车载15W手机无线充电系统简介

姚高飞，陈晓霞，徐帅华，冯修奇

（众泰汽车工程研究院，浙江 杭州 310018）

随着社会经济、电子技术以及中国汽车工业的快速发展，手机和汽车已成为人们生活中不可缺少的通信工具和交通出行工具。同时，人们对汽车除了安全性能的要求外，对其功能使用的便利性和舒适性要求也越来越高。在驾驶车辆过程中，若使用有线充电方式对手机进行充电操作，会对驾驶员的行车安全造成极大的威胁，此时手机无线充电功能很好地避免了有线充电带来的这种安全隐患，既解决了充电问题，也带来了行车安全和便利性。越来越多的手机厂商都推出了支持无线充电的手机，同时越来越多的汽厂家也都开始配置了手机无线充电功能。

1 手机无线充电模块简述

本文介绍的车载手机无线充电模块 （下文统称PWCM）适用于12V电源系统的汽车。该模块采用NXP公司的定制芯片，满足WPC QI1.2标准，采用A9三线圈 （图1），满足EPP协议 （最高支持15W输出）。

图1 PWCM A9三线圈

2 PWCM产品构成及布置介绍

PWCM需要布置在方便用户操作的地方，比如乘客舱内的副仪表板前端或者换挡机构后方，如图2为众泰某车型PWCM实车上的安装示例。

图2 PWCM布置图

PWCM的主要组成部分：①上盖 （塑料）；②NFC线圈；③充电线圈模组；④屏蔽罩；⑤接插件；⑥线路板总成；⑦下壳体 （铝合金）。PWCM产品爆炸图见图3。

图3 PWCM产品爆炸图

3 功能描述

3.1 工作原理 （图4）

无线充电系统分为发射端 （通常是PWCM，简称Tx）和接收端 （通常是手机或无线充电卡贴等，简称Rx），二者通过电磁感应的方式传输能量。在Qi标准中，Rx根据负载 （通常是手机内部的充电管理电路）的情况发送输出功率的控制指令给Tx，Tx根据收到的控制指令调节相应的输出功率，最终使系统的输出达到稳态。

图4 工作原理图

在能源之星的定义中，将Rx的输入功率除以Tx的输出功率作为系统的效率。因此，系统的转换效率跟Tx和Rx的设计、相对位置以及负载情况等多方面的因素有关。

在Qi标准中，握手协议分为BPP协议 （目前最高支持5W输出）和EPP协议 （目前最高支持15W输出）两大类，其中EPP协议向下兼容BPP协议。目前，已上市的手机几乎都是基于BPP协议设计的，EPP协议还在不断优化和完善中。两者的区别如图5所示。

图5 BPP与EPP协议对比

3.2 基于WCT1013A系统的原理

本文方案采用NXP的WCT1013A主控芯片，符合Qi（WPC V1.2.2）标准的15W功率传输，集成NFC功能。图6为基于WCT1013A系统的原理框图。

图6 基于WCT1013A系统的原理框图

1）功率部分：输入电压经逆变电路转换成交流电，经LC滤波后将能量发射到接收线圈上。充电时只有一个线圈工作，工作线圈由线圈选择开关及线圈控制逻辑来确定。

2）DC-DC部分：Vin经过两个LDO电路分别转为5V和3.3V，其中5V用于MOS驱动电路，3.3V用于MCU供电。

3）控制部分：MCU主要负责3个功能：①信号采样，包括电压、电流、温度采样以及Rx通信包的解调等；②输出控制，根据采样信息和相应的控制算法，改变全桥电路的控制信号；③人机交互，CAN通信。

3.3 手机快充原理

1）PWCM初始工作在半桥模式，Rx输出最高为5W（5V／1A），同时PWCM通过FSK的形式向Rx申请进入快充模式。

2）Rx收到快充申请后，探测手机是否支持快充及支持的快充协议。

3）若PWCM收到支持快充的指令，则PWCM切换到全桥逆变的工作模式，提高输出功率，否则继续保持半桥5W输出。

4）快充模式下，Rx的整流电压达到手机快充协议的目标电压 （9V）后，Rx切换到目标电压 （9V）输出，系统进入到快充模式。

5）目前的无线快充标准有很多，包括苹果手机的7.5W快充、三星手机的10W快充、高通及MTK的15W快充协议等，实际的传输功率取决于Rx与手机的握手协议。

6）NXP WCT1013A采用Flash烧写方式，可通过CAN设备／远程boot loader升级软件支持苹果手机快充、三星手机快充以及未来的华为手机快充、小米手机快充等。

