Для тех из нас, кто в наших ежедневных поездках на работу проводит чрезмерное количество времени в пробках (или полностью припаркован на так называемых автомагистралях между штатами), знайте, что это время простоя может быть использовано для многих других целей, и что автомобиль всегда был ключевым рынком для технологии, которые помогают нам выполнять некоторые из этих других “задач”, таких как телефонные разговоры, текстовые сообщения и электронная почта, онлайн-покупки и серфинг, загрузка фильмов и потоковое видео, игры и многое другое. Если вы посмотрите влево или вправо, находясь в пробке, вы увидите, что большинство этих задач связаны с использованием телефона.

В дополнение к этому высокому использованию одной из этих новых внедренных технологий является встроенная в автомобиль беспроводная зарядка функциональность, встроенная в область центральной консоли или в какое-либо другое легкодоступное место. Цель? Чтобы отсоединить все эти подключаемые кабели и оставить телефонную трубку в известном месте во время зарядки.

Фон

За последние три года “войны” в области технологий беспроводного питания были разрешены, победителем стала компания “Qi” или Wireless Power Consortium (WPC), которая теперь является стандартом де-факто с низким энергопотреблением. Это было дополнительно подтверждено внедрением технологии Qi всеми ведущими мировыми производителями мобильных телефонов. До этого автопроизводители действительно внедряли беспроводную зарядку в своих автомобилях, но всегда существовали опасения по поводу того, что продажа будет потеряна исключительно из-за того, что телефон покупателя не был совместим со встроенной технологией зарядки.

Количество внедренных моделей автомобилей с доступной беспроводной зарядкой выросло с 40+ в начале 2016 года до более чем 100 моделей (в настоящее время), что составляет более 12 миллионов (2,4 млн установленных OEM-производителями, 9,7 млн после выхода на рынок) автомобилей, в которых только в 2018 году были установлены системы на базе Qi. Большинство этих систем были совместимы с Qi Basic Power Profile (BPP) и рассчитаны на 5 Вт (ватт). Новое направление — более быстрая зарядка и более высокая мощность. Большинство новых конструкций ориентированы на соответствие стандарту Qi Extended Power Profile (EPP) или мощности 15 Вт. Это дополнительное удобство, заключающееся в возможности быстрой зарядки, сопряжено с дополнительными техническими препятствиями, которые необходимо преодолеть. Три основные проблемы — это соответствие требованиям электромагнитных помех, эффективность и тепловые ограничения.

Система мощностью 15 Вт

В стандарте WPC существуют подкатегории (например, MP-A8, MP-A9, MP-A13), которые определяют различные аспекты беспроводной системы питания и конфигурацию катушки передачи (Tx), которая размещена в области центральной консоли. Сделано в целях совместимости, стандарт определяет: входное напряжение постоянного тока, размер и форму катушки Tx, электрические параметры, регулирование частоты (фиксированное или переменное), уровень мощности и регулирование мощности (напряжение / частота / фаза / рабочий цикл). Входное напряжение, использующее основную батарею автомобиля, обычно составляет 12 В в схеме передатчика и, таким образом, имеет повышенное напряжение, создавая более сильное электрическое поле (E), чем входное напряжение 5 В, связанное со многими настольными беспроводными зарядными устройствами. Из-за резонансного режима работы системы фактическое напряжение на катушках (резонаторах / антеннах) может составлять около 100 В, что означает, что излучаемый шум будет сильнее для системы мощностью 15 Вт, чем для системы мощностью 5 Вт.

Проблемы и решения в области электромагнитных помех

На новых автомобилях имеется множество радиочастотных систем, и все они должны сосуществовать, чтобы гарантировать, что то, что они делают, не влияет ни на что другое. Некоторые из них: AM / FM-радио, GPS, системы ADAS, несколько диапазонов сотовой связи, Blue Tooth, Wi-Fi, отслеживание активов, коротковолновые радиостанции, брелоки, полицейские сканеры, телематика и т.д., И, возможно, даже несколько радиостанций CB для всех этих 10-4 приятелей.

