一種多接收端車載無線充電設(shè)計

束驍驊

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的智能電子設(shè)備在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著社會生活節(jié)奏的加快，人們對手機的依賴逐漸增多，手機電量的儲備成了我們不得不考慮的問題，在汽車上搭載手機充電功能已經(jīng)成為多數(shù)汽車制造商的普遍做法。然而傳統(tǒng)的車載充電方式需要通過車載專用接口和數(shù)據(jù)線連接的方式進(jìn)行電能傳輸，如此，當(dāng)車載接口被用作手機充電時，其它設(shè)備則無法接入進(jìn)行充電或供電。同時數(shù)據(jù)線的接入也影響著整個駕乘環(huán)境的美觀舒適和手機使用的便捷性，甚至妨礙駕乘安全。而無線充電的引入不但能釋放汽車上有限的外部接口，同時增加使用的便捷性，使整個駕乘環(huán)境更加美觀整潔，提升用戶體驗，并且可同時給多個具備無線充電功能的手機或智能手表充電，不僅解決了駕駛?cè)藛T的充電需要，也能兼顧其它乘客的充電需求，為打造一個更加便捷、智能的車載出行環(huán)境提供了便利。

1 手機無線充電的基本原理

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)理論，導(dǎo)體在磁通量變化的磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，如果該導(dǎo)體是閉合回路中的一部分，則會產(chǎn)生感應(yīng)電流［1］。手機無線充電利用電磁感應(yīng)原理，即通過電磁場中磁通量的變化產(chǎn)生電能的技術(shù)，將發(fā)射端的電能傳輸給手機電池。與傳統(tǒng)變壓器的工作原理相比，手機無線充電的原副邊線圈是松耦合的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)變壓器的原副邊線圈為緊耦合。具體表現(xiàn)在，傳統(tǒng)變壓器的原副邊線圈在同一磁芯上，而手機無線充電則沒有采用磁芯，因而原副邊線圈的相對位置是不固定的，在有效的磁場范圍內(nèi)，副邊線圈可以自由移動，使得手機無線充電具有靈活性；然而傳統(tǒng)變壓器的磁芯減少了磁導(dǎo)通的損耗，因此電能傳輸效率更高，而松耦合方式通過空氣磁場傳輸電能，空氣磁阻相比磁芯要大大增加，所以傳輸效率相對較低。因漏磁大、原邊線圈和副邊線圈之間耦合系數(shù)小的因素，松耦合結(jié)構(gòu)不滿足變壓器原副邊線圈電壓和電流的匝比關(guān)系［2-4］。由電磁感應(yīng)理論和楞次定律可知，原邊線圈的電流變化率越高，原副邊線圈之間的電磁感應(yīng)強度就越大，傳輸功率密度就越高，從而提高系統(tǒng)效率。然而過高的電流頻率會引起電磁輻射的增加，造成EMC設(shè)計的困難，所以一般還需對原邊能量發(fā)射機構(gòu)和副邊能量接收機構(gòu)的耦合線圈進(jìn)行補償［5］。因此，相比傳統(tǒng)變壓器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電磁感應(yīng)式手機無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 手機無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1所示，系統(tǒng)由前后兩個部分組成，分別為能量發(fā)射端和能量接收端。①能量發(fā)射端由EMC濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路和能量發(fā)射電路組成。首先通過EMC濾波電路消除汽車電網(wǎng)內(nèi)導(dǎo)入的電磁雜波，然后由DC-DC變換電路將電壓從12V降低到5V，再經(jīng)過高頻逆變電路把5V的直流電逆變成110～210kHz的高頻交流電，傳輸給能量發(fā)射電路。能量發(fā)射電路由諧振電路和發(fā)射線圈組成，高頻交流電經(jīng)過能量發(fā)射電路產(chǎn)生交變磁場，當(dāng)能量接收端處于有效交變磁場中時，將實現(xiàn)能量傳輸。②能量接收端包括能量接收電路、整流濾波電路和負(fù)載設(shè)備。能量接收電路由接收線圈和諧振電路組成，首先能量接收電路在能量發(fā)射端產(chǎn)生的交變磁場中拾取電能，經(jīng)過整流濾波電路轉(zhuǎn)換為5V直流電，再給負(fù)載設(shè)備供電。

2 技術(shù)方案

本設(shè)計采用如下技術(shù)方案：一種多接收端發(fā)射器包括發(fā)射單元A、發(fā)射單元B，如有3個以上接收端，可增加相應(yīng)的發(fā)射單元，在此以兩個接收端為例。發(fā)射器可同時對兩個相同或不同功率的接收端進(jìn)行相互獨立的無線電能傳輸。發(fā)射器包括順序連接的輸入電路、電源轉(zhuǎn)換電路、穩(wěn)壓電路、單片機，以及通過單片機并行連接的溫度檢測、LED指示、兩路功率發(fā)射電路、兩路異物檢測電路和EMC PCB；輸入電路并行提供主電能到兩路功率發(fā)射電路；電源轉(zhuǎn)換電路并行提供控制電到兩路發(fā)射電路和異物檢測電路。

