束驍驊

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海 201805）

伴隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，越來(lái)越多的智能電子設(shè)備在汽車(chē)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)生活節(jié)奏的加快，人們對(duì)手機(jī)的依賴逐漸增多，手機(jī)電量的儲(chǔ)備成了我們不得不考慮的問(wèn)題，在汽車(chē)上搭載手機(jī)充電功能已經(jīng)成為多數(shù)汽車(chē)制造商的普遍做法。然而傳統(tǒng)的車(chē)載充電方式需要通過(guò)車(chē)載專(zhuān)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(chē)載接口被用作手機(jī)充電時(shí)，其它設(shè)備則無(wú)法接入進(jìn)行充電或供電。同時(shí)數(shù)據(jù)線的接入也影響著整個(gè)駕乘環(huán)境的美觀舒適和手機(jī)使用的便捷性，甚至妨礙駕乘安全。而無(wú)線充電的引入不但能釋放汽車(chē)上有限的外部接口，同時(shí)增加使用的便捷性，使整個(gè)駕乘環(huán)境更加美觀整潔，提升用戶體驗(yàn)，并且可同時(shí)給多個(gè)具備無(wú)線充電功能的手機(jī)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(gè)更加便捷、智能的車(chē)載出行環(huán)境提供了便利。

1 手機(jī)無(wú)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(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果該導(dǎo)體是閉合回路中的一部分，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流［1］。手機(jī)無(wú)線充電利用電磁感應(yīng)原理，即通過(guò)電磁場(chǎng)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(jī)電池。與傳統(tǒng)變壓器的工作原理相比，手機(jī)無(wú)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(jī)無(wú)線充電則沒(méi)有采用磁芯，因而原副邊線圈的相對(duì)位置是不固定的，在有效的磁場(chǎng)范圍內(nèi)，副邊線圈可以自由移動(dòng)，使得手機(jī)無(wú)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(guò)空氣磁場(chǎng)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(duì)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(qiáng)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(guò)高的電流頻率會(huì)引起電磁輻射的增加，造成EMC設(shè)計(jì)的困難，所以一般還需對(duì)原邊能量發(fā)射機(jī)構(gòu)和副邊能量接收機(jī)構(gòu)的耦合線圈進(jìn)行補(bǔ)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(jī)無(wú)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(jī)無(wú)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(gè)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(guò)EMC濾波電路消除汽車(chē)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(guò)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(guò)能量發(fā)射電路產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，當(dāng)能量接收端處于有效交變磁場(chǎng)中時(shí)，將實(shí)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(chǎng)中拾取電能，經(jīng)過(guò)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(jì)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(gè)以上接收端，可增加相應(yīng)的發(fā)射單元，在此以兩個(gè)接收端為例。發(fā)射器可同時(shí)對(duì)兩個(gè)相同或不同功率的接收端進(jìn)行相互獨(dú)立的無(wú)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(jī)，以及通過(guò)單片機(jī)并行連接的溫度檢測(cè)、LED指示、兩路功率發(fā)射電路、兩路異物檢測(cè)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(cè)電路。

發(fā)射單元A和發(fā)射單元B相互獨(dú)立，每個(gè)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(cè)電路由輸入電流檢測(cè)、輸入電壓檢測(cè)和Q值檢測(cè)電路組成，把實(shí)時(shí)采樣的數(shù)值提供給單片機(jī)，為單片機(jī)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(shí)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(gè)或3個(gè)獨(dú)立線圈平面交錯(cuò)疊放形成，并用鐵氧體磁片做支撐，單片機(jī)通過(guò)線圈振蕩波形的變化來(lái)判斷哪一個(gè)線圈正在接入接收終端，同時(shí)經(jīng)過(guò)線圈選擇電路進(jìn)行能量傳輸鏈路的選通，保證在同一時(shí)刻2個(gè)或3個(gè)線圈中僅有1個(gè)線圈工作，產(chǎn)品組裝時(shí)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(diǎn)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(jī)提供兩組固定頻率的PWM波驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路和數(shù)字調(diào)壓電路，單片機(jī)通過(guò)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(shí)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(cè)電路具有兩種檢測(cè)機(jī)制：一是通過(guò)輸入電流檢測(cè)和輸入電壓檢測(cè)計(jì)算發(fā)射和接收之間的功率傳輸損耗來(lái)判斷接收終端是否為異物；二是通過(guò)Q值檢測(cè)電路檢測(cè)線圈振蕩波形的變化來(lái)判斷接收終端是否為異物。

溫度檢測(cè)電路是通過(guò)線圈區(qū)域內(nèi)放置的熱敏電阻來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)線圈溫度，當(dāng)線圈溫度超過(guò)設(shè)置閾值時(shí)，存在損壞手機(jī)充電電池的風(fēng)險(xiǎn)，溫度檢測(cè)電路將檢測(cè)結(jié)果反饋給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制相應(yīng)的發(fā)射單元的關(guān)斷或開(kāi)啟，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)溫保護(hù)。

圖2是多接收端無(wú)線充電系統(tǒng)的詳細(xì)電路圖。

圖2 多接收端無(wú)線充電系統(tǒng)電路圖

綜上所述，本設(shè)計(jì)是一種多接收端無(wú)線能量發(fā)射器，通過(guò)兩路并行的功率發(fā)射單元，進(jìn)行相互獨(dú)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(wú)線充電的高可靠性。

3 本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

本設(shè)計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果。

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

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

3）本設(shè)計(jì)采用了一種EMC干擾的吸收手段，有效解決EMC問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

多接收端車(chē)載無(wú)線充電設(shè)計(jì)通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的多個(gè)發(fā)射單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)相同或不同功率的接收端進(jìn)行相互獨(dú)立的無(wú)線電能傳輸，同時(shí)獨(dú)立的異物檢測(cè)電路通過(guò)功率損失法和Q值檢測(cè)電路及時(shí)檢測(cè)充電區(qū)域的異物，保護(hù)接收端工作時(shí)不受異物的影響，并且溫度檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)了充電過(guò)程中的過(guò)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(jì)可使本設(shè)計(jì)的電磁兼容性能滿足車(chē)載EMC要求。