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解析无线充电WPC在电动汽车领域的技术要求

来源: 时间:2017-10-27 10:07:14 次数:

    现在各大厂商都在进行无线充电技术研究,因为它摆脱了以往线缆的局限,可以即停即充,简单方便,也不会受到恶劣气候条件的影响。这种技术在无人驾驶上是不可缺少的功能。随着电动汽车大规模普及和无人驾驶技术的高速发展,感觉最近汽车无线充电发展明显加速。不同领域的无线充电技术的需求和功能都会有所不同,本文就电动汽车描述无线充电它的系统需求。

一、系统组成

    电动汽车的无线充电系统,基本上由电源盒、地面发射板、车载接收板、车载控制器共4个部分组成。目前的无线充电主要是单向Grid to Vehicle(G2V)供电,以后必然发展为双向供电,即G2V + V2G。为方便起见,本文仍称之为“地面发射板”和“车载接收板”。

无线充电WPC

    无线充电的系统部件,不同厂商定义了不同的名称,Qualcomm称之为Power Supply Unit(PSU)、Base Pad (BP)、Vehicle Pad (VP)、Vehicle Control Unit (VCU)。Evatran称之为Control Panel, Parking Pad, Vehicle Adapter(包括线圈和控制器)。根据需要,地上部分和车载部分的线圈和控制器既可以做成分体式,也可以做成一体式。当前大部分系统是直流输出到电池,也有少部分是交流输出到OBC。系统框图如下:
无线充电WPC

    GA–Ground Assembly, 即地面发射板;VA–Vehicle Assemble, 即车载接收板。无线充电属弱耦合系统,耦合系数 k≈0.1-0.4。标称工作频率85kHz,频率范围81.38-90kHz。

二、线圈结构

    在无线充电系统中,常见线圈结构有CR、DD、及多线圈形(比如Bipolar)。CR结构是单一环形结构,可以绕制成圆形、椭圆形、或方形等;DD结构实际上是一条Liz线从一个线圈绕到另一个线圈;而Bipolar是由两个独立线圈部分重叠而成。

相比传统的CR结构而言,DD结构更小、更轻、效率更高、位置敏感度低、互操作性更好。
无线充电WPC

    如下图,Bipolar可以灵活配置成大CR、小CR或DD形。大家不禁要问,既然Bipolar如此完美,为什么应用不多呢?问题在于,线圈越多控制越复杂,成本及价格也越高,因此在产业化初期不会大规模应用。
无线充电WPC

三、电路拓扑

    选用什么样的电路的拓扑,与线圈结构、功率等级、隔空间隙等设计需求有关。不同厂家都有自己独特设计,有的涉及专利技术及知识产权。以下是两个典型示例:
无线充电WPC

四、功率及效率

    WPT(Wireless Power Transfer)系统可划分为不同的功率等级。SAE J2954 TIR、IEC 61980 PT、及GB国标征求意见稿之间均有不同。以上标准均未正式发布,以下内容来自SAE J2954 TIR。
无线充电WPC

    标准要求在最大输入功率时,系统效率高于85%;在左右偏差±100mm、前后偏差±75mm、上下偏差?的情况下,不得低于80%。请注意:这是所说的效率是从交流输入(1)到直流输出(2)的全系统效率。
无线充电WPC

    效率是一个很复杂的概念,哥认为至少与以下因素有关:1、位置对中,即X、Y方向的位置偏差,但正中位置并不总是效率最高点;2、隔空间隙,高于或低于标称值,系统效率均会有所下降;3、位置转角,即车身相对三维坐标轴的转角偏差,偏差越大,效率越低;4、输出功率,一般来说随输出功率提高,效率会先升后降;5、工作温度,设计不好的系统发热严重,只能降额工作,因此开机运行一段时间后效率就下降了;6、寿命阶段,随着服务时间的推移,电子元件会老化,参数发生漂移,如果系统自动调节能力有限也会影响系统效率。7、测试方法,大家都知道测试方法的重要性,方法不对测试结果难以令人信服。。。。。。所以说,闭口不谈测试条件的所谓效率都是耍流氓!有人搭出一套系统,测了测好象效率还不错,于是便高调宣称自己的产品效率高达90%.。目前,市场上关于无线充电只有两个解决方案,TI和IDT。而日前Amotech ASC-504060E00-S00,RX电源线圈在IDT P9221-R 无线电源接收器15W无线充电器产品中获得技术参考设计。这是手机市场的热门项目,三星新款S8正在使用IDT和Amotech,如果您正在选择IDT芯片组可以联系我们公司同事。

五、异物检测

    交变磁场中的金属物体,由于涡流热效应或磁滞损耗会发热。如果温度过高,在某些极端情况下会引燃充电板附近的可燃物体。所以,异物检测因涉及到产品安全性而显得尤为重要。许多厂家声称自己的产品具备异物检测功能,但具体性能如何尚不得而知。常见的金属异物有:

    异物检测模块通常安装在地面发射板中。在主线圈之外,布置了矩阵式检测线圈。当有金属异物落于发射板上,会引起相应区域磁场的变化,而这个变化的磁场将被检测到。对于极小的金属物体,比如纸张上的订书订,这种方法一般很难检测到,只能通过限制磁感应强度来保证安全性。在同等功率条件下,DD形线圈相比CR形线圈磁感应强度低,因而安全性也更高。

六、活体保护

    大家都比较担心无线充电系统的电磁辐射,因为电磁波看不见摸不到。在充电板和接收板之间的区域,磁场强度是最大的。为了防止小动物,如猫、狗等,因长期暴露在高强度电磁场中引发组织损伤,有的厂家开发出活体保护功能。当小动物接近充电板时,系统检测到并停止充电;一旦小动物离开,系统能及时恢复充电功能。

七、定位功能

    无线充电系统位置偏差越小,系统性能越高。常用的定位方法有MV(MagneTIc Vector)及LPE(Low Power ExcitaTIon)。MV是利用几组辅助线圈通过磁场检测来实现的,VA上的X/Y两组辅助线圈发出120-140kHz的电磁波,GA上的三组X/Y/Z线圈用来检测信号,理论工作范围达5m。LPE是复用功率线圈来实现定位功能,由GA发射,VA接收,工作范围在1m以内。相比MV方式,LPE精度低,但成本优越明显。

八、互操作性

    互操作不仅要求不同类型线圈之间能正常匹配,还要求不同功率等级、不同离地间隙的无线充电系统能向下兼容。标准都有相应规定。

九、EMC(Electromagnetic Compatibility)

    同其它任何汽车电子零部件一样,无线充电系统都要符合Vehicle Level及Component Level的EMC要求。

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