的双向耦合问题，轻松解决您的部件及系统优化设计。
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