2014 四月

用于移动设备和电动汽车的无线充电技术

轻薄、高效的电力传输

智能手机与其他移动设备的功能日益丰富,为人们的生活提供了便利。为满足用户不断增长的便捷、频繁充电需求,TDK推出了一系列发射和接收线圈组件。

近年来,人们对多种无线电力充电系统进行了大量的研究。在此期间,由无线充电联盟 (WPC) 在IEEE工业标准和技术组织 (IEEE-ISTO)支持下开发的Qi低功耗标准 (≤ 5 W) 成为了移动设备主流的无线电力传输标准。该标准已在移动设备中投入实际使用,主要基于电磁感应原理,即充电板上的发射线圈(一次侧)中产生的高频磁通被移动设备中的接收线圈(二次侧)所接收,然后将磁通转换为电力给设备电池充电。虽然基于电磁感应的无线电力传输技术具有成本相对低廉的优点,但其有效传输距离短,仅为约10 mm。这就要求发射和接收线圈必须精确对准。对此WPC规定了以下三种定位类型:

  • 采用磁力对准的引导定位
  • 采用活动线圈的自由定位
  • 采用线圈阵列的自由定位

在上述三种Qi电力传输设计中,第一种采用磁力对准进行定位的设计最为简单。然而,它对磁路设计提出了很大挑战,因为两个线圈的对准需要磁铁的磁力位于发射线圈中央,这样才能吸引接收线圈中央的磁性材料(见图1)。

图1:采用磁力校准的引导定位

发射线圈中心处磁体的磁力吸引在接收线圈中心处的磁性材料,从而实现两个线圈的对准(左图)。虽然结构简单,但磁路设计具有挑战性。磁性片必须采用高性能磁材料以防止电池过热并保证系统的整体性能(右图)。

另外,除非接收线圈可以在以上所有三种电力传输设计中都能正常工作,否则就不能获得Qi标准认证。鉴于这个原因,TDK公司设计了符合最苛刻磁性对准设计要求的发射和接收线圈单元。在此设计的基础上,TDK还开发了适用于活动线圈与线圈阵列电力传输设计的发射和接收线圈产品。

适合高频应用的先进铁氧体技术

设计一个磁力对准的线圈需要高超的磁性材料技术。为此线圈铁芯使用了和变压器或扼流圈同等规格的铁氧体材料。这种磁性材料能够充分吸收线圈产生的磁通量,并提供高电感值。Qi兼容的无线充电系统的工作频率为100 kHz左右至200 kHz。考虑到用于无线充电的线圈也可以有效地传输高频磁通量,所以它常与磁性片结合使用。TDK在发射线圈和磁性片上都采用了先进的铁氧体材料。

图2为磁性金属和铁氧体材料的特性对比。磁性金属材料具有高饱和磁通密度,但由于其低电阻率,他们易受高频涡电流的影响,导致热损耗不断增加。而铁氧体材料属于磁性陶瓷,将高电阻率和低涡流损耗结合在一起,因此是高频工作范围内不可或缺的磁性材料。TDK接收线圈中的磁性片也是用铁氧体材料制成的。

图2:磁性金属和铁氧体材料的特性对比

铁氧体材料(蓝色)的特点是其高电阻率范围。这有助于降低涡流损耗,即使在高频范围内依然有效。与之对应的磁性金属材料(红色)具有高饱和磁通密度。因此,即使通有很大的电流,也很难达到磁饱和状态。

安装在智能手机等移动设备上的磁性片必须尽可能地轻薄,但如果太薄的话,可能会发生磁饱和度不足的问题。磁饱和度不足会导致线圈电感值急剧下降,最终将造成无线充电操作失败。因此,为了防止充电系统到达磁化饱和点,就必须选择高性能的磁性材料,特别是用于接收线圈的磁片。

磁屏蔽提升电感并降低损耗

在磁力对准设计中,接收线圈的磁性片屏蔽了发射线圈产生的高频磁通和磁铁产生的磁通。智能手机中的接收线圈通常位于电池和后盖之间。如果磁屏蔽不足,高频磁通量将到达通常为铝制的电池外壳。这时,磁通量会使铝表面产生涡电流,这反过来可能会导致电池外壳异常发热。

在没有磁铁的发射线圈设计中,即使是非常轻薄的磁性片也足以屏蔽高频磁通。但在磁力对准设计中,必须使磁片有一定的厚度,以吸收磁体的磁通和高频磁通。在这种情况下,磁片需要比无磁铁式发射线圈设计中的磁性片更厚。

因此接收侧磁片的材料选择和厚度设计必须保证不会达到磁化饱和点。在这种情况下,磁铁的磁通才能穿过接收侧的磁片。使用铝制金属片的仿真测试表明,如果磁片过薄,接收线圈的电感会显著减少。

