一種多接收端車載無線充電設計

束驍驊

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

伴隨著汽車產業的發展和電子科學技術的進步，越來越多的智能電子設備在汽車領域得到了廣泛的應用。隨著社會生活節奏的加快，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成為多數汽車制造商的普遍做法。然而傳統的車載充電方式需要通過車載專用接口和數據線連接的方式進行電能傳輸，如此，當車載接口被用作手機充電時，其它設備則無法接入進行充電或供電。同時數據線的接入也影響著整個駕乘環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，不僅解決了駕駛人員的充電需要，也能兼顧其它乘客的充電需求，為打造一個更加便捷、智能的車載出行環境提供了便利。

1 手機無線充電的基本原理

根據法拉第電磁感應理論，導體在磁通量變化的磁場中會產生感應電動勢，如果該導體是閉合回路中的一部分，則會產生感應電流［1］。手機無線充電利用電磁感應原理，即通過電磁場中磁通量的變化產生電能的技術，將發射端的電能傳輸給手機電池。與傳統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構，傳統變壓器的原副邊線圈為緊耦合。具體表現在，傳統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，副邊線圈可以自由移動，使得手機無線充電具有靈活性；然而傳統變壓器的磁芯減少了磁導通的損耗，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小的因素，松耦合結構不滿足變壓器原副邊線圈電壓和電流的匝比關系［2-4］。由電磁感應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強度就越大，傳輸功率密度就越高，從而提高系統效率。然而過高的電流頻率會引起電磁輻射的增加，造成EMC設計的困難，所以一般還需對原邊能量發射機構和副邊能量接收機構的耦合線圈進行補償［5］。因此，相比傳統變壓器系統結構，電磁感應式手機無線充電系統的結構更為復雜，其系統結構圖如圖1所示。

圖1 手機無線充電系統結構圖

如系統結構圖1所示，系統由前后兩個部分組成，分別為能量發射端和能量接收端。①能量發射端由EMC濾波電路、DC-DC變換電路、高頻逆變電路和能量發射電路組成。首先通過EMC濾波電路消除汽車電網內導入的電磁雜波，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，傳輸給能量發射電路。能量發射電路由諧振電路和發射線圈組成，高頻交流電經過能量發射電路產生交變磁場，當能量接收端處于有效交變磁場中時，將實現能量傳輸。②能量接收端包括能量接收電路、整流濾波電路和負載設備。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射端產生的交變磁場中拾取電能，經過整流濾波電路轉換為5V直流電，再給負載設備供電。

2 技術方案

本設計采用如下技術方案：一種多接收端發射器包括發射單元A、發射單元B，如有3個以上接收端，可增加相應的發射單元，在此以兩個接收端為例。發射器可同時對兩個相同或不同功率的接收端進行相互獨立的無線電能傳輸。發射器包括順序連接的輸入電路、電源轉換電路、穩壓電路、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射電路；電源轉換電路并行提供控制電到兩路發射電路和異物檢測電路。

發射單元A和發射單元B相互獨立，每個功率發射電路分別由全橋逆變電路、數字調壓電路、諧振電容、線圈選擇電路、發射線圈以及數字解調組成，其中全橋逆變電路和數字調壓電路分別負責能量輸出和功率調節；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，把實時采樣的數值提供給單片機，為單片機做出正確反應提供依據；LED指示分別用不同顏色的LED實現輸入電源指示、充電指示、以及異物指示。

兩路功率發射電路的發射線圈，其結構與電性能參數高度一致，每路發射線圈由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，同時經過線圈選擇電路進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，產品組裝時將發射線圈鐵氧體面粘貼于洋白銅材質的屏蔽罩內，屏蔽罩與EMC PCB焊點焊接，EMC PCB能有效吸收線圈產生的某頻率段的電磁干擾以符合安全標準要求。

單片機提供兩組固定頻率的PWM波驅動全橋逆變電路和數字調壓電路，單片機通過數字解調獲取接收端功率需求數據，進而調整數字調壓電路的PWM波占空比，若發射功率偏小則增大PWM波占空比，若發射功率偏大則減小PWM波占空比，使實現功率自適應調節，保證充電的正常穩定。因使用頻率固定使發射器具備優秀的EMC表現，并可有效避免與應用環境中其它電器設備間的電磁干擾。

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域內放置的熱敏電阻來實時檢測線圈溫度，當線圈溫度超過設置閾值時，存在損壞手機充電電池的風險，溫度檢測電路將檢測結果反饋給單片機，通過單片機控制相應的發射單元的關斷或開啟，從而實現過溫保護。

圖2是多接收端無線充電系統的詳細電路圖。

圖2 多接收端無線充電系統電路圖

綜上所述，本設計是一種多接收端無線能量發射器，通過兩路并行的功率發射單元，進行相互獨立功率發射和功率自適應調節，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 本設計的優點

本設計與現有技術相比，具有以下優點和有益效果。

1）本設計提供了一種多接收端無線能量發射器的技術方案，該發射器每個發射單元的發射線圈由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，提高了發射器對目標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）本設計采用了一種EMC干擾的吸收手段，有效解決EMC問題。

4 結束語

多接收端車載無線充電設計通過單片機驅動獨立的多個發射單元，實現對多個相同或不同功率的接收端進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域的異物，保護接收端工作時不受異物的影響，并且溫度檢測電路實現了充電過程中的過溫保護，LED指示提供了充電狀態的提醒，另外特殊的EMC設計可使本設計的電磁兼容性能滿足車載EMC要求。