束骁骅

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

伴随着汽车产业的发展和电子科学技术的进步，越来越多的智能电子设备在汽车领域得到了广泛的应用。随着社会生活节奏的加快，人们对手机的依赖逐渐增多，手机电量的储备成了我们不得不考虑的问题，在汽车上搭载手机充电功能已经成为多数汽车制造商的普遍做法。然而传统的车载充电方式需要通过车载专用接口和数据线连接的方式进行电能传输，如此，当车载接口被用作手机充电时，其它设备则无法接入进行充电或供电。同时数据线的接入也影响着整个驾乘环境的美观舒适和手机使用的便捷性，甚至妨碍驾乘安全。而无线充电的引入不但能释放汽车上有限的外部接口，同时增加使用的便捷性，使整个驾乘环境更加美观整洁，提升用户体验，并且可同时给多个具备无线充电功能的手机或智能手表充电，不仅解决了驾驶人员的充电需要，也能兼顾其它乘客的充电需求，为打造一个更加便捷、智能的车载出行环境提供了便利。

1 手机无线充电的基本原理

根据法拉第电磁感应理论，导体在磁通量变化的磁场中会产生感应电动势，如果该导体是闭合回路中的一部分，则会产生感应电流［1］。手机无线充电利用电磁感应原理，即通过电磁场中磁通量的变化产生电能的技术，将发射端的电能传输给手机电池。与传统变压器的工作原理相比，手机无线充电的原副边线圈是松耦合的结构，传统变压器的原副边线圈为紧耦合。具体表现在，传统变压器的原副边线圈在同一磁芯上，而手机无线充电则没有采用磁芯，因而原副边线圈的相对位置是不固定的，在有效的磁场范围内，副边线圈可以自由移动，使得手机无线充电具有灵活性；然而传统变压器的磁芯减少了磁导通的损耗，因此电能传输效率更高，而松耦合方式通过空气磁场传输电能，空气磁阻相比磁芯要大大增加，所以传输效率相对较低。因漏磁大、原边线圈和副边线圈之间耦合系数小的因素，松耦合结构不满足变压器原副边线圈电压和电流的匝比关系［2-4］。由电磁感应理论和楞次定律可知，原边线圈的电流变化率越高，原副边线圈之间的电磁感应强度就越大，传输功率密度就越高，从而提高系统效率。然而过高的电流频率会引起电磁辐射的增加，造成EMC设计的困难，所以一般还需对原边能量发射机构和副边能量接收机构的耦合线圈进行补偿［5］。因此，相比传统变压器系统结构，电磁感应式手机无线充电系统的结构更为复杂，其系统结构图如图1所示。

图1 手机无线充电系统结构图

如系统结构图1所示，系统由前后两个部分组成，分别为能量发射端和能量接收端。①能量发射端由EMC滤波电路、DC-DC变换电路、高频逆变电路和能量发射电路组成。首先通过EMC滤波电路消除汽车电网内导入的电磁杂波，然后由DC-DC变换电路将电压从12V降低到5V，再经过高频逆变电路把5V的直流电逆变成110～210kHz的高频交流电，传输给能量发射电路。能量发射电路由谐振电路和发射线圈组成，高频交流电经过能量发射电路产生交变磁场，当能量接收端处于有效交变磁场中时，将实现能量传输。②能量接收端包括能量接收电路、整流滤波电路和负载设备。能量接收电路由接收线圈和谐振电路组成，首先能量接收电路在能量发射端产生的交变磁场中拾取电能，经过整流滤波电路转换为5V直流电，再给负载设备供电。

2 技术方案

本设计采用如下技术方案：一种多接收端发射器包括发射单元A、发射单元B，如有3个以上接收端，可增加相应的发射单元，在此以两个接收端为例。发射器可同时对两个相同或不同功率的接收端进行相互独立的无线电能传输。发射器包括顺序连接的输入电路、电源转换电路、稳压电路、单片机，以及通过单片机并行连接的温度检测、LED指示、两路功率发射电路、两路异物检测电路和EMC PCB；输入电路并行提供主电能到两路功率发射电路；电源转换电路并行提供控制电到两路发射电路和异物检测电路。