Некоторые из этих радиочастотных систем работают в диапазоне основных частот 87-205 кГц (может достигать 300 кГц) беспроводной системы питания Qi EPP и/или через низкие гармоники. AM-радио, от 525 кГц до 1705 кГц (в Северной и Южной Америке), должно быть без электромагнитных помех, поскольку оно используется как часть системы экстренного вещания. Новые системы дистанционного бесключевого доступа (RKE) работают на частоте 125 кГц, как и некоторые системы контроля давления в шинах (TPMS), которые используют эту частоту для управления цепью катушки L-C инициатора.

Автомобильные приложения предъявляют очень строгие требования к электромагнитным помехам. CISPR 25 (Международный специальный комитет по радиоэлектронике возмущений) — это нерегулируемый технический автомобильный стандарт, который устанавливает пределы проводимого и излучаемого излучения, которые должны соблюдаться для защиты других бортовых приемников. Он определяет эти пределы в диапазоне частот от 150 кГц до 2500 МГц, которые, возможно, могут передаваться с помощью других антенн, установленных на транспортном средстве.

В рамках CISPR 25 существуют классы, которые определяют уровень допустимых пределов проводимого и излучаемого шума, причем излучаемый шум является реальной проблемой. Пределы излучения класса [излучаемого] в зависимости от диапазонов приведены в таблице 1 для пикового, квазипикового и среднего измеренного напряжения в диапазоне FM-радио.

С повышенным уровнем мощности Qi EPP соответствие классу 4 стало непростой задачей, и на рынке пока нет системы класса 5. Для беспроводной зарядки в автомобиле наиболее чувствительными являются частоты AM до 1,8 МГц, но при сертификационных испытаниях они превышают 1 ГГц. Фактические данные измерений CISPR 25 класса 5 приведены на рисунке 1.

Судя по сюжету, эта конструкция не полностью прошла сертификацию класса 5, хотя и соответствует требованиям класса 4. Снижение уровня электромагнитных помех начинается с электрического проектирования системы, и в следующих разделах рассматриваются некоторые ключевые области, используемые при проектировании для соответствия требованиям CISPR 25.

Первой областью снижения электромагнитного шума является внедрение системы фиксированной частоты. В стандарте Qi существуют средства, позволяющие использовать переменную частоту для лучшей “настройки” двух сторон для повышения производительности. Однако, чтобы соответствовать строгим уровням электромагнитного шума, связанным с системами питания в автомобиле, изменение частоты сделало бы соблюдение этих требований еще более проблематичным. Кроме того, европейские автопроизводители имеют ограничения выше 145 кГц, поэтому фиксированная рабочая частота текущих решений установлена на уровне около 127 кГц.

Следующий метод заключается в том, чтобы удалить прямоугольные токи через катушку Tx и сделать эти токи как можно более близкими к синусоидальным. Такой подход уменьшает шумовые “всплески”, которые могли бы возникнуть в противном случае. Этого можно достичь с помощью катушки индуктивности, поскольку это пассивное устройство сглаживает прямоугольный ток, создаваемый включением / выключением переключателей (МОП-транзисторов), и помогает обеспечить “чистоту” схемы переключения и отсутствие шума.

Дополнительное подавление электромагнитных помех может быть реализовано с добавлением синфазного фильтра (CMF), размещенного на линиях электропередачи последовательно с обмотками катушки Tx. Токи, проходящие через катушки, на 100% состоят из переменного тока (AC) и не содержат постоянного тока (DC), как во многих источниках питания, которые используют постоянный ток и некоторый допустимый пульсирующий ток. Ток катушки можно рассматривать как 100% пульсирующий ток. Поэтому важен выбор ферритового материала, используемого для этого CMF, и потери в сердечнике переменного тока должны быть абсолютными минимальными на фиксированной частоте 127 кГц.

