一、无线充电背景与难点
无线充电系统是一种复杂非线性磁电耦合系统，其性能的进一步提升需要在本质科学问题与共性技术体系方面做出更加深入的分析和探索，归纳更具普遍意义的技术方案与控制策略。
目前市面上无线充电器需要用户自行购买，并且价格不菲，车载附带无线充电设备的还仅为中高端机型。随着更多入门级消费电子产品加入无线充电功能，挑战无线充电的成本问题将会随着产量增长成为企业的主要目标。标准化、轻量化、高效率、大功率、兼容性也是电动无线充电技术需要面对的几个挑战。
目前无线充电研发人员在设计无线充电设备时，普遍面临三大技术挑战。
1.1、效率挑战：能量传输的隐形损耗
距离敏感：传输距离每增加1mm，效率下降5%-8%，设备错位时磁场偏移加剧损耗
线圈瓶颈：传统单线圈布局有效感应区域小，多线圈矩阵设计需解决电磁干扰问题
热损耗：>5W功率下，20%效率损失可导致局部温升超40℃，加速电池老化
1.2、兼容性挑战：协议乱局与电磁干扰
协议割裂：Qi/PMA/AirFuel等标准并存，私有协议(如苹果7.5W、三星10W)需动态适配
多设备冲突：双设备充电时磁场耦合导致效率骤降15%以上
EMC隐患：接收端周边元器件(如PCB、NFC模组)易受强磁场干扰
1.3、温度挑战：安全与散热的高压线
金属异物风险：发射端金属异物在>10W功率下可升温至燃点
热堆积效应：铁氧体屏蔽层厚度增加可降低漏磁，但会加剧内部温升
二、效率挑战
为了应对效率挑战，也诞生了非常多的设计思路，这些思路可以通过仿真方式去验证。
2.1、无线充电电磁场仿真
ANSYS Maxwell是专业低频电磁场软件，可以胜任无线充电产品各种电磁场分析。
2.1.1 分析间距偏移对耦合系数的影响
分析原副边线圈有安装误差时对结果的影响。
Maxwell参数化分析可以充分分析线圈有安装误差时的各种性能变化。耦合系数与间距、偏移量的关系。
2.1.2 磁吸结构精准对齐
手机等消费电子类产品无线充电越来越多采用磁吸设计帮助充电位置精准对齐，固定手机与无线充电器，实现最高充电效率的相对位置。
永磁体的加入，会使铁芯材料发生直流偏置，影响铁耗的计算。Maxwell直流偏置计算求解器，适用于带永磁体铁芯损耗计算。
2.1.3 铜线损耗优化
影响效率的一大原因铜线损耗过高。为了优化铜耗，尤其是交流铜耗，往往采用Litz线的形式。
Maxwell支持Litz线建模，建模时，导线材料属性: Litz Wire，用单匝模型代替多股Litz线模型，每股Litz线的形状、尺寸、以及Litz线总股数
考虑集肤和邻近效应带来的附加损耗Litz线类型: Round, Square, Rectangular，支持2D和3D。当每根导线的厚度小于等于集肤深度时有效
2.1.4 铁芯损耗优化
影响效率的又一大原因是铁芯损耗。铁芯损耗受两方面影响，一是频率、二是磁通密度。为了优化铁芯损耗，而又不至于磁通密度太低产生冗余，磁场的优化必不可少。
Maxwell可以在磁场耦合情况下，帮助设计人员关注铁心的饱和与否、线圈周围的磁场分布、铁心的形状等。
2.2、无线充电系统分析
ANSYS Simplorer是专业系统分析工具，可以帮助设计人员搭建系统电路，从而考虑各器件对整体的影响，优化系统及各个部件的性能。
2.2.1 谐振耦合
高耦合效率 = /sqrt ( 1 * 2) 对线圈空间距离的要求非常严格。为了应对效率挑战，通常采用谐振耦合方案。相比感应耦合方案，可以增加耦合系数，降低耦合系数对线圈空间距离的需求，传输距离提升至4-10倍线圈直径。
频域分析可以帮助找到无线充电产品的谐振频率，Simplorer的AC求解器分析电路输入阻抗，可获得系统在宽范围频域范围的性能参数，有利于系统设计。
2.2.2 电流电压实时监测
通过实时监测电流信号（峰值/均方根值），对比输入/输出效率，动态调整充电开关频率至最优状态，减少能量损耗
Simplorer的TR求解器分析所有器件、电路上的电压和电流信号都可以获得，可充分分析无线充电系统性能。
三、兼容性挑战
