汽车功率：实际 15W 系统分析

在上一篇文章中为读者提供了无线电力系统的背景知识后，我们通过检查 CISPR 25 批准的 15W 解决方案继续讨论车载无线电力充电。扩展第一部分中介绍的无线电力传输中的材料影响，第二部分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，尤其是 EMC 合规性、效率和温升。

驯服野兽

使用被恰当称为“野兽”的 Spark Connected 15W 汽车 Tx 无线电力系统，进行了测试，比较了 Tx 线圈的屏蔽材料类型和厚度。测试了四种铁氧体和一种粉状铁基材料，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。结果仅针对线圈屏蔽的变化。表 1 中提供了该测试的结果。

表 1：Tx 屏蔽材料与厚度与效率与 50 mm x 40 mm、8.22 uH Rx 线圈配对

在温度列中，提供了屏蔽角 (Cnr) 和中心 (Ctr) 测量值，适用于 0.3 毫米厚屏蔽的最坏情况，以及环境 + 自温升值。对于铁粉材料 MS8，没有超过 0.3 毫米的单片屏蔽厚度。使用了在 7 毫米距离处具有良好 Tx-Rx 对齐的单绕组 Tx 线圈，并且可以使用更厚的屏蔽材料进行改进。

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无论屏蔽材料如何，所有最大效率都是在最大 0.9 毫米厚度（使用 MS8 的 3 片叠层）时获得的。这也与具有更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：

在哪里，

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

表 2 还显示，标记为 FT2 的较高 µ' 材料在所有厚度范围内都表现出最高的效率。还有其他损失源和系统因素起作用，但数据并未解决这些问题。其中之一与 Tx 线圈电感有关。由于谐振电路针对性能卓越的 FT2 材料及其各自的更高电感进行了调整，与其他一些测试材料相比，其电感较低，导致电路失谐并降低了效率。在设计实践中，会注意通过调整电容来重新调整电路。

随着更高功率应用的电流继续增加，需要了解屏蔽材料的磁通密度饱和 (Bs) 值。如果发生饱和，一定比例的磁通量将从磁屏蔽的背面逸出并降低效率，并通过在屏蔽后面紧邻的任何金属上的涡流产生额外的热源。这类似于表 2 中更薄的屏蔽信息，这意味着太薄的屏蔽不能包含所有磁通量。

回顾上一篇文章的图 1 中的曲线，通过在 Tx 线圈上应用金属化薄膜来帮助抑制曲线中普遍存在的低频谐波尖峰，进行了另一项 EMI 测试。薄膜的薄金属化不能很好地吸收或衰减强磁场，但可以改善与偶数谐波相关的 E 场，直到 6次谐波或 762 KHz。这个新图现在显示在图 1 中。

图 1：CISPR 25 5 类测试 100 KHz 至 30 MHz 使用金属化薄膜

此更新图显示 5 类要求已提高到 7次谐波或 889 KHz。仍然需要在 1-2 MHz 范围内进行改进，因为准峰值值略高于该范围内的限值。但是，该设计已通过 4 级认证。

汽车的下一步是什么

汽车制造商已经开始了他们的调查，并且已经开始了更高功率的初步设计工作。下一个目标是 30-45W 范围内，解决平板电脑和低功耗笔记本电脑。在 WPC 内还有一个委员会来处理这个功率范围，该标准应该会在未来 12 个月左右投放市场。这个想法是，车载 Tx 位置可以位于前排座椅的头枕后面，或者位于后排座椅上的人的小袋中。这将允许以无线方式供电或对电池充电的设备的连续操作。对于初始评估，Spark Connected 30W Minotaur 平台在与 15W 系统相同的条件下进行了测试。表 2 提供了最高和最低性能磁性材料的结果。

表 2：Tx 屏蔽材料与厚度与效率

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 毫米，需要支持 1.5A 电流的 Rx 线圈现在也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，并且一旦 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。需要说明的是，在平板电脑和笔记本电脑上使用的外壳更厚，并且每个线圈都需要使用利兹线，线圈之间6毫米的间距可能是不现实的。这可能会推动需要在每一侧使用“罐形”磁芯，其由磁屏蔽组成，磁屏蔽具有围绕其圆周的侧壁和更大的“冰球”中心高架铁氧体柱。这使两个磁片在物理上彼此更接近，并有助于集中磁力线，从而提高 K 和效率。

尽管此功率范围处于其开发周期的早期，但早有讨论将功率级别提高到 65-90W。随着功率的每一步，设计在解决 EMI、效率和散热方面变得越重要。

结论

如上所述，车载充电功率增加的无线电力系统面临的 3 个关键领域是：EMI、效率和热限制。本文讨论的关键领域是：

结果表明，可能需要多种组件和技术才能符合汽车 CISPR 25 EMI 要求。

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

从 Tx 线圈的角度来看，结果表明线圈的磁性材料（高达 +5%）和厚度（高达 +5%）在效率中起着重要作用，并且必须是 Qi EPP 设计的关键考虑因素，甚至更多，当功率级别增加到 30-45W 范围或更高时。

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”情景。

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 5 毫米最大值不再适用。

更高功率的解决方案变得更加复杂，满足 EMI、效率和散热要求并非易事。

安装一片 TDK 的透明导电银堆叠薄膜（银合金或 Fleclear 薄膜），显着有助于满足低于 1 MHz 的 CISPR 25 EMC 限制。

Tx 无线充电子系统的可能位置还有其他目标区域。一些是：在车门内区域、中央仪表板区域上方，或嵌入前排座椅供后座乘客使用。如果没有适当的方法来确保 Tx-Rx 线圈系统彼此定向，即在并联配置中，那么这可能会降低耦合系数 (K) 和效率，从而提高温度。我们有很多期待。

致谢

作者要感谢：

1) Spark Connected 的无线电能专家，特别是 Ken Moore、Emanuel Stingu 和 Yulong Hou，他们对“野兽”和“牛头怪”的知识和测试数据。

2) National Technical Solutions，位于德克萨斯州普莱诺，执行系统 CISPR 25 测试。

审核编辑 黄昊宇