Другой метод подавления электромагнитных помех заключается в добавлении магнитных листов подавления электромагнитных помех для поглощения рабочей частоты, гармоник и генерации паразитных шумов, которые могут передаваться с обратной стороны основного экрана Tx. Магнитные листы устраняют электромагнитные помехи двумя способами. Во-первых, проницаемость (μ’) этих материалов позволяет этим экранам удерживать [поглощать] магнитный поток электромагнитных помех (φ) и предотвращать его излучение. Далее, резистивные свойства (μ ”) этих экранов создают резистивный путь для поля потока нежелательных частот и ослабляют электромагнитный шум и удаляют его из окружающей среды в виде тепла. Это соотношение приведено в уравнении 1.

µ = µ’ – jμ” [Уравнение 1]

Для приложений подавления электромагнитных помех более высокие µ’ обеспечивают лучшую эффективность экранирования за счет сдерживания магнитного потока, а более высокие µ” обеспечивают лучшее подавление шума за счет потерь материала сердечника. Слишком высокое значение µ’ может снизить производительность. Благодаря явлению, называемому магнитной связью (K), наличие дополнительного магнитного листа может сместить значение индуктивности катушки Tx и изменить настройку схемы через взаимную связь (M или Lm) и отодвинуть ее от желаемой фиксированной частоты.

Наконец, если листы для подавления электромагнитных помех действительно вызывают проблемы с фиксированной частотой, существуют немагнитные материалы, которые также подавляют электромагнитный шум. Задача состоит в том, чтобы получить материал, который может поглощать некоторый уровень энергии шума, но при этом не слишком металлизирован, чтобы просто отражать электромагнитный шум, а не удалять его, и не подавлять желаемое Н-поле. Были использованы пленки на основе сплава серебра с низким поверхностным сопротивлением (~ 4 Ом / квадрат), которые демонстрируют улучшенное подавление электромагнитных помех до 1 МГц, (я думаю, что необходимо включить “и”) гашение проблемных гармоник. Эти немагнитные листы, размещенные на верхней стороне обмоток, как правило, лучше подавляют полевые гармоники напряжения/E, чем полевые гармоники тока /H.

Катушка Tx поставляется с собственным магнитным экраном, который содержит магнитный поток, генерируемый синусоидальным электрическим током, проходящим через обмотку. Для основной рабочей частоты (127 кГц) экранирующий материал выбирается с более высоким μ’ и очень низким μ”, чтобы не ослаблять желаемое поле магнитного потока. Этот экран содержит требуемый магнитный поток на рабочей частоте для повышения производительности и часть гармонического потока, таким образом, становясь частью общего решения, отвечающего требованиям электромагнитных помех.

Эффективность – Факторы беспроводной системы питания

При отсутствии прямого электрического соединения между зарядным устройством (передающей стороной или Tx) и устройством приема “подлежащего зарядке” (Rx) энергия передается между двумя сторонами через H-поле, создаваемое электрическим током, протекающим через катушку Tx. Катушка Rx улавливает часть этого H-поля и преобразует его в электрический ток через обмотку Rx.

Механизмом этого процесса является магнитная связь, на которую влияет выравнивание между двумя катушками (направления X, Y), расстояние разделения (зазор Z) и ориентация (параллель). В автомобильной системе с центральной консолью проблема ориентации контролируется плоской поверхностью консоли.

В настоящее время выравнивание осуществляется с помощью схемы из 3 отдельных обмоток Tx, и с помощью некоторого встроенного интеллектуального управления система Qi определяет, какая обмотка лучше всего выровнена. Эта катушка с 3 витками обеспечивает некоторый уровень свободы положения, но только по одной оси. Пример катушки MP-A9 показан на рисунке 2.

Приведенный пример катушки с 3 обмотками не является системным требованием, но на сегодняшний день является “нормой”. Однако в настоящее время предпринимаются усилия по созданию конфигурации катушки с 2 обмотками для небольших транспортных средств, чтобы уменьшить как размер, так и стоимость. Компромисс будет заключаться в выравнивании катушки Rx с одной из двух обмоток Tx, чтобы гарантировать, что уменьшенная магнитная связь не повлияет на эффективность. Типичное минимальное требование автопроизводителей к эффективности системы составляет 70%.