發(fā)射單元A和發(fā)射單元B相互獨立，每個功率發(fā)射電路分別由全橋逆變電路、數(shù)字調(diào)壓電路、諧振電容、線圈選擇電路、發(fā)射線圈以及數(shù)字解調(diào)組成，其中全橋逆變電路和數(shù)字調(diào)壓電路分別負(fù)責(zé)能量輸出和功率調(diào)節(jié)；異物檢測電路由輸入電流檢測、輸入電壓檢測和Q值檢測電路組成，把實時采樣的數(shù)值提供給單片機，為單片機做出正確反應(yīng)提供依據(jù)；LED指示分別用不同顏色的LED實現(xiàn)輸入電源指示、充電指示、以及異物指示。

兩路功率發(fā)射電路的發(fā)射線圈，其結(jié)構(gòu)與電性能參數(shù)高度一致，每路發(fā)射線圈由2個或3個獨立線圈平面交錯疊放形成，并用鐵氧體磁片做支撐，單片機通過線圈振蕩波形的變化來判斷哪一個線圈正在接入接收終端，同時經(jīng)過線圈選擇電路進(jìn)行能量傳輸鏈路的選通，保證在同一時刻2個或3個線圈中僅有1個線圈工作，產(chǎn)品組裝時將發(fā)射線圈鐵氧體面粘貼于洋白銅材質(zhì)的屏蔽罩內(nèi)，屏蔽罩與EMC PCB焊點焊接，EMC PCB能有效吸收線圈產(chǎn)生的某頻率段的電磁干擾以符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

單片機提供兩組固定頻率的PWM波驅(qū)動全橋逆變電路和數(shù)字調(diào)壓電路，單片機通過數(shù)字解調(diào)獲取接收端功率需求數(shù)據(jù)，進(jìn)而調(diào)整數(shù)字調(diào)壓電路的PWM波占空比，若發(fā)射功率偏小則增大PWM波占空比，若發(fā)射功率偏大則減小PWM波占空比，使實現(xiàn)功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，保證充電的正常穩(wěn)定。因使用頻率固定使發(fā)射器具備優(yōu)秀的EMC表現(xiàn)，并可有效避免與應(yīng)用環(huán)境中其它電器設(shè)備間的電磁干擾。

異物檢測電路具有兩種檢測機制：一是通過輸入電流檢測和輸入電壓檢測計算發(fā)射和接收之間的功率傳輸損耗來判斷接收終端是否為異物；二是通過Q值檢測電路檢測線圈振蕩波形的變化來判斷接收終端是否為異物。

溫度檢測電路是通過線圈區(qū)域內(nèi)放置的熱敏電阻來實時檢測線圈溫度，當(dāng)線圈溫度超過設(shè)置閾值時，存在損壞手機充電電池的風(fēng)險，溫度檢測電路將檢測結(jié)果反饋給單片機，通過單片機控制相應(yīng)的發(fā)射單元的關(guān)斷或開啟，從而實現(xiàn)過溫保護(hù)。

圖2是多接收端無線充電系統(tǒng)的詳細(xì)電路圖。

圖2 多接收端無線充電系統(tǒng)電路圖

綜上所述，本設(shè)計是一種多接收端無線能量發(fā)射器，通過兩路并行的功率發(fā)射單元，進(jìn)行相互獨立功率發(fā)射和功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)，若某一回路中存在異常情況，不影響另一回路的正常工作，保證了無線充電的高可靠性。

3 本設(shè)計的優(yōu)點

本設(shè)計與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果。

1）本設(shè)計提供了一種多接收端無線能量發(fā)射器的技術(shù)方案，該發(fā)射器每個發(fā)射單元的發(fā)射線圈由2個或3個獨立線圈平面交錯疊放形成，增大了無線傳輸工作面積和接收端擺放位置的可偏移量，使無線充電變得更加輕松自如。

2）本設(shè)計引入了基于線圈振蕩波形變化的Q值檢測方法，提高了發(fā)射器對目標(biāo)識別和異物檢測的靈敏度，使無線充電變得更加高效和安全可靠。

3）本設(shè)計采用了一種EMC干擾的吸收手段，有效解決EMC問題。

4 結(jié)束語

多接收端車載無線充電設(shè)計通過單片機驅(qū)動獨立的多個發(fā)射單元，實現(xiàn)對多個相同或不同功率的接收端進(jìn)行相互獨立的無線電能傳輸，同時獨立的異物檢測電路通過功率損失法和Q值檢測電路及時檢測充電區(qū)域的異物，保護(hù)接收端工作時不受異物的影響，并且溫度檢測電路實現(xiàn)了充電過程中的過溫保護(hù)，LED指示提供了充電狀態(tài)的提醒，另外特殊的EMC設(shè)計可使本設(shè)計的電磁兼容性能滿足車載EMC要求。