姚高飛，陳曉霞，徐帥華，馮修奇

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

隨著社會經(jīng)濟(jì)、電子技術(shù)以及中國汽車工業(yè)的快速發(fā)展，手機(jī)和汽車已成為人們生活中不可缺少的通信工具和交通出行工具。同時，人們對汽車除了安全性能的要求外，對其功能使用的便利性和舒適性要求也越來越高。在駕駛車輛過程中，若使用有線充電方式對手機(jī)進(jìn)行充電操作，會對駕駛員的行車安全造成極大的威脅，此時手機(jī)無線充電功能很好地避免了有線充電帶來的這種安全隱患，既解決了充電問題，也帶來了行車安全和便利性。越來越多的手機(jī)廠商都推出了支持無線充電的手機(jī)，同時越來越多的汽廠家也都開始配置了手機(jī)無線充電功能。

1 手機(jī)無線充電模塊簡述

本文介紹的車載手機(jī)無線充電模塊 （下文統(tǒng)稱PWCM）適用于12V電源系統(tǒng)的汽車。該模塊采用NXP公司的定制芯片，滿足WPC QI1.2標(biāo)準(zhǔn)，采用A9三線圈 （圖1），滿足EPP協(xié)議 （最高支持15W輸出）。

圖1 PWCM A9三線圈

2 PWCM產(chǎn)品構(gòu)成及布置介紹

PWCM需要布置在方便用戶操作的地方，比如乘客艙內(nèi)的副儀表板前端或者換擋機(jī)構(gòu)后方，如圖2為眾泰某車型PWCM實(shí)車上的安裝示例。

圖2 PWCM布置圖

PWCM的主要組成部分：①上蓋 （塑料）；②NFC線圈；③充電線圈模組；④屏蔽罩；⑤接插件；⑥線路板總成；⑦下殼體 （鋁合金）。PWCM產(chǎn)品爆炸圖見圖3。

圖3 PWCM產(chǎn)品爆炸圖

3 功能描述

3.1 工作原理 （圖4）

無線充電系統(tǒng)分為發(fā)射端 （通常是PWCM，簡稱Tx）和接收端 （通常是手機(jī)或無線充電卡貼等，簡稱Rx），二者通過電磁感應(yīng)的方式傳輸能量。在Qi標(biāo)準(zhǔn)中，Rx根據(jù)負(fù)載 （通常是手機(jī)內(nèi)部的充電管理電路）的情況發(fā)送輸出功率的控制指令給Tx，Tx根據(jù)收到的控制指令調(diào)節(jié)相應(yīng)的輸出功率，最終使系統(tǒng)的輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

圖4 工作原理圖

在能源之星的定義中，將Rx的輸入功率除以Tx的輸出功率作為系統(tǒng)的效率。因此，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率跟Tx和Rx的設(shè)計(jì)、相對位置以及負(fù)載情況等多方面的因素有關(guān)。

在Qi標(biāo)準(zhǔn)中，握手協(xié)議分為BPP協(xié)議 （目前最高支持5W輸出）和EPP協(xié)議 （目前最高支持15W輸出）兩大類，其中EPP協(xié)議向下兼容BPP協(xié)議。目前，已上市的手機(jī)幾乎都是基于BPP協(xié)議設(shè)計(jì)的，EPP協(xié)議還在不斷優(yōu)化和完善中。兩者的區(qū)別如圖5所示。

圖5 BPP與EPP協(xié)議對比

3.2 基于WCT1013A系統(tǒng)的原理

本文方案采用NXP的WCT1013A主控芯片，符合Qi（WPC V1.2.2）標(biāo)準(zhǔn)的15W功率傳輸，集成NFC功能。圖6為基于WCT1013A系統(tǒng)的原理框圖。

圖6 基于WCT1013A系統(tǒng)的原理框圖

1）功率部分：輸入電壓經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換成交流電，經(jīng)LC濾波后將能量發(fā)射到接收線圈上。充電時只有一個線圈工作，工作線圈由線圈選擇開關(guān)及線圈控制邏輯來確定。

2）DC-DC部分：Vin經(jīng)過兩個LDO電路分別轉(zhuǎn)為5V和3.3V，其中5V用于MOS驅(qū)動電路，3.3V用于MCU供電。

3）控制部分：MCU主要負(fù)責(zé)3個功能：①信號采樣，包括電壓、電流、溫度采樣以及Rx通信包的解調(diào)等；②輸出控制，根據(jù)采樣信息和相應(yīng)的控制算法，改變?nèi)珮螂娐返目刂菩盘?；③人機(jī)交互，CAN通信。

3.3 手機(jī)快充原理

1）PWCM初始工作在半橋模式，Rx輸出最高為5W（5V／1A），同時PWCM通過FSK的形式向Rx申請進(jìn)入快充模式。

2）Rx收到快充申請后，探測手機(jī)是否支持快充及支持的快充協(xié)議。

3）若PWCM收到支持快充的指令，則PWCM切換到全橋逆變的工作模式，提高輸出功率，否則繼續(xù)保持半橋5W輸出。

4）快充模式下，Rx的整流電壓達(dá)到手機(jī)快充協(xié)議的目標(biāo)電壓 （9V）后，Rx切換到目標(biāo)電壓 （9V）輸出，系統(tǒng)進(jìn)入到快充模式。

5）目前的無線快充標(biāo)準(zhǔn)有很多，包括蘋果手機(jī)的7.5W快充、三星手機(jī)的10W快充、高通及MTK的15W快充協(xié)議等，實(shí)際的傳輸功率取決于Rx與手機(jī)的握手協(xié)議。

