北京
随着电动汽车产业的快速发展，尤其是无人驾驶汽车对智能无线充电的需求日益增长，无线充电技术正成为未来的重要发展方向。然而，现有的无线充电耦合器设计受到铁氧体等软磁材料温度特性限制，存在热失控的潜在风险。针对这一关键问题，香港城市大学先进电力电子实验室（LAPE）江朝强团队近期提出了一种面向磁芯热稳定性的分析方法。该方法通过数学建模，在实际硬件实现前即可实现对磁芯热稳定性的定量预测，适用于包括锰锌铁氧体和非晶纳米晶材料在内的多种磁性材料。
图1 电动汽车无线充电示意图
在大功率无线充电系统中，软磁材料作为核心部件，其损耗特性高度依赖于温度、磁感应强度及工作频率，并且表现出强烈的非线性。
图2 无线充电系统热稳定性的影响因素与决定性要素
迄今为止，尚难建立具备物理意义且适用于工程设计的软磁材料损耗模型。以铁氧体为例，其损耗在高温环境下呈指数级上升，同时其最低损耗温度点也随着磁感应强度的变化而出现左移，极大地加剧了热管理难度和系统稳定性风险。
图3 磁性材料热平衡与热失控效应的数学解析
为解决上述问题，研究团队创新性地提出了一种基于简化集总参数的热稳定性建模方法。该方法结合了磁环样品的实测数据，对模型进行了校准与验证，无需依赖复杂的精确热仿真技术，能够在温度域内直接进行计算和预测。预测结果显示，在85 kHz激励下，纳米晶材料在高磁场强度条件下更易保持热稳定性，这主要归因于其损耗大多来自涡流损耗。
图4 基于简化集总参数建模针对铁氧体及纳米晶材料的热稳定性分析结果
图5 系统验证实验图
团队进一步在13 kW无线充电系统平台上，通过热成像技术与实测数据对比，验证了所建模型的准确性。同时，利用热电偶对高温区域进行时域跟踪，获得了铁氧体材料在热失控状态下的温度变化特性。
图6 铁氧体及纳米晶材料的在长时间运行后的温度变化
图7 纳米晶及铁氧体热稳定性在时域下的验证
进一步结合微观结构观测和物理测量，揭示了铁氧体与纳米晶材料在损耗机制上的本质差异，并指出铁氧体在高功率密度无线充电应用中面临的先天性材料属性壁垒。该工作为无线充电用软磁材料的热管理与材料创新提供了坚实的理论基础和技术支撑。
相关研究成果以题为“Temperature-dependent magnetic characteristics and thermal runaway assessment in passive-cooled inductive power transfer systems”发表于期刊《Energy》。香港城市大学2023级博士生王一博为论文第一作者，江朝强教授为通讯作者，香港城市大学为第一完成单位。
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