CN106787247B - 一种无线能量传输效率测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无线能量传输效率测试系统，可在不同工作频率、负载阻抗、距离、偏移量、偏移角等条件变化时进行无线能量传输效率测试，通过设置无线能量系统发送端线圈工作频率和输出端线圈负载阻抗，实时采集无线能量发送端线圈和接收端线圈的相对位置，以及发送端线圈电压、电流，接收端线圈输出电压、电流等信息，通过处理后得到在不同条件下的传输效率。一方面可以辅助设计师研究各种外部因素对于无线能量传输效率的影响，更好地开展系统设计；另一方面有助于对已有的无线能量传输装置进行标准化测试。

Description

一种无线能量传输效率测试系统

技术领域

本发明涉及一种无线能量效率测试系统。

背景技术

无线电能传输技术是一种新型的电能传输方式，它是相对于传统的利用导线连接的电能传输方式而言的，是指电能从电源到负载的一种没有直接的电气接触的能量传输方式。当前无线电能传输技术的热点研究领域包括电动汽车、消费电子、医疗设备和工业应用。

无线电能传输技术在消费电子领域的应用发展迅猛，目前已经形成了行业标准，手机无线充电技术已经成熟并已广泛应用、电脑和智能家居方面即将实现无线电能传输技术的产业化应用；无线电能传输技术在医疗设备应用主要集中植入式医疗设备的无线供电中，诸如心脏起搏器、全人工心脏、人工耳蜗和视网膜假体等；无线电能传输技术在电动汽车的无线充电也是当前研究热点；随着无线电能传输技术不断的成熟和发展，其在工业领域也有非常广阔的应用前景。在工业上一些特殊场合如化工设备中的检测装置、水下机器人、分布式传感器的供电问题等。

通常，无线能量传输系统效率与发送端线圈工作频率、接收端线圈的负载阻抗等系统内部因素相关，并且与发送端与接收端的距离、偏移量和偏移角度等外部条件密切相关。如何得到无线能量传输效率与工作频率、负载阻抗、线圈相对位置等因素的定量关系，是无线能量传输技术研究的一个重要内容。通过对无线能量传输技术的调研，目前没有能够对多种因素综合测试的装置和方法，迫切需要一种能够对工作频率、负载阻抗、线圈相对位置等条件变化时无线能量传输效率进行综合测试的装置和测试方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种无线能量传输效率测试系统，可在不同工作频率、负载阻抗、距离、偏移量、偏移角等条件变化时对无线能量传输效率进行测试，获取无线能量传输效率与距离、偏移之间的精确关系，获得无线能量传输系统最优工作频率和最佳匹配负载。

本发明的技术解决方案是：一种无线能量传输效率测试系统，包括输入电源、发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器、负载、移动装置和上位机；输入电源为发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器、负载、移动装置和上位机供电；发送端控制器将输入电源发送的电信号转换成高频信号发送至发送端线圈，发送端控制器将采集到的输入电源的输入电压U_I和输入电流I_I发送到上位机；发送端线圈与发送端控制器输出端连接，将发送端控制器产生的高频信号携带的电能转化为磁场能发送至接收端线圈；接收端线圈将发送端线圈产生的磁场能通过电磁耦合作用转化为电能，电能以高频信号的形式传输至接收端控制器；接收端控制器与接收端线圈输出端连接，将接收端线圈发送的高频信号进行滤波、整流并将高频信号转换为直流信号；接收端控制器将采集到的输出电压U_O和输出电流I_O发送到上位机；负载与输出端控制器连接，消耗接收端线圈采集到的能量；移动装置固定发送端线圈和接收端线圈，其中发送端线圈的位置和角度固定，接收端线圈相对于发送端线圈可以进行平移和转动；

移动装置控制接收端线圈，使得接收端线圈相对于发送端线圈产生距离d、偏移量δ或偏移角λ的变化，并将距离d、偏移量δ或偏移角λ信息发送至上位机；接收端线圈中心在发送端线圈坐标系O₀X₀Y₀Z₀中的坐标为(x₁，y₁，z₁)，则其中，θ为接收端线圈平面沿过线圈中心垂直向上的轴相对于发送端线圈平面的偏转角，在初始位置，接收端线圈与发送端线圈平行；所述发送端线圈坐标系O₀X₀Y₀Z₀以发送端线圈中心为原点O₀，垂直于发送端线圈所在平面方向为X₀轴，沿原点竖直向上方向为Z₀轴，Y₀轴与X₀轴、Z₀轴符合右手定则；

上位机采集发送端控制器发送的输入电压U_I、输入电流I_I，接收端控制器发送的输出电压U_O、输出电流I_O及移动装置发送的距离d、偏移量δ或偏移角λ信息；上位机向移动装置发送指令控制接收端线圈相对发送端线圈产生距离d、偏移量δ或偏移角λ变化，向发送端控制器发送指令对发送端控制器工作频率f进行设置；上位机根据输入电压U_I、输入电流I_I、输出电压U_O、输出电流I_O得到无线能量传输效率η及无线能量传输效率η与距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f或负载阻抗R的关系。