6）NXP WCT1013A采用Flash燒寫方式，可通過CAN設(shè)備／遠(yuǎn)程boot loader升級軟件支持蘋果手機(jī)快充、三星手機(jī)快充以及未來的華為手機(jī)快充、小米手機(jī)快充等。

圖7為I phone 8手機(jī)快充速度測試圖。

圖7 I phone 8快充測試

經(jīng)實(shí)車測試，①5W方案：PWCM給I phone 8充滿電的時間為4h25min；②15W方案：PWCM給I phone 8充滿電的時間為3h15min；充電時間可縮短1h。

4 主要功能

4.1 無線充電及提醒功能

車輛上電后，PWCM被喚醒由關(guān)機(jī)狀態(tài)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)電源擋位為ACC時，PWCM檢測是否有待充電手機(jī)放置充電區(qū)域，一旦檢測到待充電手機(jī)，PWCM會根據(jù)雙方的握手協(xié)議確定是工作在BPP模式還是EPP模式，隨后開始給手機(jī)進(jìn)行充電。儀表上會有充電指示燈提醒用戶當(dāng)前的手機(jī)充電狀態(tài) （充電中、充滿、充電故障）。圖8為充電功能軟件邏輯框圖。

圖8 充電功能軟件邏輯框圖

4.2 手機(jī)遺忘提醒功能

圖9 為遺忘提醒軟件邏輯框圖。當(dāng)車輛電源模式為OFF時，若PWCM識別到充電區(qū)域有手機(jī)，則停止充電且開啟一個5min的延時定時器。延時期間，若收到駕駛側(cè)門開信號，則PWCM立即檢測充電區(qū)域是否有手機(jī)。若有，則發(fā)送手機(jī)遺忘總線報文信號給儀表，儀表進(jìn)行圖片和警示音提醒；如果充電手機(jī)在提醒期間從PWCM模上方拿走，則立即停止發(fā)送遺忘提醒總線報文，然后PWCM申請進(jìn)入預(yù)休眠狀態(tài)。在遺忘提醒報警期間，PWCM需要實(shí)時檢測充電區(qū)域是否有手機(jī)存在，因此需要打開充電功能來檢測充電手機(jī)是否被取走。若5min計(jì)時結(jié)束，仍沒有收到駕駛側(cè)門開信號，則PWCM直接進(jìn)入預(yù)休眠狀態(tài)。

圖9 遺忘提醒軟件邏輯框圖

4.3 防止干擾PEPS尋鑰匙功能

由于PWCM的工作頻率為125kHz，而PEPS尋找定位智能鑰匙也采用125kHz，所以PWCM會干擾PEPS智能鑰匙定位的準(zhǔn)確性，因此，當(dāng)PEPS需要尋找定位鑰匙時，會發(fā)送尋鑰匙報文給PWCM。PEPS尋鑰匙信號的報文發(fā)送后，若PWCM收到尋找鑰匙總線信號，則會關(guān)閉PWCM的充電功能，當(dāng)尋鑰匙信號停止發(fā)送后，PWCM恢復(fù)之前的工作狀態(tài)。防止干擾PEPS軟件邏輯框圖見圖10。

圖10 防止干擾PEPS軟件邏輯框圖

4.4 異物 （FOD）檢測及報警

若有金屬異物存在于PWCM和被充電手機(jī)之間，則金屬異物會因渦流發(fā)熱而使充電表面的溫度快速上升，給PWCM和被充電手機(jī)帶來損毀的風(fēng)險。任意時候，一旦有金屬異物被放入到PWCM和被充手機(jī)之間，PWCM會探測到功率損失，并依據(jù)相應(yīng)的算法識別出金屬異物。隨后PWCM進(jìn)入異物檢測報警狀態(tài)，充電立即停止，并且若一定時間內(nèi)金屬異物或被充手機(jī)未被移開，則儀表內(nèi)的蜂鳴器會蜂鳴報警。若異物一直存在于PWCM和被充電手機(jī)之間時，PWCM會每隔5min重新檢測一次，所以金屬異物的溫升很小，幾乎等同環(huán)境溫度。

4.5 藍(lán)牙輔助配對功能

當(dāng)用戶將帶有NFC功能的手機(jī)置于PWCM充電區(qū)域時，PWCM會將車機(jī)的MAC信息通過NFC發(fā)送到手機(jī)，手機(jī)快速和車機(jī)藍(lán)牙配對。

4.6 手機(jī)聯(lián)系人自動同步電話系統(tǒng)

當(dāng)用戶將帶有NFC功能的手機(jī)置于PWCM充電區(qū)域時，用戶執(zhí)行藍(lán)牙自動配對，手機(jī)內(nèi)存儲的聯(lián)系人信息可自動同步至電話系統(tǒng)。

4.7 系統(tǒng)故障診斷與保護(hù)

PWCM除了上述功能外，還可進(jìn)行故障診斷及故障處理。主要診斷和保護(hù)功能：過壓保護(hù) （硬件過壓、軟件過壓、欠壓）、過流保護(hù)、過熱保護(hù)、FOD（異物檢測）保護(hù)、反接保護(hù)。

5 結(jié)束語

車載手機(jī)無線充電系統(tǒng)很好地解決了行車過程中的手機(jī)充電問題，并極大地方便了駕駛員的操作。而且15W的手機(jī)無線充電還能滿足快充要求，縮短了手機(jī)充電時間。