Зазор в направлении Z является более сложной задачей из-за оригинального стандарта Qi, определяющего максимальное расстояние между двумя сторонами как < 5 мм, и предназначен для расстояния между магнитным экраном и экраном, а не для намотки катушки. Экраны используются для: 1) экранирования Н-поля от объектов за катушками, 2) формирования / направления / инкапсуляции Н-поля, 3) помощи в установке значений индуктивности и 4) обеспечения механизма магнитной связи, функции физического расстояния между двумя магнитными листами. Таким образом, для автомобильного применения с толщиной намотки до 1,0 мм на катушке Rx, толщиной задней крышки телефона 1,0 мм, защитным чехлом для телефона до 3,0 мм или более, толщиной центральной консоли 2,0 мм и толщиной структуры намотки Tx 2,5 мм все это означает, что общее расстояние между экраном и щитком намного превышает этот предел в 5,0 мм. Фактическое расстояние Z-зазора больше по линиям 9-10 мм, что предполагает отсутствие зазора между корпусом телефона и центральной консолью. Поскольку коэффициент связи уменьшается с расстоянием зазора Z, на сторону Tx подается давление, чтобы компенсировать меньшую связь, требуя большего входного тока Tx для поддержания мощности, требуемой на стороне Rx, поскольку электрическая нагрузка не изменяется. Требование большего входного тока для поддержания той же выходной мощности — это еще один способ сказать о снижении эффективности. Это показано на рисунке 3.

Эти тестовые данные были получены с использованием катушки Qi A11 Tx мощностью 5 Вт, двух размеров катушки Rx и с батареей, расположенной за катушкой Rx, или без нее. Эффективность снижается по мере увеличения зазора Z между катушками. Система Qi также работает с внутриполосной связью, и при низком уровне связи (K) существует вероятность прекращения связи и прекращения передачи энергии. Это имело место для кривой оранжевого треугольника (самая низкая), и поэтому все испытания были прекращены на отметке 11 мм. Для систем Qi EPP более высокие токи помогут с подключением, но важно понимать, что такое Z-зазор в реальном мире.

Более высокие токи намотки катушки также приводят к более высоким потерям в проводе. Существует как значение сопротивления катушки постоянному току (DCR), так и значение сопротивления переменному току (ACR или Rac), причем потери в проводе связаны с ACR и показаны в уравнении 2.

P_потеря = Я² * R_пт [Уравнение n2]

где:

I = переменный ток через обмотку катушки Tx

R_пт = сопротивление на некоторой заданной частоте

Системы с более высоким током генерируют больший магнитный поток (φ) и более высокие потери в сердечнике внутри магнитного экрана катушки Tx. Типичные кривые для различных магнитных материалов показаны на рисунке 4 для потерь в сердечнике (Pcv) в зависимости от плотности магнитного потока (B), где никель-цинк (Ni-Zn) и марганец-цинк (Mn-Zn) являются типами феррита.

Потери в сердечнике зависят от плотности потока магнитного поля (B) внутри сердечника. Плотность потока связана с магнитным полем (H) и определяется поставщиками магнитопроводов на кривой B-H материала. Зависимость между увеличенным током и полем H приведена в уравнении 3.

H ∝ N x I [Уравнение 3]

где,

N – количество витков схемы намотки на катушке

I – ток через обмотку (А)

В системах беспроводной зарядки параметры выравнивания и зазора Z не могут на 100% контролироваться ни автопроизводителем, ни производителем системы зарядных устройств Tx. То, как и где пользователь помещает свою трубку в область консоли, какой тип защитного чехла используется, размер и форма внутренней катушки Rx, а также смещается ли трубка во время ускорения и торможения, — все это влияет на эффективность.

Эффективность – Факторы топологии мощности Tx

Ключевым методом повышения эффективности является использование двухтактной схемы привода преобразователя. Двухтактный преобразователь подает ток на катушку Tx с помощью набора переключателей в синхронизированной схеме синхронизации.