发射单元A和发射单元B相互独立，每个功率发射电路分别由全桥逆变电路、数字调压电路、谐振电容、线圈选择电路、发射线圈以及数字解调组成，其中全桥逆变电路和数字调压电路分别负责能量输出和功率调节；异物检测电路由输入电流检测、输入电压检测和Q值检测电路组成，把实时采样的数值提供给单片机，为单片机做出正确反应提供依据；LED指示分别用不同颜色的LED实现输入电源指示、充电指示、以及异物指示。

两路功率发射电路的发射线圈，其结构与电性能参数高度一致，每路发射线圈由2个或3个独立线圈平面交错叠放形成，并用铁氧体磁片做支撑，单片机通过线圈振荡波形的变化来判断哪一个线圈正在接入接收终端，同时经过线圈选择电路进行能量传输链路的选通，保证在同一时刻2个或3个线圈中仅有1个线圈工作，产品组装时将发射线圈铁氧体面粘贴于洋白铜材质的屏蔽罩内，屏蔽罩与EMC PCB焊点焊接，EMC PCB能有效吸收线圈产生的某频率段的电磁干扰以符合安全标准要求。

单片机提供两组固定频率的PWM波驱动全桥逆变电路和数字调压电路，单片机通过数字解调获取接收端功率需求数据，进而调整数字调压电路的PWM波占空比，若发射功率偏小则增大PWM波占空比，若发射功率偏大则减小PWM波占空比，使实现功率自适应调节，保证充电的正常稳定。因使用频率固定使发射器具备优秀的EMC表现，并可有效避免与应用环境中其它电器设备间的电磁干扰。

异物检测电路具有两种检测机制：一是通过输入电流检测和输入电压检测计算发射和接收之间的功率传输损耗来判断接收终端是否为异物；二是通过Q值检测电路检测线圈振荡波形的变化来判断接收终端是否为异物。

温度检测电路是通过线圈区域内放置的热敏电阻来实时检测线圈温度，当线圈温度超过设置阈值时，存在损坏手机充电电池的风险，温度检测电路将检测结果反馈给单片机，通过单片机控制相应的发射单元的关断或开启，从而实现过温保护。

图2是多接收端无线充电系统的详细电路图。

图2 多接收端无线充电系统电路图

综上所述，本设计是一种多接收端无线能量发射器，通过两路并行的功率发射单元，进行相互独立功率发射和功率自适应调节，若某一回路中存在异常情况，不影响另一回路的正常工作，保证了无线充电的高可靠性。

3 本设计的优点

本设计与现有技术相比，具有以下优点和有益效果。

1）本设计提供了一种多接收端无线能量发射器的技术方案，该发射器每个发射单元的发射线圈由2个或3个独立线圈平面交错叠放形成，增大了无线传输工作面积和接收端摆放位置的可偏移量，使无线充电变得更加轻松自如。

2）本设计引入了基于线圈振荡波形变化的Q值检测方法，提高了发射器对目标识别和异物检测的灵敏度，使无线充电变得更加高效和安全可靠。

3）本设计采用了一种EMC干扰的吸收手段，有效解决EMC问题。

4 结束语

多接收端车载无线充电设计通过单片机驱动独立的多个发射单元，实现对多个相同或不同功率的接收端进行相互独立的无线电能传输，同时独立的异物检测电路通过功率损失法和Q值检测电路及时检测充电区域的异物，保护接收端工作时不受异物的影响，并且温度检测电路实现了充电过程中的过温保护，LED指示提供了充电状态的提醒，另外特殊的EMC设计可使本设计的电磁兼容性能满足车载EMC要求。