所述上位机根据输入电压U_I、输入电流I_I、输出电压U_O、输出电流I_O得到无线能量传输效率η及无线能量传输效率η与距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f或负载电阻R的关系，具体步骤如下：

I、改变距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f、负载阻抗R五个参数中的一个或组合，固定其余参数的值，采集获得相应的输入电压U_I、输入电流I_I、输出电压U_O、输出电流I_O；

II、根据公式计算获得相应的无线能量传输效率η，并获得步骤I中发生改变的参数与无线能量传输效率η的关系曲线。

所述负载为阻性负载或恒功率负载。

所述输入电源为直流电源或交流电源。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过上位机可以设置无线能量传输装置发送端线圈工作频率，可以获取工作频率对无线能量传输效率的关系；通过设置不同的接收端线圈阻抗，可以获得负载阻抗与无线能量传输效率关系；通过设置接收端线圈相对于发送端的位置(距离、偏移量、偏转角)变化，获取相对位置对无线能量传输效率的关系；能够获得无线能量传输系统最优工作频率和最佳匹配负载。

(2)通过本发明装置和方法，可以方便的得到不同工作频率、负载阻抗、距离、偏移量、偏移角等条件变化时无线能量传输效率，一方面可以辅助研究各种外部因素对于无线能量传输效率的影响，更好地开展系统设计；另一方面有助于对已有的无线能量传输装置进行标准化测试。

附图说明

图1无线能量传输效率测试系统示意图；

图2移动装置示意图。

图3发送端线圈与接收端线圈位置关系示意图。

图4多因素综合无线能量传输效率测试流程。

具体实施方式

本发明提供一种不同距离、偏移量、偏移角等条件变化时无线能量传输效率测试系统。

如图1所示，无线能量传输效率测试系统包括输入电源、发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器、负载、移动装置和上位机。

输入电源为无线能量传输效率测试系统供电，可以采用直流电源，也可以采用交流电源；

发送端控制器将输入电源通过直流-交流、交流-交流或交流-直流-交流变换成无线能量传输系统所需的高频信号；发送端控制器还将采集到输入电源的电压和电流发送到上位机，并可由上位机对发送端控制器的工作频率进行设置；

发送端线圈通过利兹线与发送端控制器输出端连接，将发送端控制器产生的高频信号携带的电能转化为磁场能；

接收端线圈将发送端线圈产生的磁场能通过电磁耦合作用转化为电能，电能以高频信号的形式传输；

接收端控制器与接收端线圈输出端连接，将接收端线圈发送的高频信号进行滤波、整流并将高频信号转换为直流信号；接收端控制器还将采集到的输出电压、电流信号发送到上位机；

负载直接与输出端控制器连接，用于接收端线圈采集到的能量消耗。根据不同应用场合，可以为阻性负载或恒功率负载；

移动装置固定发送端线圈和接收端线圈，其中发送端线圈的位置和角度固定，接收端线圈相对于发送端线圈可以进行平移和转动。移动装置采用三自由度伺服电机控制接收端线圈，使得接收端线圈相对于发送端线圈产生距离、偏移量和角度变化。如图2所示，接收端线圈坐标系O_dX_dY_dZ_d以接收端线圈中心为原点O_d，垂直于线圈所在平面方向为X_d轴，沿原点O_d竖直向上方向为Z_d轴，按右手坐标系确定Y_d轴，X_d、Y_d轴电机负责带动接收端线圈移动产生距离d、偏移量δ，Z_d轴电机负责绕接收端线圈Z_d轴旋转产生旋转角θ。

上位机为无线能量传输效率测试装置的核心，与发送端控制器、接收端控制器、移动装置连接。上位机采集发送端控制器电压、电流，接收端电压、电流信息，以及移动装置的距离、角度、偏移量信息，同时，上位机还能够向移动装置发送指令，使接收端线圈能够相对发送端线圈产生距离、角度和偏移量变化，经过计算后得到不同条件下无线能量传输效率η。另外，上位机还能够通过设置发送端控制装置工作在不同频率，用于测试在不同工作频率时的传输效率。

如图4所示，本发明提供的一种适用于不同工作频率、负载阻抗R、距离d、偏移量δ、偏移角λ等条件变化时无线能量传输效率测试方法，其步骤如下：

(1)通过上位机设定发送端控制器工作频率f。如将无线能量传输线圈磁耦合频率设置为85kHz。

(2)设置接收端线圈负载阻抗R。

(3)设定发送端和接收端线圈的初始位置。建立发送端线圈坐标系O₀X₀Y₀Z₀，以发送端线圈中心为原点O₀，垂直于线圈所在平面方向为X₀轴，沿原点竖直向上方向为Z₀轴，按右手坐标系确定Y₀轴。接收端线圈相对于发送端线圈的位置如图2所示，接收端线圈中心的坐标为(x₁，y₁，z₁)。

(4)采集接收端线圈的移动量(d、δ、λ)。其中，距离d为在X₀轴上接收端线圈中心相对于发送端线圈中心的距离；偏移量δ为在Y₀轴上接收端线圈中心相对于发送端线圈中心的距离；偏移角λ为接收端线圈平面相对于发送端线圈平面偏转角，在初始位置，接收端线圈与发送端线圈平行；如图3所示，d、δ、λ的计算公式如下：

