車載15W手機無線充電系統簡介

姚高飛，陳曉霞，徐帥華，馮修奇

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

隨著社會經濟、電子技術以及中國汽車工業的快速發展，手機和汽車已成為人們生活中不可缺少的通信工具和交通出行工具。同時，人們對汽車除了安全性能的要求外，對其功能使用的便利性和舒適性要求也越來越高。在駕駛車輛過程中，若使用有線充電方式對手機進行充電操作，會對駕駛員的行車安全造成極大的威脅，此時手機無線充電功能很好地避免了有線充電帶來的這種安全隱患，既解決了充電問題，也帶來了行車安全和便利性。越來越多的手機廠商都推出了支持無線充電的手機，同時越來越多的汽廠家也都開始配置了手機無線充電功能。

1 手機無線充電模塊簡述

本文介紹的車載手機無線充電模塊 （下文統稱PWCM）適用于12V電源系統的汽車。該模塊采用NXP公司的定制芯片，滿足WPC QI1.2標準，采用A9三線圈 （圖1），滿足EPP協議 （最高支持15W輸出）。

圖1 PWCM A9三線圈

2 PWCM產品構成及布置介紹

PWCM需要布置在方便用戶操作的地方，比如乘客艙內的副儀表板前端或者換擋機構后方，如圖2為眾泰某車型PWCM實車上的安裝示例。

圖2 PWCM布置圖

PWCM的主要組成部分：①上蓋 （塑料）；②NFC線圈；③充電線圈模組；④屏蔽罩；⑤接插件；⑥線路板總成；⑦下殼體 （鋁合金）。PWCM產品爆炸圖見圖3。

圖3 PWCM產品爆炸圖

3 功能描述

3.1 工作原理 （圖4）

無線充電系統分為發射端 （通常是PWCM，簡稱Tx）和接收端 （通常是手機或無線充電卡貼等，簡稱Rx），二者通過電磁感應的方式傳輸能量。在Qi標準中，Rx根據負載 （通常是手機內部的充電管理電路）的情況發送輸出功率的控制指令給Tx，Tx根據收到的控制指令調節相應的輸出功率，最終使系統的輸出達到穩態。

圖4 工作原理圖

在能源之星的定義中，將Rx的輸入功率除以Tx的輸出功率作為系統的效率。因此，系統的轉換效率跟Tx和Rx的設計、相對位置以及負載情況等多方面的因素有關。

在Qi標準中，握手協議分為BPP協議 （目前最高支持5W輸出）和EPP協議 （目前最高支持15W輸出）兩大類，其中EPP協議向下兼容BPP協議。目前，已上市的手機幾乎都是基于BPP協議設計的，EPP協議還在不斷優化和完善中。兩者的區別如圖5所示。

圖5 BPP與EPP協議對比

3.2 基于WCT1013A系統的原理

本文方案采用NXP的WCT1013A主控芯片，符合Qi（WPC V1.2.2）標準的15W功率傳輸，集成NFC功能。圖6為基于WCT1013A系統的原理框圖。

圖6 基于WCT1013A系統的原理框圖

1）功率部分：輸入電壓經逆變電路轉換成交流電，經LC濾波后將能量發射到接收線圈上。充電時只有一個線圈工作，工作線圈由線圈選擇開關及線圈控制邏輯來確定。

2）DC-DC部分：Vin經過兩個LDO電路分別轉為5V和3.3V，其中5V用于MOS驅動電路，3.3V用于MCU供電。

3）控制部分：MCU主要負責3個功能：①信號采樣，包括電壓、電流、溫度采樣以及Rx通信包的解調等；②輸出控制，根據采樣信息和相應的控制算法，改變全橋電路的控制信號；③人機交互，CAN通信。

3.3 手機快充原理

1）PWCM初始工作在半橋模式，Rx輸出最高為5W（5V／1A），同時PWCM通過FSK的形式向Rx申請進入快充模式。

2）Rx收到快充申請后，探測手機是否支持快充及支持的快充協議。

3）若PWCM收到支持快充的指令，則PWCM切換到全橋逆變的工作模式，提高輸出功率，否則繼續保持半橋5W輸出。

4）快充模式下，Rx的整流電壓達到手機快充協議的目標電壓 （9V）后，Rx切換到目標電壓 （9V）輸出，系統進入到快充模式。

5）目前的無線快充標準有很多，包括蘋果手機的7.5W快充、三星手機的10W快充、高通及MTK的15W快充協議等，實際的傳輸功率取決于Rx與手機的握手協議。

6）NXP WCT1013A采用Flash燒寫方式，可通過CAN設備／遠程boot loader升級軟件支持蘋果手機快充、三星手機快充以及未來的華為手機快充、小米手機快充等。