为了应对效率挑战，也诞生了非常多的设计思路，这些思路可以通过仿真方式去验证。
3.1、无线充电电磁场仿真
ANSYS Maxwell是专业低频电磁场软件，在低频EMC/ EMI领域有广泛应用。
3.1.1 屏蔽建模
屏蔽是应对电磁兼容性挑战的最常见手段。
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，如图所示。从图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。
阻抗边界条件，通过对壳单元添加边界的方式替代屏蔽层完成建模，减少计算量。
3.1.2 磁吸结构对充电磁场影响
手机等消费电子类产品无线充电越来越多采用磁吸设计帮助充电位置精准对齐，目前有Qi 2.2标准应用，帮助实现超过50W高功率无线充电。
永磁体的加入，会使铁芯材料发生直流偏置，磁场有直流分量，传统频域分析无法兼顾静态磁场的永磁体。Maxwell直流偏置计算求解器，可以对AC+DC场的可视化。
3.1.3 无线充电的EMI改善
无线充电对设备外的CE\RE影响无法完全排除，但是可以改善。
对比有屏蔽与无屏蔽考虑磁场强度衰减情况
3.1.4 无线充电的EMS分析
设备内其它器件对无线充电部件的RS影响需要良好分析。
对比有屏蔽与无屏蔽考虑磁场强度衰减情况
3.2、无线充电系统分析
ANSYS Simplorer是专业系统分析工具，可以帮助设计人员搭建系统电路，考虑各种电流波形影响，从而分析低频CE性能。
3.2.1 逆变电路对波形的影响
实际中无线充电设备原边多采用逆变桥，方波电压供电，保证发射线圈基波能量最大限度传递到接收线圈，也就是电路对基波频率谐振。同时与功率器件开关过程产生的电流拖尾效应，需充分考虑上升沿与下降沿，做到在整个传输线路中的影响可以做提前评估。
在Simplorer可以采用ROM降阶模型仿真。
3.2.2 多工况场路协同
场路协同兼顾电磁场、电路和算法，考察系统性能并分析不同工况。
在Simplorer可以采用TR-TR实时模型仿真。
四、温度挑战
温度是制约无线充电向更高功率、更快速度提升的重要因素，设计人员对于产品温度的控制，往往和可靠性相关，同时也可以展现电子产品价值。
4.1、无线充电温度场仿真
ANSYS Icepak是专业电子散热仿真软件，在电力电子行业是最受信赖的工具。
4.1.1 热源、散热与温度分布
应对温度挑战，首先要解决热源准确性问题。
Maxwell计算铁芯损耗与铜耗，通过坐标映射到Icepak。
其次要解决散热问题。
Icepak有各种散热形式与散热条件可供选择。
最后要提前考虑温度分布的不均匀性。在充分考虑热源与散热的情况下得到准确的温度分布情况。
4.1.2 支持双向耦合
现实产品使用的材料，其属性往往会随着温度的变化而变化，比如相对磁导率、体电导率等。传统的电-热单相耦合无法准确计算无线充电这类体积小、功率大的电子产品。
ANSYS Maxwell与ANSYS Icepak支持双向耦合。材料可以定义为温度相关变化，基于反馈的温度分布，Maxwell重新计算损耗；上述损耗反馈回到Icepak的温度场中重新计算温度分布；电磁场与温度场来回迭代计算，得到更准确温度结果。
经过多次迭代，直到温度分布区域稳定。
五、总结
ANSYS仿真分析在无线充电方案的设计与优化中扮演了重要角色。通过利用Maxwell 、Simplorer等ANSYS软件工具，工程师们能够对无线充电系统的电磁场分布、功率传输效率、热量分布等关键参数进行全面仿真分析。
全面分析不仅帮助确定合适的传输距离和组件参数，以提高功率传输效率，还能评估不同组件的功率损耗，优化系统设计以降低损耗，提高充电效率。此外，仿真分析还能模拟并评估无线充电系统中的电磁辐射水平，确保设计符合相关标准，减少对人体和周围环境的影响。
综上所述，ANSYS仿真分析为无线充电方案的设计提供了科学依据，有助于实现更高效、更安全的无线充电系统。随着无线充电技术的不断发展，ANSYS仿真分析将在未来继续发挥重要作用，推动无线充电技术的创新与应用。
