Magnetic induction无线充电于电动车应用
时间：2022-05-17
作者：Chan; Chi-Che
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Magnetic induction与Magnetic Resonance
透过线圈传递电力的技术主要分成两类，其一为称为Inductively Coupled、Magnetic induction、Electromagnetic induction这三种名称指同一种技术，于业界简称为MI，另外同样用线圈传递能量的Magnetic Resonance业界简称MR。其中MI无线充电技术已经大量应用于手持装置于市面销售，而采用MR技术的产品却很罕见。MI与MR技术最大的差别在于Impedance Matching Network (IMN)配置，MI技术没有配置IMN所以效率随着感应距离加大后而下降，而配有IMN的MR技术可以在距离变化下透过IMN调节维持高效率，其MR技术也是有其极限，感应距离过大后效率也是会下降。
手机无线充电普及后，有更多人关注电动车充电是否也可以走向无线化，而相关技术已经有多家厂商投入开发多年，早期投入电动车用无线充电主要是采用MR技术为核心发展。电动车无线充电技术能难度高，主要有两大困难点：感应距离远，功率需求大；大部分的应用范例，手机无线充电感应距离在1cm之内，而车辆装载无线充电感应距离要求在20cm上下，手机无线充电最小功率需求为5W，而电动车最小功率需求为3KW，从此可以看出无线充电于手机与电动车的应用在规格上有非常大的差距；所以过去为了区分技术，有小功率手机无线充电采用MI技术，大功率电动车就要用MR技术这样的刻版印象。
线圈尺寸决定感应距离
实作上MI跟MR能传送的距离跟最大功率都与线圈尺寸有关，为了方便理解先把线圈都设定成圆形，感应距离则用与圆形线圈直径比例来评估。MI最佳的工作感应距离为直径的1/8，MR于应距离加大后因MR技术有IMN补偿技术可以维持效率，但超过线圈直径1/2后也会因为效率过低而不实用。在相同的线圈尺寸下分别采用MI与MR技术，当感应距离在线圈直径1/8~1/4的范围内效率差异并不明显，距离超过直径1/4后采用MI技术会明显效率变差。
高效率才能满足电动车充电功率需求，手机无线充电一般效率70%，在接收功率5W下会产生约2W的损耗，其损耗大部分转换成热能发散；当功率提高到3KW，即使效率提高到90%也会产生约300W的损耗，这样的损耗会产生很大的热能，商品化需要额外的散热方案成本。实作上MI与MR技术的理想工作条件都是线圈越大与感应距离越近为佳，目前大部分的实作线圈尺寸约60cm*80cm矩形尺寸，若设计距离为20cm，其感应距离约是边长的1/4处，这样的感应距离下没有IMN补偿技术的MI的传送效率不会与MR有太多差距。IMN补偿技术可以在感应距离较远的状况下维持较佳的传输效率，但其技术复杂、生产不易，配置有IMN的MR比MI在成本上高出许多。
MI生产容易、成本低，在线圈尺寸与感应距离优化后可以提供与MR相当的效率表现；最大传输功率是取决于效率与散热系统的平衡，无线充电系统一定会因为损耗产生热能，传输功率越高所发散的热能也会越多，而散热系统能处理多少废热就是系统最大传输功率的限制。
商用化必备安全机制
安全机制是无线充电于电动车应用商用化另一个关键，MI与MR技术都是透过线圈传递电磁能量，金属物体吸收电磁能量都会发生加热反应，安全机制为侦测到传送线圈上有金属异物就停止电力传输。技术困难在于如何侦测线圈上的金属异物，于电力传输之前在线圈之上金属异物检测，于电力传输过程中于两个线圈之间入侵金属异物检测。
