传统电动汽车的有线充电方案在实际应用过程中存在许多问题，如由于充电枪笨重而使得用户操作便捷性降低，充电枪的接触口频繁插拔引起的磨损导致维护成本高，输电线缆限制使用的灵活性，雨雪天气还会存在漏电安全隐患。

无线电能传输技术实现了充电设备与汽车之间的电气隔离，提高了用户操作的便捷性，免去了接口磨损问题能够显著降低系统维护成本，摆脱线缆的限制提高了应用的灵活性，而且不易受天气以及周边环境影响提高了系统的安全性。

磁耦合结构是电动汽车无线充电系统实现能量无线传输的重要部分，其性能优劣直接影响系统的输出功率和传输效率，同时也会影响系统的重量、占用空间及成本等。相关研究中均未考虑电动汽车实际空间约束下的线圈尺寸限制问题，然而尺寸大小对磁耦合结构的耦合系数有直接影响，相同的耦合结构其尺寸越小则耦合系数越小，电能传输性能也随之下降。

由于实际应用中存在可利用空间约束导致耦合系数下降的情况，面对经典的D4线圈在一定尺寸的限制下抗偏移能力较弱且耦合系数较低的问题，长安大学能源与电气工程学院的徐先峰、吴慧玲等学者，在以收发端对称D4线圈结构的基础上，针对电动汽车的实际位置受到驾驶员主观操作影响以及底盘高度受到车辆载重影响的问题，考虑到地面端可利用空间更大，设计收发端对称D4Q磁耦合结构与收发端非对称D4Q磁耦合结构，进一步提高耦合系数与抗偏移能力。

图1 电动汽车偏移方向与停车位示意图

研究者首先针对单线圈式磁耦合结构展开研究，在面对尺寸约束的限制条件的下，以单线圈为子单元设计D4线圈结构。随后，结合实际应用场景充分利用地面端空间，设计收发端非对称的D4线圈结构并进行仿真测试，耦合系数提升20%且横向与纵向的偏移距离分别增加20 mm与30 mm。然后，为了进一步提升耦合系数，采用收发端非对称D4Q双层线圈式磁耦合结构，使得耦合系数提升100%。

图2 非对称式D4Q复合线圈式磁耦合结构线圈绕制仿真结构

图3 实验平台架构

他们利用Ansys Maxwell分别对不同的磁耦合结构进行仿真分析与测试，仿真结果表明收发端非对称D4Q磁耦合结构能够在垂直传输距离230 mm内，发生横向偏移距离300 mm以内、纵向偏移距离400 mm以内、旋转角度45°以内的情况下仍能保持无线电能传输能力。

研究者最后搭建实验平台，验证了该收发端非对称D4Q磁耦合结构的最大输出功率增加60.34%，最大传输效率增加了11%。

本工作成果发表在2024年第12期《电工技术学报》，论文标题为“空间约束下电动汽车无线充电系统磁耦合结构优化”。本课题得到国家重点研发计划资助项目的支持。