(5)采集发送端输入电压U_I和输入电流I_I。

(6)采集接收端输出电压U_O和输出电流I_O。

(7)计算无线能量传输效率η。当接收端在某位置(x₁，y₁，z₁)时，即接收端线圈在不同的移动量(d、δ、λ)时，在设定的工作频率f和负载阻抗R条件下，无线能量传输效率计算公式如下：

1)若d变化，其余参数固定时，通过测定不同d值时对应的无线能量传输效率η，可得到无线能量传输效率与传输距离之间的关系曲线；

2)若δ变化，其余参数固定时，通过测定不同δ值时对应的无线能量传输效率η，可得到无线能量传输效率与线圈偏移量之间的关系曲线；

3)若λ变化，其余参数固定时，通过测定不同λ值时对应的无线能量传输效率η，可得到无线能量传输效率与线圈偏转角之间的关系曲线；

4)若f变化，其余参数固定时，通过测定不同f值时对应的无线能量传输效率η，可得到无线能量传输效率与线圈偏转角之间的关系曲线；

5)若R变化，其余参数固定时，通过测定不同R值时对应的无线能量传输效率η，可得到无线能量传输效率与线圈偏转角之间的关系曲线；

6)其它情况时即若距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f、负载阻抗R中的两个或多个参数变化，其余参数固定时，可得到无线能量传输效率与不同距离、偏移量、偏转角、发送端控制器工作频率和负载阻抗之间的关系曲线。

本发明说明书未说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种无线能量传输效率测试系统，其特征在于：包括输入电源、发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器、负载、移动装置和上位机；输入电源为发送端控制器、发送端线圈、接收端线圈、接收端控制器、负载、移动装置和上位机供电；发送端控制器将输入电源发送的电信号转换成高频信号发送至发送端线圈，发送端控制器将采集到的输入电源的输入电压U_I和输入电流I_I发送到上位机；发送端线圈与发送端控制器输出端连接，将发送端控制器产生的高频信号携带的电能转化为磁场能发送至接收端线圈；接收端线圈将发送端线圈产生的磁场能通过电磁耦合作用转化为电能，电能以高频信号的形式传输至接收端控制器；接收端控制器与接收端线圈输出端连接，将接收端线圈发送的高频信号进行滤波、整流并将高频信号转换为直流信号；接收端控制器将采集到的输出电压U_O和输出电流I_O发送到上位机；负载与输出端控制器连接，消耗接收端线圈采集到的能量；移动装置固定发送端线圈和接收端线圈，其中发送端线圈的位置和角度固定，接收端线圈相对于发送端线圈可以进行平移和转动；

移动装置控制接收端线圈，使得接收端线圈相对于发送端线圈产生距离d、偏移量δ或偏移角λ的变化，并将距离d、偏移量δ或偏移角λ信息发送至上位机；接收端线圈中心在发送端线圈坐标系O₀X₀Y₀Z₀中的坐标为(x₁，y₁，z₁)，θ为接收端线圈平面沿过线圈中心垂直向上的轴相对于发送端线圈平面的偏转角，则在初始位置，接收端线圈与发送端线圈平行；所述发送端线圈坐标系O₀X₀Y₀Z₀以发送端线圈中心为原点O₀，垂直于发送端线圈所在平面方向为X₀轴，沿原点竖直向上方向为Z₀轴，Y₀轴与X₀轴、Z₀轴符合右手定则；

上位机采集发送端控制器发送的输入电压U_I、输入电流I_I，接收端控制器发送的输出电压U_O、输出电流I_O及移动装置发送的距离d、偏移量δ或偏移角λ信息；上位机向移动装置发送指令控制接收端线圈相对发送端线圈产生距离d、偏移量δ或偏移角λ变化，向发送端控制器发送指令对发送端控制器工作频率f进行设置；上位机根据输入电压U_I、输入电流I_I、输出电压U_O、输出电流I_O得到无线能量传输效率η及无线能量传输效率η与距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f或负载阻抗R的关系。

2.根据权利要求1所述的一种无线能量传输效率测试系统，其特征在于：所述上位机根据输入电压U_I、输入电流I_I、输出电压U_O、输出电流I_O得到无线能量传输效率η及无线能量传输效率η与距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f或负载电阻R的关系，具体步骤如下：

I、改变距离d、偏移量δ、偏移角λ、发送端控制器工作频率f、负载阻抗R五个参数中的一个或组合，固定其余参数的值，采集获得相应的输入电压U_I、输入电流I_I、输出电压U_O、输出电流I_O；

II、根据公式计算获得相应的无线能量传输效率η，并获得步骤I中发生改变的参数与无线能量传输效率η的关系曲线。

3.根据权利要求1或2所述的一种无线能量传输效率测试系统，其特征在于：所述负载为阻性负载或恒功率负载。

4.根据权利要求1或2所述的一种无线能量传输效率测试系统，其特征在于：所述输入电源为直流电源或交流电源。