图7为I phone 8手机快充速度测试图。

图7 I phone 8快充测试

经实车测试，①5W方案：PWCM给I phone 8充满电的时间为4h25min；②15W方案：PWCM给I phone 8充满电的时间为3h15min；充电时间可缩短1h。

4 主要功能

4.1 无线充电及提醒功能

车辆上电后，PWCM被唤醒由关机状态进入待机状态。当电源挡位为ACC时，PWCM检测是否有待充电手机放置充电区域，一旦检测到待充电手机，PWCM会根据双方的握手协议确定是工作在BPP模式还是EPP模式，随后开始给手机进行充电。仪表上会有充电指示灯提醒用户当前的手机充电状态 （充电中、充满、充电故障）。图8为充电功能软件逻辑框图。

图8 充电功能软件逻辑框图

4.2 手机遗忘提醒功能

图9 为遗忘提醒软件逻辑框图。当车辆电源模式为OFF时，若PWCM识别到充电区域有手机，则停止充电且开启一个5min的延时定时器。延时期间，若收到驾驶侧门开信号，则PWCM立即检测充电区域是否有手机。若有，则发送手机遗忘总线报文信号给仪表，仪表进行图片和警示音提醒；如果充电手机在提醒期间从PWCM模上方拿走，则立即停止发送遗忘提醒总线报文，然后PWCM申请进入预休眠状态。在遗忘提醒报警期间，PWCM需要实时检测充电区域是否有手机存在，因此需要打开充电功能来检测充电手机是否被取走。若5min计时结束，仍没有收到驾驶侧门开信号，则PWCM直接进入预休眠状态。

图9 遗忘提醒软件逻辑框图

4.3 防止干扰PEPS寻钥匙功能

由于PWCM的工作频率为125kHz，而PEPS寻找定位智能钥匙也采用125kHz，所以PWCM会干扰PEPS智能钥匙定位的准确性，因此，当PEPS需要寻找定位钥匙时，会发送寻钥匙报文给PWCM。PEPS寻钥匙信号的报文发送后，若PWCM收到寻找钥匙总线信号，则会关闭PWCM的充电功能，当寻钥匙信号停止发送后，PWCM恢复之前的工作状态。防止干扰PEPS软件逻辑框图见图10。

图10 防止干扰PEPS软件逻辑框图

4.4 异物 （FOD）检测及报警

若有金属异物存在于PWCM和被充电手机之间，则金属异物会因涡流发热而使充电表面的温度快速上升，给PWCM和被充电手机带来损毁的风险。任意时候，一旦有金属异物被放入到PWCM和被充手机之间，PWCM会探测到功率损失，并依据相应的算法识别出金属异物。随后PWCM进入异物检测报警状态，充电立即停止，并且若一定时间内金属异物或被充手机未被移开，则仪表内的蜂鸣器会蜂鸣报警。若异物一直存在于PWCM和被充电手机之间时，PWCM会每隔5min重新检测一次，所以金属异物的温升很小，几乎等同环境温度。

4.5 蓝牙辅助配对功能

当用户将带有NFC功能的手机置于PWCM充电区域时，PWCM会将车机的MAC信息通过NFC发送到手机，手机快速和车机蓝牙配对。

4.6 手机联系人自动同步电话系统

当用户将带有NFC功能的手机置于PWCM充电区域时，用户执行蓝牙自动配对，手机内存储的联系人信息可自动同步至电话系统。

4.7 系统故障诊断与保护

PWCM除了上述功能外，还可进行故障诊断及故障处理。主要诊断和保护功能：过压保护 （硬件过压、软件过压、欠压）、过流保护、过热保护、FOD（异物检测）保护、反接保护。

5 结束语

车载手机无线充电系统很好地解决了行车过程中的手机充电问题，并极大地方便了驾驶员的操作。而且15W的手机无线充电还能满足快充要求，缩短了手机充电时间。