无线充电于电动车应用使用线圈尺寸约60cm*80cm矩形相比手机无线充电使用线圈尺寸约5cm*5cm矩形于面积差距超过百倍，在手机无线充电量产品实作金属异物检测已相当困难，传输功率与感应距离加大，于更大的线圈表面上进行精确检测金属异物为需要解决技术难题。目前有厂商提出在大型线圈表面增加一层由复数小线圈数组进行检测，此类设计可以有效检测大面积范围金属异物，但无法在电力传送过程中进行检测，此设计也会增加额外的成本。金属异物检测技术于MI已经发展成熟，MI感应范围较MR窄，此缺点却有利于金属异物防治，金属异物需要很靠近线圈才会收到电磁能量而发热；MI可以解析电力传输线圈上的讯号进行金属异物检测，不需要另外增加检测硬件所以成本较低。
L-C 结构提升MI线圈性能
MI技术中发射端利用驱动器连接电容与线圈产生谐振发送电磁能量，接收端线圈接收电磁能量与连接电容谐振效应取得电能。线圈为一段导线绕制成为电感，成为电感的导线上各位置讯号都不同，最大谐振讯号振幅发生在线圈与电容接点上，远离该接点讯号振幅逐渐变小。
参照图1. Half Bridge C-L，单一驱动器连接电容与线圈，于电容与线圈连接端点上产生谐振讯号，而线圈另一端接地没有谐振讯号。
图1。 Half Bridge C-L
参照图2. Full bridge C-L，与图1.差别于线圈原本接地端改成驱动器，该驱动器与另一个驱动器为反相讯号，电容与线圈接点因有另一端反相驱动，等效于Half Bridge方式之 2倍的驱动力，故谐振讯号振幅也较大，驱动器直接连接线圈并不会发生谐振仅有驱动讯号，线圈仅有一端与电容连接处产生谐振讯号。
图2。 Full bridge C-L
参照图3. Full bridge C-L-C于线圈两端都搭配谐振电容与驱动器，于线圈两端都产生谐振讯号，该谐振讯号为反相，此结构使线圈两端都产生最大谐振讯号振幅，使线圈可以发送最大电磁能量。
图3。 Full bridge C-L-C
参照图4. 图5. 发射端与接收端都采用C-L-C结构，可以完全发挥线圈传输能力，发射线圈与接收线圈实体端点对应位置，为最大谐振讯号振幅发生处；实际测试5cm*5cm的线圈可以传送500W之能量，其线圈之间的功率密度极高；在相同的功率密度下加大线圈就可以提高传送功率，若把线圈尺寸放大到50cm*50cm就可以轻易传送超过5KW的电能。所以用MI技术是可以满足电动车充电功率之需求。
图4。 发射端与接收端都采用C-L-C结构
图5。 C-L-C结构于5cm*5cm的线圈可以传输500W功率 (测试平台 EVB-WP300 )
高功率MI线圈制作技术
MI感应范围较窄，能量仅在线圈导线周围有较佳感应能力。于C-L-C结构中，线圈两端与电容相接处有最大振幅故具有最大电磁能量接收与传送能力；线圈两端为反相讯号，在螺旋式线圈绕制方法中线圈最外圈与最内圈为反相讯号，而最外圈与最内圈之中间其讯号为最弱；若用传统线圈绕制方法，线圈加大之后于线圈最外圈与最内圈之中间会有较大区段导线没有感应能力且增加线圈阻抗，阻抗增加会使效率变差。
参考图6. 发送器线圈制作范例，导线两端于线圈之外侧与内侧为谐振振幅最大处，采用较窄间距绕制方式，提供最大电磁能量发送能力；在导线中点振幅讯号最小，采用较宽间距绕制方式，缩短线圈导线长度降低线圈阻抗。
图6。 发送器线圈制作范例
两个绕线完全相同的大型线圈于近距离感应时，会产生过度耦合的现象，即发送线圈驱动能量完全转移到接收线圈无法产生谐振；为了解决此问题，参考图7. 接收器线圈制作范例，为了防止大型线圈于感应距离较近的状况下发生过度耦合现象，于接收线圈内较宽间距产生的间隙位置与发射线圈的间隙位置相互错开，所得到的发射与接收线圈外观尺寸都相同，但内部结构有所差异，即使线圈完全对齐紧贴，线圈内部因为间隙位置错开而不会发生导线完全重合状态。
图7。 接收器线圈制作范例
