智慧手機 智慧型手機 無線充電 Qi 電磁相容性 EMC 電磁干擾 EMI WPC FOD NFC

搭配內裝/整合新功能 車用無線充電便利性大增

2020-01-07
愛立信發布「行動報告」指出,截至2023年,智慧手機的使用者數量將達到72億(圖1)。也就是說,在今後幾年內,全球人口近90%會是手機使用者。當今大多數人都無法想像開車時沒有智慧手機。近期的研究表明,每10人中就有7人會在開車時使用智慧手機。
圖1 全球智慧手機使用者數量成長趨勢
資料來源:愛立信行動研究

除了接打電話外,手機提供的功能越來越豐富。手機可以提供GPS導航、資訊娛樂(Podcast、網路廣播及播放清單)選項、語音控制的短訊、自訂車輛設定(空調和座椅調整)以及和雲端之間的資料傳送。若要使用汽車製造商提供的應用程式,手機也是必不可少的。手機和其他行動設備的使用更為普遍,以至於許多汽車製造商目前都在車輛中提供Wi-Fi功能。

手機用途大增,需要發送/接收數量可觀的資料,而且,手機傳送的資料越多,電池的壽命就越短。除了Wi-Fi連接和應用程式的使用不斷成長以外,手機持續增加的機身尺寸以及顯示品質的提高也使電池消耗得更快。十年前,充滿電的手機電池可以使用大約一周。今天,智慧手機的平均電池壽命則只有一天。而且,這還不包括LTE和LTE-Advanced網路的發展,因為這些網路要比以往消耗更多的功率。

在日常生活中持續不斷地使用智慧手機需要更多的電能,也增加了電池電量耗盡的風險。使車載充電對於消費者的日常生活變得更加重要(圖2)。

圖2 車載充電對於消費者的日常生活變得更加重要

感應式無線充電技術發展已久

在車中為智慧手機充電真的已經過時而且極其不便─連接器並不總是能良好的配合使用,配接器會丟失,電纜纏繞在一起,而在駕駛過程中進行連接是一項危險的作業,並且USB的充電量也很低。

一個顯而易見的解決方案就是採用發明家和夢想家尼古拉特斯拉在1891年就已經展示過的技術:用於照明用白熾燈泡的無線「感應」能量傳遞。感應充電─就像電動牙刷及其充電底座之間無線能量傳遞所實現的那樣─可以將輸入電壓轉換為一個恆定的輸出電壓,標準的組合電路元件也是利用同樣的方式運作。

主要區別在於電源部分:電源中使用的線圈獨立安裝在無線充電裝置中。憑藉發射器模組中的線圈,在精確定義的105kHz到205kHz的頻率範圍內產生一個磁場;接收器裝置中的線圈收到相同頻率的電功率並生成電壓,為設備的電池充電。

汽車運作環境 帶來設計挑戰

無線充電系統的開發和實施均無法避免重大的設計挑戰。汽車應用中的電磁相容性(EMC)要求極其嚴格,並且也理當如此。EMC是指非有意產生、傳播和接收的電磁能,會對電氣系統產生不利作用,例如電磁干擾(EMI)等。

無線充電會產生有害的電磁場,干擾KeyFob遙控車鑰匙的效能,造成不利影響。隨著技術發展,KeyFob遙控車鑰匙中現在包含了車門閉鎖/開啟、後車箱開閉以及遠端啟動功能,要確保無線充電系統不會發射對這些無鑰匙啟動系統產生干擾的EMC,這一點非常重要。

當駕駛將KeyFob遙控鑰匙置於無線充電基座之上或者放在附近時,這一設計挑戰就更為具體。比如說,在充電過程中,當KeyFob遙控鑰匙位於無線充電基座/平台之上時,車輛就無法偵測遙控鑰匙的訊號,使汽車無法啟動或者作業。進階EMC遮罩技術的發展至關重要,可以確保無線充電系統與KeyFob遙控車鑰匙以及其他重要的汽車鑰匙通訊功能和諧共存。

極端溫度不僅會對行動設備產生不利影響,而且還會影響到無線充電基座。手機的典型工作溫度在0℃到35℃。陽光照射下停在停車場中的汽車內部溫度會達到37℃以上。到了冬季,溫度則會遠低於0℃。如果設計和保護不當,那麼全年之間這些劇烈的溫度變化會降低充電系統的效能,並且造成損害,使系統無法正常運作。

EMC和溫度波動也會影響到無線充電系統的效率。在將功率從平台傳送到手機時,本來就會損失掉一些能量;然而,許多的無線充電系統在完美的條件下也只會達到45%左右的效率。EMC遮罩和熱管理在提高系統效率的過程中發揮重要的作用。

無線充電模組的充電時間也取決於發射器和接收器模組之間的距離。Molex設計的裝置使充電距離可以達到4毫米。更遠的距離也是可行的,但是只有在提高了發射功率水準的條件下才會實現,這樣,在密閉的車輛中,也會對極其重要的電磁相容性產生不利影響。EMC值表示的是通過電場效應或者電磁效應、技術設備相互之間產生干擾,這應該要避免。

在世界各地,當今存在著數千種不同型號的智慧手機,並沒有一種單獨的無線充電設計可以有效的為每種型號供電。這些手機內放置電池的位置都不相同,而無線充電系統必須能夠配合各種型款的手機來發揮作用,而無論手機在充電基座上的放置位置如何。

