在上一篇文章中為讀者提供了無線電力系統(tǒng)的背景知識后，我們通過檢查 CISPR 25 批準的 15W 解決方案繼續(xù)討論車載無線電力充電。擴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，以及它們對系統(tǒng)性能指標的影響，尤其是 EMC 合規(guī)性、效率和溫升。

馴服野獸

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

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

在溫度列中，提供了屏蔽角 (Cnr) 和中心 (Ctr) 測量值，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 對齊的單繞組 Tx 線圈，并且可以使用更厚的屏蔽材料進行改進。

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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，標記為 FT2 的較高 μ' 材料在所有厚度范圍內都表現(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。由于諧振電路針對性能卓越的 FT2 材料及其各自的更高電感進行了調整，與其他一些測試材料相比，其電感較低，導致電路失諧并降低了效率。在設計實踐中，會注意通過調整電容來重新調整電路。

隨著更高功率應用的電流繼續(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，進行了另一項 EMI 測試。薄膜的薄金屬化不能很好地吸收或衰減強磁場，但可以改善與偶數(shù)諧波相關的 E 場，直到 6次諧波或 762 KHz。這個新圖現(xiàn)在顯示在圖 1 中。

圖 1：CISPR 25 5 類測試 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 范圍內進行改進，因為準峰值值略高于該范圍內的限值。但是，該設計已通過 4 級認證。

汽車的下一步是什么

汽車制造商已經開始了他們的調查，并且已經開始了更高功率的初步設計工作。下一個目標是 30-45W 范圍內，解決平板電腦和低功耗筆記本電腦。在 WPC 內還有一個委員會來處理這個功率范圍，該標準應該會在未來 12 個月左右投放市場。這個想法是，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對電池充電的設備的連續(xù)操作。對于初始評估，Spark Connected 30W Minotaur 平臺在與 15W 系統(tǒng)相同的條件下進行了測試。表 2 提供了最高和最低性能磁性材料的結果。

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，因為不存在 WPC 標準線圈。這種改進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)實的。這可能會推動需要在每一側使用“罐形”磁芯，其由磁屏蔽組成，磁屏蔽具有圍繞其圓周的側壁和更大的“冰球”中心高架鐵氧體柱。這使兩個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別提高到 65-90W。隨著功率的每一步，設計在解決 EMI、效率和散熱方面變得越重要。

結論

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

結果表明，可能需要多種組件和技術才能符合汽車 CISPR 25 EMI 要求。

從電路設計的角度來看，具有正弦波形和軟開關的推挽拓撲是減少 EMI 輻射和提高效率的重要方法。

從 Tx 線圈的角度來看，結果表明線圈的磁性材料（高達 +5%）和厚度（高達 +5%）在效率中起著重要作用，并且必須是 Qi EPP 設計的關鍵考慮因素，甚至更多，當功率級別增加到 30-45W 范圍或更高時。

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 設備（手機）之間的間隔距離的影響，并且目標 5 毫米最大值不再適用。

更高功率的解決方案變得更加復雜，滿足 EMI、效率和散熱要求并非易事。

安裝一片 TDK 的透明導電銀堆疊薄膜（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區(qū)域。一些是：在車門內區(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?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“野獸”和“牛頭怪”的知識和測試數(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 測試。

審核編輯 黃昊宇