汽車功率：實(shí)際 15W 系統(tǒng)分析

在上一篇文章中為讀者提供了無線電力系統(tǒng)的背景知識(shí)后，我們通過檢查 CISPR 25 批準(zhǔn)的 15W 解決方案繼續(xù)討論車載無線電力充電。擴(kuò)展第一部分中介紹的無線電力傳輸中的材料影響，第二部分展示了各種磁屏蔽材料和厚度，以及它們對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，尤其是 EMC 合規(guī)性、效率和溫升。

馴服野獸

使用被恰當(dāng)稱為“野獸”的 Spark Connected 15W 汽車 Tx 無線電力系統(tǒng)，進(jìn)行了測(cè)試，比較了 Tx 線圈的屏蔽材料類型和厚度。測(cè)試了四種鐵氧體和一種粉狀鐵基材料，并獲得了 EMI 輻射、效率和熱條件的結(jié)果。Beast 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了上述所有 EMI 抑制技術(shù)和效率改進(jìn)方法。結(jié)果僅針對(duì)線圈屏蔽的變化。表 1 中提供了該測(cè)試的結(jié)果。

表 1：Tx 屏蔽材料與厚度與效率與 50 mm x 40 mm、8.22 uH Rx 線圈配對(duì)

在溫度列中，提供了屏蔽角 (Cnr) 和中心 (Ctr) 測(cè)量值，適用于 0.3 毫米厚屏蔽的最壞情況，以及環(huán)境 + 自溫升值。對(duì)于鐵粉材料 MS8，沒有超過 0.3 毫米的單片屏蔽厚度。使用了在 7 毫米距離處具有良好 Tx-Rx 對(duì)齊的單繞組 Tx 線圈，并且可以使用更厚的屏蔽材料進(jìn)行改進(jìn)。

下載我們的 GaN 和 SiC 技術(shù)電子書

無論屏蔽材料如何，所有最大效率都是在最大 0.9 毫米厚度（使用 MS8 的 3 片疊層）時(shí)獲得的。這也與具有更高電感的較厚屏蔽相吻合，這有助于通過增加互感 (Lm) 來提高耦合系數(shù)，并且由下式給出：

在哪里，

K – 磁耦合系數(shù)
Lm – 互感（也稱為“M”）
L(tx) – Tx 線圈的電感
L(rx) – Rx 線圈的電感

表 2 還顯示，標(biāo)記為 FT2 的較高 μ' 材料在所有厚度范圍內(nèi)都表現(xiàn)出最高的效率。還有其他損失源和系統(tǒng)因素起作用，但數(shù)據(jù)并未解決這些問題。其中之一與 Tx 線圈電感有關(guān)。由于諧振電路針對(duì)性能卓越的 FT2 材料及其各自的更高電感進(jìn)行了調(diào)整，與其他一些測(cè)試材料相比，其電感較低，導(dǎo)致電路失諧并降低了效率。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，會(huì)注意通過調(diào)整電容來重新調(diào)整電路。

隨著更高功率應(yīng)用的電流繼續(xù)增加，需要了解屏蔽材料的磁通密度飽和 (Bs) 值。如果發(fā)生飽和，一定比例的磁通量將從磁屏蔽的背面逸出并降低效率，并通過在屏蔽后面緊鄰的任何金屬上的渦流產(chǎn)生額外的熱源。這類似于表 2 中更薄的屏蔽信息，這意味著太薄的屏蔽不能包含所有磁通量。

回顧上一篇文章的圖 1 中的曲線，通過在 Tx 線圈上應(yīng)用金屬化薄膜來幫助抑制曲線中普遍存在的低頻諧波尖峰，進(jìn)行了另一項(xiàng) EMI 測(cè)試。薄膜的薄金屬化不能很好地吸收或衰減強(qiáng)磁場(chǎng)，但可以改善與偶數(shù)諧波相關(guān)的 E 場(chǎng)，直到 6次諧波或 762 KHz。這個(gè)新圖現(xiàn)在顯示在圖 1 中。

圖 1：CISPR 25 5 類測(cè)試 100 KHz 至 30 MHz 使用金屬化薄膜

此更新圖顯示 5 類要求已提高到 7次諧波或 889 KHz。仍然需要在 1-2 MHz 范圍內(nèi)進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)闇?zhǔn)峰值值略高于該范圍內(nèi)的限值。但是，該設(shè)計(jì)已通過 4 級(jí)認(rèn)證。

