车内功率：实际15W系统分析

第一部分第二部分介绍了无线电力传输中的材料影响，展示了各种磁屏蔽材料和厚度，以及它们对系统性能指标的影响，特别是EMC合规性，效率和温升。

驯服野兽

使用被称为“野兽”的Spark Connected 15W汽车发射无线电源系统，对发射线圈的屏蔽材料类型和厚度进行了比较。测试了四种铁氧体和一种铁粉基材料，并获得了EMI辐射，效率和热条件的结果。Beast平台实现了上述所有EMI抑制技术和效率改进方法。结果仅适用于线圈屏蔽层的变化。表1提供了该测试的结果。

表 1：Tx 屏蔽材料、厚度与效率搭配 50 mm x 40 mm、8.22 uH 接收线圈

在“温度”列中，为0.3 mm厚屏蔽的最坏情况提供了屏蔽角（Cnr）和中心（Ctr）测量值，并且用于环境+自温上升值。对于MS8，铁粉材料，没有单片屏蔽厚度超过0.3毫米。使用了在 7 mm 距离处具有良好的 Tx-Rx 对准的单绕组 Tx 线圈，并且使用更厚的屏蔽材料会得到改善。

无论使用何种屏蔽材料，最大厚度为0.9 mm（使用MS3的8片堆叠）都获得了所有最大效率。这也与具有较高电感的较厚屏蔽相吻合，这有助于通过增加互感（Lm）来提高耦合系数，并且由下式给出：

其中

K – 磁耦合系数
Lm – 互感（也称为“M”）
L（tx） – Tx 线圈电感
L（rx） – Rx 线圈电感

表2还显示，标记为FT2的较高μ'材料在所有厚度上均表现出最高的效率。还有其他损失来源和系统因素在起作用，数据没有解决这些问题。其中之一与Tx线圈电感有关。由于谐振电路针对性能优越的FT2材料及其各自的较高电感进行了调谐，因此与测试的其他一些材料具有较低的电感，因此电路失谐并降低了效率。在设计实践中，应注意通过调整电容来重新调谐电路。

随着更高功率应用的电流不断增加，需要知道屏蔽材料的磁通密度饱和度（Bs）值。如果发生饱和，一定比例的磁通量将从磁屏蔽背面逸出并降低效率，并通过涡流在屏蔽后面靠近的任何金属上引起额外的加热源。这类似于表2中较薄的屏蔽信息，这意味着太薄的屏蔽不能包含所有的磁通量。

重新审视上一篇文章图1中的曲线，通过在Tx线圈上涂覆金属化膜进行了另一项EMI测试，以帮助抑制图中普遍存在的低频谐波尖峰。薄膜的薄金属化不能很好地吸收或衰减强磁场，但改善了与偶数谐波相关的E场，直到6千谐波或 762 KHz。这个新图现在如图1所示。

图 1：CISPR 25 5 类使用金属化膜测试 100 KHz 至 30 MHz

此更新图显示，5 类要求提高到 7千谐波或 889 KHz。 仍然需要改进 1-2 MHz 范围，因为准峰值略高于该范围内的极限。但是，该设计已通过4级认证。

车辆的下一步是什么

汽车制造商已经开始调查，更高功率的初步设计工作已经开始。下一个目标是30-45W范围，适用于平板电脑和低功耗笔记本电脑。在WPC中还有一个委员会来解决这个功率范围，该标准应该在未来12个月左右上市。这个想法是，车载Tx位置可以位于前排座椅的头枕后面，或者坐在后座的人的袋子中较低。这将允许无线供电的设备连续运行或电池充电。为了进行初步评估，Spark Connected 30W Minotaur平台在与15W系统相同的条件下进行了测试。表2提供了性能最高和最低磁性材料的结果。

表 2：Tx 屏蔽材料、厚度与效率

在这种更高功率的情况下，Tx线圈现在已成为定制线圈，因为不存在WPC标准线圈。这种改进反映在低得多的交流电阻值上，从而提高了系统效率。此外，Tx-Rx线圈距离已减少到6 mm，需要支持1.5A电流的Rx线圈现在使用利兹线来降低其交流电阻。所有这些都会带来更高的效率，一旦30-45W解决方案变得司空见惯，就需要成为解决方案的一部分。需要提到的是，平板电脑和笔记本电脑上使用较厚的外壳，并且需要在每个线圈上使用利兹线，线圈之间的6毫米间隔间隙可能是不现实的。这可能会推动对每侧使用“锅”磁芯的需求，这些磁芯由一个在其圆周周围有一个侧壁的磁屏蔽和一个更大的“曲棍球”中心高架铁氧体柱组成。这使两个磁性片在物理上彼此更近，并有助于聚焦磁通线，从而提高K和效率。

尽管该功率范围处于其开发周期的早期，但早期已经有关于将功率水平提高到65-90W的讨论。功耗每提高一步，设计在解决EMI、效率和散热问题方面就越重要。

结论

如前所述，随着车载充电功率的增加，无线电源系统面临的 3 个关键领域是：EMI、效率和热限制。本文涉及的关键领域是：

结果表明，为了符合汽车CISPR 25 EMI要求，可能需要多个组件和技术。

从电路设计的角度来看，具有正弦波形和软开关的推挽式拓扑是降低EMI辐射和提高效率的重要方法。

从Tx线圈的角度来看，线圈的磁性材料（高达+5%）和厚度（高达+5%）在效率方面起着重要作用，并且必须成为Qi EPP设计的关键考虑因素，当功率水平增加到30-45W范围或更高时，更是如此。

还解释说，系统性能并不完全由汽车制造商或Tx无线充电子系统制造商控制。因此，通常提供的数据来自“最佳情况”方案。

突出显示的是 Z 间隙或嵌入式 Tx 线圈与要充电的 Rx 设备（手机）之间的间隔距离的影响，并且目标最大 5 毫米不再适用。

更高功率的解决方案变得更加复杂，满足EMI、效率和热要求并非易事。

安装TDK透明导电Ag堆叠薄膜（银合金或Fleclear薄膜）可显著满足25 MHz以下的CISPR 1 EMC限制。

还有其他区域可能被定位为Tx无线充电子系统的放置目标。其中一些是：在内门区域，在中央仪表板区域，或嵌入后座乘客的前排座椅中。如果没有适当的方法来确保Tx-Rx线圈系统彼此的方向，即在并联配置中，那么这将潜在地降低耦合系数（K）和效率，从而提高温度。我们有很多值得期待的地方。

审核编辑：郭婷