Переключатели попеременно включаются и выключаются, тем самым изменяя направление тока через катушку в течение обеих половин цикла переключения, в отличие от Buck, Boost и других топологий, которые полагаются на накопленную энергию в пассивных устройствах для подачи тока в течение периода выключения. Также реализовано с помощью Push-Pulls, это короткое “мертвое” время без тока, гарантирующее, что оба переключателя не включены (источник тока) одновременно, что может привести к повреждению источника питания. В целом двухтактные преобразователи имеют более стабильный входной ток по сравнению с другими топологиями питания, генерируют меньше электромагнитных помех и более эффективны в приложениях с более высокой мощностью.

Также используется метод, называемый переключением нулевого напряжения (ZVS) или “мягким” переключением. Чтобы уменьшить потери при включении/ выключении переключателей (МОП-транзисторов), система гарантирует, что перед процессом переключения на переключателе не будет напряжения. Это исключает возможность протекания тока через переключатель при приложенном напряжении. Наличие ZVS снижает потери при переключении и существенно повышает эффективность. Поэтому контроль времени является ключевым требованием.

Еще одним преимуществом ZVS является то, что он помогает уменьшить гармоники. Уменьшение гармоник помогает соответствовать требованиям CISPR 25, рассмотренным выше. Это включено сюда, поскольку играет ключевую роль в эффективности. В индуктивной беспроводной системе электропитания L-C (индуктивно-емкостные) сети боковых цепей Tx и Rx настраиваются на определенную частоту. Энергия в гармониках должна быть сведена к минимуму, поскольку это потраченная впустую энергия, поскольку настроенная сторона Rx не будет исправлять какую-либо энергию за пределами своего настроенного частотного диапазона.

Тепловые проблемы

Потери в беспроводных системах электропитания возникают из-за компонентов схемы как на стороне Tx, так и на стороне Rx, потерь в проводе и сердечнике на обеих катушках и, наконец, потерь на соединении для устранения воздушного зазора между двумя катушками. Под контролем автопроизводителя находятся потери на стороне Tx в проводе и сердечнике, а также потери компонентов схемы, включая печатную плату. Все эти потери приводят к повышенному повышению температуры. Автопроизводители имеют очень строгие ограничения на повышение температуры, которые обычно составляют +10^oC повышается по сравнению с температурой окружающей среды.

Потери в магнитном сердечнике зависят от характеристик материала. Ключевыми параметрами являются тип используемого материала, т.е. феррит или порошкообразное железо, толщина экрана, рабочая частота (которая создает гистерезис внутреннего материала и вихревые токи или “спиновые” потери) и плотность потока магнитного поля. Температура может оказывать большое влияние, но ограничения, установленные автопроизводителями, гарантируют, что температура даже отдаленно не приближается к основной температуре, чтобы иметь какой-либо реальный эффект из-за проблем с безопасностью температуры прикосновения.

Чтобы уменьшить потери в проводе Tx, используется многожильный провод litz для уменьшения потерь переменного тока при увеличении частоты из-за явления, называемого “скин-эффектом”. Проще говоря, с увеличением частоты больший ток протекает ближе (следовательно, более высокая плотность тока) к внешней поверхности провода и использует меньшую площадь поперечного сечения провода. Это создает повышенное сопротивление, что увеличивает потери в проводе и повышение температуры. Литцевая проволока создает гораздо большую общую площадь поверхности провода и помогает снизить сопротивление переменному току по сравнению со стандартной одножильной проволокой. По мере того, как требования к мощности и току продолжают повышаться, возрастает необходимость использования провода с более высокой стойкостью. Производительность балансировки, тепловые проблемы, диаметр проволоки и размер катушки становятся ключевыми аспектами бортовых систем.

Теплопоглощение используется как способ отвода дополнительного тепла. Тем не менее, автопроизводители выступают против добавления каких-либо дополнительных радиаторов, поскольку это увеличивает вес, поэтому приоритет отдается эффективности.

Ознакомьтесь еще раз с частью 2 серии, посвященной вариантам использования и тестированию, которая скоро выйдет такна.