在上一篇文章中為讀者提供了無線電力系統的背景知識后,我們通過檢查 CISPR 25 批準的 15W 解決方案繼續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,以及它們對系統性能指標的影響,尤其是 EMC 合規性、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,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。
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,并且由下式給出:
在哪里,
K – 磁耦合系數
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出最高的效率。還有其他損失源和系統因素起作用,但數據并未解決這些問題。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增加,需要了解屏蔽材料的磁通密度飽和 (Bs) 值。如果發生飽和,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,但可以改善與偶數諧波相關的 E 場,直到 6次諧波或 762 KHz。這個新圖現在顯示在圖 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操作。對于初始評估,Spark Connected 30W Minotaur 平臺在與 15W 系統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,系統性能并不完全由汽車制造商或 Tx 無線充電子系統制造商控制。因此,通常提供的數據來自“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 無線充電子系統的可能位置還有其他目標區域。一些是:在車門內區域、中央儀表板區域上方,或嵌入前排座椅供后座乘客使用。如果沒有適當的方法來確保 Tx-Rx 線圈系統彼此定向,即在并聯配置中,那么這可能會降低耦合系數 (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”的知識和測試數據。
2) National Technical Solutions,位于德克薩斯州普萊諾,執行系統 CISPR 25 測試。
審核編輯 黃昊宇
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