全面的发射和接收线圈的产品组合

为了满足制造商和用户对无线充电的需求,TDK公司开发了符合WPC Qi关键技术规格的一系列初级和次级线圈解决方案。

初级线圈

TDK已经研制出了一系列符合WPC低功耗( ≥ 5 W )规格(表1)的发射线圈。其中包括使用磁力对准技术(A1和A9 )和无磁铁(A10和A11 )的单主线圈。TDK同时提供包含三线圈的线性阵列式发射线圈,可用于阵列自由定位式充电器。所有发射线圈均使用WPC认证的铁氧体磁片。一些极薄的柔性磁片也可供选用。这些线圈的性能都已经过WTC设备验证。

表1: TDK发射线圈单元组件

WPC 技术规格

A10 – 无磁铁式单主线圈A11 – 无磁铁式单主线圈A1 and A9 – 磁力对准式单主线圈A6 – 线性阵列式多主线圈

输入电压 [V]         

19

5

19 (A1), 12 (A9)

12

电感 [μH]*

24

6.3

24

11.5 到 12.5

最大直流电阻 [Ω]**

0.10

0.06

0.10

0.08

铁氧体类型

柔性

柔性

刚性

柔性

磁铁尺寸 [mm]

--

--

12.5 × 2.0 (粘结磁铁)

--

磁性片尺寸 [mm]

50 (Ø)

52 × 52

100 × 56

线圈匝数

20 (2 层 × 10匝)

10 (1 层)

20 (2 层× 10匝)

12 (× 3 个线圈)

线圈+磁性片总厚度 [mm]

3.13

2.08

4.63

2.53 (底部)

输入/输出附件厚度 [mm]

--

3.13

--

4.03 (顶部线圈)

线圈外形尺寸

43 (Ø)

53.2 x 45.2

* 在 100 kHz, 1 VRMS
** 在 25 °C

次级线圈

TDK接收线圈的厚度范围很广(从0.50 mm到1.25 mm),可以满足多种无线充电应用(表2)的要求。所有类型的接收线圈在设计时都使用了磁性吸引子材料以支持磁力对准。此次推出的产品系列还包括结合了近场通信( NFC)天线的接收线圈。可供选择的还有预裂铁氧体磁性片,它能确保在实际使用条件下结构的耐用性。在2012年,TDK公司推出了当时世界上最薄的接收线圈,厚度仅为0.57 mm。当前,一种更薄的线圈已经发布,典型厚度为0.48 mm。

接收模块是一个交钥匙型无线充电解决方案,它包含一个具有吸引子的接收线圈和一个控制单元。该模块非常薄,最大厚度只有1.0 mm。TDK可根据客户要求提供定制设计。

表2: TDK接收线圈单元组件

类型

接收线圈单元结合了NFC天线的
接收线圈单元

接收线圈模块

尺寸 [mm]

30 × 30
40 × 40
48 × 32

52 × 48

48 × 32

厚度 [mm]

0.52 到 1.25

0.52 到 0.62

1.0

效率 [%]

66 到 73

69

72

电感 [μH]*

12.3 到 19

16.5 到 19.5
(接收线圈)

1.75 到 1.95
(NFC 天线)

13

最大直流电阻 [Ω]**

0.20 到 0.70

0.75 到 0.80
(接收线圈)

0.46 到 0.52
(NFC 天线)

0.27

输出电压 [V]

--

--

4.95 到 5.05

输出电流 [A]

--

--

0.5 到 0.7

* 在 100 kHz, 1 VRMS
** 在 25 °C

不断扩大的无线充电应用领域

受益于无线电力传输技术的并不只是低功耗的移动设备。市场研究人员预计将来会涌现越来越多的无线充电应用,使家电、电脑、车辆和机器人等各种电气装置和设备彻底摆脱电源线。

尤其值得注意的是,在汽车行业人们正在寻求面向电动汽车 (EV) 市场的可行的无线充电解决方案。TDK目前正在致力于这类解决方案,其实现将基于路面的发射线圈(初级线圈)和车辆(图3)中的接收线圈(次级线圈)之间的磁场。公司当前的主要目标是为这个新的高功率应用研制出合适的元件。

TDK使用的高性能铁氧体材料能在大温度范围内保持低磁芯损耗,满足电动车无线电力传输系统的要求。得益于先进的材料和仿真工具,接收模块原型只有约一张复印纸大小。

除了WPC,TDK也是“电力很重要”联盟(PMA)和无线电力联盟 (A4WP)的成员,一直致力于提供基于电磁感应和磁场的先进的无线电力传输解决方案

图3: 电动汽车的无线电力传

用于电动汽车的无线电力传输解决方案基于在路面上的发射线圈(初级线圈)和在车辆中的接收线圈(次级线圈)之间的磁场。

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