汽車的下一步是什么

汽車制造商已經(jīng)開始了他們的調(diào)查，并且已經(jīng)開始了更高功率的初步設(shè)計(jì)工作。下一個(gè)目標(biāo)是 30-45W 范圍內(nèi)，解決平板電腦和低功耗筆記本電腦。在 WPC 內(nèi)還有一個(gè)委員會(huì)來處理這個(gè)功率范圍，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該會(huì)在未來 12 個(gè)月左右投放市場(chǎng)。這個(gè)想法是，車載 Tx 位置可以位于前排座椅的頭枕后面，或者位于后排座椅上的人的小袋中。這將允許以無線方式供電或?qū)﹄姵爻潆姷脑O(shè)備的連續(xù)操作。對(duì)于初始評(píng)估，Spark Connected 30W Minotaur 平臺(tái)在與 15W 系統(tǒng)相同的條件下進(jìn)行了測(cè)試。表 2 提供了最高和最低性能磁性材料的結(jié)果。

表 2：Tx 屏蔽材料與厚度與效率

在這種更高功率的情況下，Tx 線圈現(xiàn)在已成為定制線圈，因?yàn)椴淮嬖?WPC 標(biāo)準(zhǔn)線圈。這種改進(jìn)反映在低得多的交流電阻值上，從而提高了系統(tǒng)效率。此外，Tx-Rx 線圈距離已減少到 6 毫米，需要支持 1.5A 電流的 Rx 線圈現(xiàn)在也使用利茲線來降低其交流電阻。所有這些都會(huì)帶來更高的效率，并且一旦 30-45W 解決方案變得司空見慣，就需要成為解決方案的一部分。需要說明的是，在平板電腦和筆記本電腦上使用的外殼更厚，并且每個(gè)線圈都需要使用利茲線，線圈之間6毫米的間距可能是不現(xiàn)實(shí)的。這可能會(huì)推動(dòng)需要在每一側(cè)使用“罐形”磁芯，其由磁屏蔽組成，磁屏蔽具有圍繞其圓周的側(cè)壁和更大的“冰球”中心高架鐵氧體柱。這使兩個(gè)磁片在物理上彼此更接近，并有助于集中磁力線，從而提高 K 和效率。

盡管此功率范圍處于其開發(fā)周期的早期，但早有討論將功率級(jí)別提高到 65-90W。隨著功率的每一步，設(shè)計(jì)在解決 EMI、效率和散熱方面變得越重要。

結(jié)論

如上所述，車載充電功率增加的無線電力系統(tǒng)面臨的 3 個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是：EMI、效率和熱限制。本文討論的關(guān)鍵領(lǐng)域是：

結(jié)果表明，可能需要多種組件和技術(shù)才能符合汽車 CISPR 25 EMI 要求。

從電路設(shè)計(jì)的角度來看，具有正弦波形和軟開關(guān)的推挽拓?fù)涫菧p少 EMI 輻射和提高效率的重要方法。

從 Tx 線圈的角度來看，結(jié)果表明線圈的磁性材料（高達(dá) +5%）和厚度（高達(dá) +5%）在效率中起著重要作用，并且必須是 Qi EPP 設(shè)計(jì)的關(guān)鍵考慮因素，甚至更多，當(dāng)功率級(jí)別增加到 30-45W 范圍或更高時(shí)。

還解釋說，系統(tǒng)性能并不完全由汽車制造商或 Tx 無線充電子系統(tǒng)制造商控制。因此，通常提供的數(shù)據(jù)來自“最佳情況”情景。

突出顯示的是 Z 間隙或嵌入式 Tx 線圈與要充電的 Rx 設(shè)備（手機(jī)）之間的間隔距離的影響，并且目標(biāo) 5 毫米最大值不再適用。

更高功率的解決方案變得更加復(fù)雜，滿足 EMI、效率和散熱要求并非易事。

安裝一片 TDK 的透明導(dǎo)電銀堆疊薄膜（銀合金或 Fleclear 薄膜），顯著有助于滿足低于 1 MHz 的 CISPR 25 EMC 限制。

Tx 無線充電子系統(tǒng)的可能位置還有其他目標(biāo)區(qū)域。一些是：在車門內(nèi)區(qū)域、中央儀表板區(qū)域上方，或嵌入前排座椅供后座乘客使用。如果沒有適當(dāng)?shù)姆椒▉泶_保 Tx-Rx 線圈系統(tǒng)彼此定向，即在并聯(lián)配置中，那么這可能會(huì)降低耦合系數(shù) (K) 和效率，從而提高溫度。我們有很多期待。

致謝

作者要感謝：

1) Spark Connected 的無線電能專家，特別是 Ken Moore、Emanuel Stingu 和 Yulong Hou，他們對(duì)“野獸”和“牛頭怪”的知識(shí)和測(cè)試數(shù)據(jù)。

2) National Technical Solutions，位于德克薩斯州普萊諾，執(zhí)行系統(tǒng) CISPR 25 測(cè)試。

審核編輯 黃昊宇