车载无线充电的 4 个主要挑战

对于汽车制造商来说，无线充电是在车辆中实现更好的充电效果、从而满足消费者需求的最佳途径。但是，如果要使这一创新成果走向市场，那么还存在着重大的挑战。

作者：FRANK SCHOLZ

一旦克服了设计上的主要挑战，就像这里展示的这样，车载无线充电站对于汽车消费者来说就可以成为一种理想的设备充电解决方案。（图片来源：莫仕）

当今的消费者希望无时无刻能够通过移动设备保持与外界的沟通 – 尤其是在自己的车里，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环境。

但是，在车内为智能手机充电是一种过时且极为不便。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，从而设计开发出对于消费者来独特而又方便使用的解决方案。

然而，尽管车载无线充电可以成为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。

挑战 1 – 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，第一个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，与标准组合电路元件的工作方式相同。主要区别则在电源供应器。

在无线充电技术中，电源供应部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。因此高级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信功能的情况下，可以确保无线充电系统的正常工作。

挑战 2 – 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可以高达 37°C 以上。相反，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性能，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 3 – 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 4 – 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。

车载无线充电的未来

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，在 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）。

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) 集成进来，使传统上需要高度的数据安全性的其他应用成为了可能。通过集成 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。