圖7為I phone 8手機快充速度測試圖。

圖7 I phone 8快充測試

經實車測試，①5W方案：PWCM給I phone 8充滿電的時間為4h25min；②15W方案：PWCM給I phone 8充滿電的時間為3h15min；充電時間可縮短1h。

4 主要功能

4.1 無線充電及提醒功能

車輛上電后，PWCM被喚醒由關機狀態進入待機狀態。當電源擋位為ACC時，PWCM檢測是否有待充電手機放置充電區域，一旦檢測到待充電手機，PWCM會根據雙方的握手協議確定是工作在BPP模式還是EPP模式，隨后開始給手機進行充電。儀表上會有充電指示燈提醒用戶當前的手機充電狀態 （充電中、充滿、充電故障）。圖8為充電功能軟件邏輯框圖。

圖8 充電功能軟件邏輯框圖

4.2 手機遺忘提醒功能

圖9 為遺忘提醒軟件邏輯框圖。當車輛電源模式為OFF時，若PWCM識別到充電區域有手機，則停止充電且開啟一個5min的延時定時器。延時期間，若收到駕駛側門開信號，則PWCM立即檢測充電區域是否有手機。若有，則發送手機遺忘總線報文信號給儀表，儀表進行圖片和警示音提醒；如果充電手機在提醒期間從PWCM模上方拿走，則立即停止發送遺忘提醒總線報文，然后PWCM申請進入預休眠狀態。在遺忘提醒報警期間，PWCM需要實時檢測充電區域是否有手機存在，因此需要打開充電功能來檢測充電手機是否被取走。若5min計時結束，仍沒有收到駕駛側門開信號，則PWCM直接進入預休眠狀態。

圖9 遺忘提醒軟件邏輯框圖

4.3 防止干擾PEPS尋鑰匙功能

由于PWCM的工作頻率為125kHz，而PEPS尋找定位智能鑰匙也采用125kHz，所以PWCM會干擾PEPS智能鑰匙定位的準確性，因此，當PEPS需要尋找定位鑰匙時，會發送尋鑰匙報文給PWCM。PEPS尋鑰匙信號的報文發送后，若PWCM收到尋找鑰匙總線信號，則會關閉PWCM的充電功能，當尋鑰匙信號停止發送后，PWCM恢復之前的工作狀態。防止干擾PEPS軟件邏輯框圖見圖10。

圖10 防止干擾PEPS軟件邏輯框圖

4.4 異物 （FOD）檢測及報警

若有金屬異物存在于PWCM和被充電手機之間，則金屬異物會因渦流發熱而使充電表面的溫度快速上升，給PWCM和被充電手機帶來損毀的風險。任意時候，一旦有金屬異物被放入到PWCM和被充手機之間，PWCM會探測到功率損失，并依據相應的算法識別出金屬異物。隨后PWCM進入異物檢測報警狀態，充電立即停止，并且若一定時間內金屬異物或被充手機未被移開，則儀表內的蜂鳴器會蜂鳴報警。若異物一直存在于PWCM和被充電手機之間時，PWCM會每隔5min重新檢測一次，所以金屬異物的溫升很小，幾乎等同環境溫度。

4.5 藍牙輔助配對功能

當用戶將帶有NFC功能的手機置于PWCM充電區域時，PWCM會將車機的MAC信息通過NFC發送到手機，手機快速和車機藍牙配對。

4.6 手機聯系人自動同步電話系統

當用戶將帶有NFC功能的手機置于PWCM充電區域時，用戶執行藍牙自動配對，手機內存儲的聯系人信息可自動同步至電話系統。

4.7 系統故障診斷與保護

PWCM除了上述功能外，還可進行故障診斷及故障處理。主要診斷和保護功能：過壓保護 （硬件過壓、軟件過壓、欠壓）、過流保護、過熱保護、FOD（異物檢測）保護、反接保護。

5 結束語

車載手機無線充電系統很好地解決了行車過程中的手機充電問題，并極大地方便了駕駛員的操作。而且15W的手機無線充電還能滿足快充要求，縮短了手機充電時間。