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车载无线充电的四大挑战

2021-01-20 14:37 来源:莫仕 编辑:电源网

对于汽车制造商来说,无线充电是车载充电的最佳途径。但是,要使这一创新成果走向市场仍然还存在着重大的挑战。

当今的消费者希望手机每时每刻都能保持充足的电量– 尤其在自己的车里,汽车的意义已经超越了交通工具本身;对于车主来说,汽车可以作为一种可移动的居住场所。但是,在车内为智能手机充电是极为不便。例如,设备不匹配,设备丢失,充电线打结,而在驾驶时连接手机又会构成安全隐患。高质量标准的车载无线充电解决方案可以为 OEM 提供灵活的设计灵感,从而设计开发出独特而又方便的解决方案。但目前的情况是,尽管车载无线充电是一种理想的解决方案,但是研发和实施过程中却充满重重挑战。

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挑战一:电磁干扰

科技发明先驱尼古拉·特斯拉在 1891 年通过能量传输,用无线「感应」点亮了白炽灯泡,第一次证明了无线充电的潜力。感应式充电可以将输入电压转换为恒定的输出电压,与标准组合电路组件的工作方式相同。主要区别则在电源供应设备。

在无线充电技术中,电源供应零件使用的各条绕线线圈单独缠绕。通过发射器模块中的线圈,可在一个精确的频率下(105 kHz 到 205 kHz 之间)产生磁场。接收器装置中的线圈会接收同样频率的电功率并生成电压,为设备的电池充电。

汽车应用中的电磁兼容性 (EMC) 标准非常严格。EMC,也就是无意中产生、传播及接收的电磁能,会对车辆的电气系统产生不利影响,比如说电磁干扰 (EMI)。举例来说,现在汽车的车钥匙 (KeyFob) 系统不仅可以控制车门的开关以及后备箱的开关,而且还能远程启动汽车。而无线充电不得发出会对无钥匙启动系统产生干扰的电磁波,否则产生的电磁场会对车钥匙系统产生不利影响。

更具挑战性的情况是,一旦驾驶员将车钥匙放到无线充电器上或者附近时,车辆的操作系统可能找不到车钥匙的信号,汽车就无法启动。因此提升电磁兼容性屏蔽技术的发展具有至关重要的作用,在使用车钥匙以及其他的车载通讯功能的情况下,可以确保无线充电系统的正常工作。

挑战二:热问题

极端温度是另一项挑战。不仅会对移动设备、而且还会对无线充电站产生负面影响。智能手机的一般工作温度在 0°C 到 35°C。在烈日高照的夏天,停车场中的车内温度会高达 37°C 以上。而到了冬季,车内温度可以降至 0°C 以下。如果不经过相应的设计和保护,这种极端的温度波动就不仅降低无线充电系统的效能,甚至造成损坏,使其无法工作。

电磁兼容性和温度波动还会影响到系统的效率。在将功率从平台传输到智能手机时,一些能量本身就会损耗掉。然而,很多无线充电系统在完美条件下却只能达到约45% 的效率。电磁屏蔽和热管理在提高车载系统的能效方面发挥着重要的作用。

挑战三:汽车内饰

每种汽车的内饰都有所不同 – 其中包含了独一无二的美学设计与人体工程学设计,以及各种电子功能与接口。与此同时,Qi(发音为「齐」)是目前唯一一种可用的无线充电标准,内置了无线充电功能的每台手机都将获得 Qi 的认证。其中许多手机的线圈区域都不尽相同,无论手机在充电站上如何摆放,无线充电系统都必须能够配合每种版本的线圈工作。

挑战四:距离

无线充电模块的充电时间还取决于发射器和接收器模块之间的距离。目前的技术已经可以达到 4 毫米的距离。更长的距离也可能做到,但是只有在更高的发射功率水平上才能实现,这就会对车内的电磁兼容性产生负面影响。为了满足汽车业的电磁兼容性标准要求,需要将电场降低到限值以下。

在这方面,适用的创新性电磁屏蔽技术与受保护的输入电路结合到一起后,就可以使系统超出汽车电磁兼容性的要求。

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与其他系统相比,汽车业中最新的无线充电模块效率极高 – TX 线圈 (WCh) 和 RX 线圈(智能手机)间的距离为 4 毫米时,5 瓦的功率下可达到 62% 的效率(汽车电池与智能手机电池之比)。

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尽管车载无线充电已经逐渐开始在互联汽车解决方案中使用,但该领域的发展和创新还在继续。下一代的设备将在两到三年内上市,能够同时为多台设备充电,并可向下兼容。此外,还有其他的设备也可以通过感应的方式来使用 – 具有不规则、非平面的三维表面的设备,比如说,可以想象得出的有游戏机、相机、玩具及可穿戴设备。

汽车无线充电市场上特别令人激动的一点就是可以将近场通讯 (NFC) 整合进来,使传统上需要高度的数据安全性的其他应用成为了可能。通过整合 NFC 功能,无线充电技术还可用于验证、简单配对、发送兴趣点,或者作为车钥匙 – 对于未来互联汽车中的应用来说,又开辟了更多的可能性。

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