Кратко и по существу — разделю ответ на 3 части: потери, требования по выравниванию/параметрам катушек и требования безопасности (люди и техника). Формулы и числовые выражения в KaTeX.
1) Потери энергии (что и почему; как уменьшать)
- Омические потери в проводах катушек: Joule‑тепло $P_{Cu}=I^{2}R$. Митигирование: Litz‑провод, большая площадь проводника, охлаждение.
- Потери ферритов/сердечников и диэлектрические: магнитные потери (гистерезис, вихревые токи) и нагрев диэлектриков при высоких частотах. Митигирование: подбор низкопотерьных ферритов, оптимизация частоты, распределение потерь.
- Вихревые токи в металлических частях машины и в окружающих объектах (шасси, болты): индуцированные токи => нагрев. Митигирование: ферритовые экраны, токопроводящие прерывания/изоляция, размещение приемной катушки вдали от больших металлоконструкций.
- Излучательные (радиационные) потери и рассеяние в рассеянные поля (stray fields): увеличиваются при сильном несоответствии/неправильном экранировании. Митигирование: ферриты, экраны, оптимизация геометрии.
- Потери в электронных преобразователях (инвертор/коммутация/выровнитель/ректifier): переключательные и потери в полупроводниках. Митигирование: SiC/GaN транзисторы, оптимизация схемы компенсации.
- Потери при несоосности и несогласовании: уменьшают коэффициент связи $k$ → увеличивают требуемый ток и потери. Управление: адаптивная подстройка частоты/компенсации и выравнивание.
- Примерная разбивка системы (приближённо): потери катушек и экрана $\sim 30\%$–$60\%$ от суммарных потерь на уровне катушек, электроника $\sim 10\%$–$20\%$, радиационные/внезапные потери и тепловые $\sim 5\%$–$20\%$ — итоговая системная эффективность типично $\sim 80\%$–$95\%$ в зависимости от зазора и выравнивания.
- Важная формула меры связи/качества: коэффициент связи и добротности
$k=\frac{M}{\sqrt{L_1{L}_2}}$, $Q_i=\frac{\omega L_i}{R_i}$.
Введение показателя $k\sqrt{Q_1{Q}_2}$ (figure‑of‑merit) — эффективность в резонансе приближённо
$\eta \approx \frac{(k\sqrt{Q_1{Q}_2}{)}^2}{1+(k\sqrt{Q_1{Q}_2}{)}^2}$.
Цель: увеличивать $Q$ и/или $k$ при минимуме $R$.
2) Требования по выравниванию и конструкции катушек
- Геометрия и допуски: обычно проектируют при учёте вертикального зазора (air gap) в диапазоне $\sim 100\text{–}250\mathrm{mm}$ (зависит от типа автомобиля и подложки) и допускают боковые смещения порядка нескольких сантиметров. Практически целевой допуск бокового смещения часто задают в интервале $\pm 50\mathrm{mm}$…$\pm 150\mathrm{mm}$ в зависимости от размера передающей/приёмной площадки и требуемой мощности.
- Коэффициент связи $k$ падает при смещении; проектная цель — обеспечить $k\sqrt{Q_1{Q}_2}$ достаточным для требуемой мощности при максимально ожидаемом смещении. Если при смещении $k$ падает, система либо уменьшает мощность, либо увеличивает ток/напряжение (и потери).
- Конструктивные решения для устойчивости к смещению: многокольцевые или сегментированные передающие катушки (multipad), «double‑D» конфигурация, массивы маленьких катушек + динамическое включение тех, что выровнены.
- Компенсационные топологии: series‑series, series‑parallel и другие — выбор влияет на устойчивость к смещению и на нагрузочную реакцию. Требуется система автоматической подстройки резонанса (подстройка частоты или вар. конденсаторов).
- Механические требования: точная центровка/маркировка, направляющие индикаторы парковки, датчики позиционирования (сквозь CAN/автопарковку) для уменьшения смещений.
3) Требования по безопасности (люди и техника)
- Нормативы и стандарты: соблюдать SAE J2954 (EV WPT), ICNIRP/IEEE C95.1 по экспозиции, EMC‑стандарты (CISPR/IEC 61000 серий). SAE J2954 охватывает частоту $\sim 85\mathrm{kHz}$, пределы утечки поля и требования FOD/OTD.
- Ограничения по воздействию на людей: ограничить статическое и переменное магнитное поле в зоне доступа; применять измеряемые пороговые уровни согласно нормативам (общая публика/пользователь/персонал). Реализация: экранирование, ограничение мощности/времени, зоны недоступности.
- Обнаружение посторонних объектов (FOD — foreign object detection): алгоритмы по измерению сдвига фазы/тока/температуры и термодатчики на поверхности, чтобы отключать передачу при наличии металлического предмета, нагревающегося из‑за индуцированных токов.
- Защита транспортного средства: предотвращать нагрев батареи/электроники/трубопроводов; экранование кабелей, фильтрация ЭМИ, управляющая логика, диагностика на превышение температуры, токов, перенапряжений.
- EMC/EMI: фильтры входа/выхода, экраны, соблюдение пределов излучения и иммунитета — чтобы не нарушать работу автомобильной электроники и окружающих устройств.
- Защита от пожара и перегрева: термодатчики в катушках и возле шин/батареи; функциональные отключения при превышении.
- Механическая и эксплуатационная безопасность: защита от попадания грязи/воды (IP‑класс), надежная фиксация катушки в дорожном втулке/площадке, маркировка зоны зарядки.
- Интералоки и управления: система должна блокировать подачу энергии при наличии человека в опасной зоне, при неправильной центровке, при обнаружении FOD, при отказе электроники.
- Мониторинг и валидация: постоянное измерение амплитуды/фазы тока и напряжения, контроль температуры и контроль поля (feedback) для быстрого выключения.
Краткие рекомендации разработчику для практической системы
- Проектируйте с учётом SAE J2954 и местных норм по безопасности/EMC.
- Уменьшайте омические и ферритовые потери: Litz, SiC/GaN, качественные ферриты, принудительное охлаждение.
- Используйте сегментированные передатчики или направленную систему для повышения допуска к смещению.
- Реализуйте FOD/OTD и защитные прерыватели, экранование шасси и фильтры для EMC.
- Проверяйте систему на реальные сценарии смещений, моделей металлических инородных тел и воздействие на соседнюю электронику.
Если нужно, могу дать точные формулы для мощности/коэффициента передачи в выбранной компенсационной схеме (series‑series, series‑parallel) или типичные значения допусков и предельно допустимых полей по стандартам — укажите схему и класс мощности.