此外,每種車輛的內裝都不盡相同,包括人體工學設計和電子功能在內。所以就迫切需要一種單獨的平台,可以憑藉具有成本效益的方式來自訂,以滿足每種車輛的具體設計要求。

Qi通訊協定 獲產業高度支持

為了能夠適用於最多的設備,Molex的無線充電裝置使用了硬體來盡可能的滿足最廣泛的需求。「Qi」目前較普及。Qi 是由無線充電聯盟(WPC)主導,這個協定自2008年起發表,總共聯合了超過500家廠商,包括蘋果、微軟、三星、索尼以及幾乎所有的Android智慧手機供應商。汽車消費電子(CE4A)集團包括寶馬、奧迪和戴姆勒之類的汽車製造商,也將Qi作為其共同的標準。

不同無線充電模組中的元件幾乎各不相同;隨著使用的元件以及設計和建構上的專業知識不同,它們將功率傳送到接收設備的效率也有所不同。

與市場上的其他系統相比,在5瓦的功率下,Molex的設計可以達到62%的效率(從汽車電池到智慧手機電池),其中Tx線圈(WCh)或者Rx線圈(智慧手機)之間的距離為4毫米。實際上無線充電傳輸電力的損耗不會比纜線連接器更多。以電纜或者在感應充電條件下以無線方式為智慧手機充電,所需的時間基本上是一樣的。使用專利的EMC遮罩設計以及溫度管理系統便可以做到。

無線充電使用電磁場來作業;然而,同時還存在著電場,兩者相互依存。為了滿足汽車業對EMC的嚴格要求,需要將電場降至限值以下。系統採用了里茲線圈與產業標準的充電控制器。結合功率級驅動器和開關設計與EMC遮罩及受保護的輸入電路,使系統超出了汽車業的EMC要求。此外,EMC遮罩直連到天線板上,可以提高手機在所有水準位置上對GSM、UMTS和LTE訊號的接收/發射效果。Molex將無線充電解決方案與天線耦合器整合,可以提供附加的功能來提高服務品質(QoS)並強化使用者體驗。電路板表面上的溫度感應器可以測量模組的表面溫度。這樣就可以提供 FOD(異物偵測)功能。專用散熱片接觸到無線充電線圈,負責模組的被動式降溫。

新興車用充電設計 更智慧便利

Molex的無線充電裝置,整合了無線充電控制器。在充電過程中,以使用5瓦的功率為例,手機電池的位置處會在最高1安培的電流下提供恰好5伏的電壓。其無線充電器具有與標準充電電纜相同的效能。如果電池完全充滿或者移開手機,那麼充電作業會自動結束。如果最終使用者的智慧手機不相容Qi標準,系統會立即關閉,保護手機免受干擾。另一種杯座解決方案,OEM的代理商可以作為附件採購(圖3)。

圖3 各種型態的充電基座

根據車輛的類型和車型的內裝,無線充電模組存在非常具體的要求。無線充電模組在交付時採用了汽車製造商定義的、與車輛有關的組態。具體的形式可能各不相同,與產品設計人員的要求有關。對於車輛製造商來說,可以交付成品的模組具有所需的尺寸,並且針對智慧手機提供了接收槽,而與OEM的設計相符合。

這類外掛程式裝置的設計以車輛中控台上的安裝為主,配有連接器,可通過CAN匯流排與系統和電源相連接,並且還可以與上游的Compenser(天線放大器)採取同軸連接方式。然而,對於其他製造商生產的最新型的豪華汽車、以及未來的車輛產品線來說,可以在中央扶手或中控面板下方建構一個在視覺上非常協調的感應區(充電板),在這裡可以安全地放置智慧手機(圖4)。在這種構造中,可以在感應區域下方設定電子元件與連接器。這種架構還可以配備天線耦合器及Compenser。

圖4 在中央扶手或中控面板下方的無線充電設計

車用無線充電整合更多技術應用

在汽車產業,無線充電被視為是一種商品。車輛可以看作是一個生活空間,而對於26億人來說,智慧手機在他們生活中的幾乎每一方面都已經必不可少。也要求OEM為汽車環境設計出盡可能方便的智慧手機整合方式。無線充電就是對這種市場需求的回應。

然而,儘管車輛中的無線充電正在成為聯網汽車解決方案可以提供的部分,它的發展還在進步當中。下一代設計將能夠同時為多台設備充電,並且在今後的兩三年內將具備向下相容性。另外,其他設備也能夠通過感應的方式來配合具有不規則、非平面的立體表面的設備,比如說遊戲機、照相機、玩具以及手表之類的穿戴式設備,這些都是可以想像得到的。

在無線充電市場上,尤其對於汽車產業而言,一項特別的發展成果就是近場通訊(NFC)標準的整合,該標準使得在傳統上需要極高資料安全性的其他應用成為可能。透過整合NFC,無線充電技術還可用於驗證、簡單的配對、發送興趣點或者作為車鑰匙,為聯網車輛的使用開闢了更多的可能性。包括自動結束共用汽車的租賃交易、自動支付流程,比如說下載最新的副卡資訊或者是擴增實境資訊。

(本文作者為Molex無線充電產品經理)

 

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