MI技术中为了增加感应范围加大线圈尺寸，而加大线圈尺寸后会因为线圈绕制圈数增加导致阻抗上升，使效率下降；加大线圈尺寸后发射线圈与接收线圈内的导线感应距离过近状况下，会发生过度耦合导致谐振发生困难；前述两个问题都可以使用变化间隙线圈绕制方法解决。
Magnetic induction具有低成本优点
MI技术线圈结构简单、实作于线圈工作频率约100KHz，电路设计使用泛用型零件采购容易且成本相对低。MI驱动器是用一般开关电源系统中常见的MOSFET组件，此类零件售取得容易、价格低廉；谐振电容MLCC , C0G/NP0近年来大量运用于手机无线充电应用之中，市面流通量大取得容易；在接收器上的整流组件采用Schottky diode也是电源系统常见组件，接收端搭配的MOSFET与谐振电容与发射端通用，零件取得容易成本就会较低。
市面销售手机无线充电大多为MI技术，其内部使用线圈已经标准化，市面有现成品可以直接购买；因生产厂商众多，标准化线圈取得成本也较低；电动车无线充电目前还在开发阶段其线圈组件尚未标准化，目前大型线圈为订制品，而MI技术使用线圈为导线所绕制搭配磁性材料所构成，构造简单其生产技术门坎低。
图8。 发射端电路上的驱动器、谐振电容(MLCC , C0G/NP0 )
图9。 接收端电路上的整流器(Schottky diode, MOSFET)、谐振电容(MLCC , C0G/NP0 )
Magnetic induction并联拓朴
为了提高传送功率若选用高规格组件会有取得不易与成本高昂的问题，为了拓展传输功率，MI线圈可利用多条导线所并行绕制，制作低阻抗线圈以增加电流承载量，每一条导线个别连接驱动器与整流器，单一驱动器与整流器维持使用泛用规格组件，于拓展传送功率后能维持低成本易取得优点。实作上每一条导线搭配驱动器与整流器能承载最大电流为10A，参考图10. MI并联线圈驱动与整流之拓朴，图中有三组驱动器与三组整流器分别接于三条导线所构成线圈，其中发射端三组驱动器分别先连接谐振电容后再连接线圈，发射线圈三条线圈导线并联以维持发射讯号一致性，此设计可以分散驱动器电流拓展功率输出；接收端线圈实体为三条导线所并行绕所制成单一线圈，三组接收线圈分别连接三组整流器，整流器输出再并联输出给后端负载使用，单一整流器维持使用泛用规格组件；此拓墣能扩展传输功率并维持低成本。
图10。MI并联线圈驱动与整流之拓朴
Magnetic induction无线充电于电动车应用
无线充电商品化最重要关键为售价，而售价取决于生产成本。MI技术构造简单，组件取得容易，能传送的最大功率与感应距离与MR技术并没有太大差距。MI技术的安全机制完整，于电力传送线圈上进行金属异物检测可精确判别，不需要额外增加检测线圈；线圈制作简易，透过导线间隙变化绕制方法可制作低阻抗高效率线圈，并于范围内距离远近都能正常工作；输出功率拓展透过线圈并联，使用低成本组件即可生产高功率无线充电模块。过去电动车无线充电应用直接联想到MR技术，近几年MI技术量产技术成熟且在传输效率、最大传送功率、感应范围都有进步，MI技术的低成本优势可望提升电动车无线充电普及化。
关于 Fu Da Tong Technology Co., Ltd
Fu Da Tong Technology于2007年在台湾新北市成立，为早期投入无线电力传送技术开发的公司，已经取得相关技术44张美国专利；专注于无线电力传送核心技术开发，掌握技术有In-band communications、Power transfer control、Foreign Object Detection，提供可以立即量产的参考设计与IC方案销售。
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