盧綺雯 孫成 鄧耀華

無線充電智能測試系統(tǒng)設(shè)計

盧綺雯1,2孫成2鄧耀華2

（1.佛山世科智能技術(shù)有限公司，廣東 佛山 528200 2.廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006）

針對現(xiàn)有無線充電產(chǎn)品測試設(shè)備數(shù)字化、智能化程度較低等問題，在對無線充電產(chǎn)品智能測試方法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計無線充電智能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三軸測試平臺、測試儀器、無線充電控制分析軟件3部分，可實現(xiàn)對小功率無線充電產(chǎn)品的充電效率面積、充電溫升、負載特性等無線充電測試項目的自動測試。實驗表明：該測試系統(tǒng)能夠準確高效地進行無線充電測試，并將測試結(jié)果分析和輸出，實現(xiàn)無線充電的自動化測試，提高測試效率和精度。

無線充電；測試系統(tǒng)；充電效率；充電溫升；負載特性

0 引言

近年來，隨著無線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展，很多電子設(shè)備廠商和研究機構(gòu)對無線充電技術(shù)進行研究，越來越多的無線充電產(chǎn)品出現(xiàn)在市面[1-3]。無線充電產(chǎn)品在研發(fā)和生產(chǎn)過程中需要對其性能和安全情況進行多項測試，然而傳統(tǒng)無線充電測試采用功能分離、分步式測試方法，不僅工作效率低下，且步驟繁瑣，難以做到各個環(huán)節(jié)多路數(shù)據(jù)的同步記錄，無法實現(xiàn)自動測試。本文對小功率無線充電智能測試方法進行研究，設(shè)計無線充電智能測試系統(tǒng)實現(xiàn)小功率無線充電產(chǎn)品的充電效率面積、充電溫升[4]、負載特性[5]的自動測試。

1 無線充電智能測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線充電智能測試系統(tǒng)包括三軸測試平臺、測試儀器、無線充電控制分析軟件3部分，如圖1所示。

三軸測試平臺用于調(diào)節(jié)無線充電產(chǎn)品接收端與發(fā)射端的相對位置，進行不同相對位置的無線充電性能測試。測試儀器包括直流電源、功率計、溫度采集器和電子負載，其中直流電源給發(fā)射端供電；功率計采集發(fā)射端和接收端的功率，從而計算充電轉(zhuǎn)換效率；溫度采集器采集無線充電產(chǎn)品發(fā)射端和接收端的溫度數(shù)據(jù)，以分析無線充電產(chǎn)品在充電過程中的溫度變化情況；電子負載模擬不同負載，從而分析無線充電產(chǎn)品的性能。無線充電控制分析軟件進行無線充電智能測試與分析，并顯示和輸出測試結(jié)果，包括測試平臺控制、儀器通訊與控制、測試控制與分析、測試結(jié)果顯示與輸出等功能。

圖1 無線充電智能測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 無線充電測試方法研究

2.1 充電效率面積測試方法

充電效率面積測試要求測試無線充電產(chǎn)品發(fā)射端和接收端在不同相對位置情況下的充電效率。通過設(shè)定，，3個方向的測試范圍和間隙，形成在測試范圍內(nèi)具有相同間距的測試點，如圖2所示。

圖2 充電效率面積測試點示意圖

功率計測量0 W~120 W范圍內(nèi)的功率值，通過發(fā)射端和接收端測量的功率值，計算得到0%~100%的轉(zhuǎn)換效率，最終轉(zhuǎn)換效率精度<0.2%，轉(zhuǎn)換效率計算如式(1)。功率計能夠自動調(diào)整直接測量并顯示，通過LAN連接PC進行數(shù)據(jù)傳輸，配合集成測試軟件實現(xiàn)控制分析，包括參數(shù)設(shè)置、測量值監(jiān)視、通訊獲取數(shù)據(jù)等功能。

式中，為轉(zhuǎn)換效率；RX為接收端功率值；TX為發(fā)射端功率值。

充電面積測試是指搜索出有效充電點，并記錄繪制充電效率面積圖。本系統(tǒng)采用粗略點測試和集中點測試相結(jié)合的快速搜索算法，流程圖如圖3所示。

2.2 充電溫升測試方法

圖3 有效充電快速搜索算法流程圖

表1 溫度采集模塊通訊協(xié)議

首先，將連接溫度采集模塊的16路熱電偶溫度探頭分別緊貼在發(fā)射端和接收端裝置的表面，進行溫度數(shù)據(jù)采集；然后，設(shè)定充電溫升測試時長和溫度采集時間間隔，并將接收端裝置移動到設(shè)定好的無線充電位置進行充電；最后，溫度采集模塊按溫度采集時間間隔進行溫度數(shù)據(jù)采集和記錄，直到完成充電溫升測試時長。充電溫升測試流程如圖4所示，其中T表示充電溫升測試時長；T表示溫度采集時間間隔。

由于無線充電產(chǎn)品充電過程產(chǎn)生的發(fā)熱量和充電后的冷卻量都不依賴環(huán)境溫度，所以測試可在規(guī)定工作范圍內(nèi)的任何環(huán)境溫度下進行[6]。在進行充電溫升測試前，首先，需設(shè)定安全充電溫度值；然后，通過式(2)進行溫升測試判斷，若滿足該條件，則產(chǎn)品合格，否則產(chǎn)品不符合安全要求。

≤max+envmenv(2)

式中，為系統(tǒng)測試溫度值max為安全充電溫度限值；env為測試時的環(huán)境溫度；menv為規(guī)定的最大環(huán)境溫度。

圖4 充電溫升測試流程

2.3 負載特性測試方法

對于無線充電產(chǎn)品，不同負載的接入會引起系統(tǒng)諧振頻率的改變，進而改變系統(tǒng)的等效輸入阻抗，使系統(tǒng)不能以最大效率進行功率輸出。隨著無線充電過程中充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池等效內(nèi)阻逐漸增大，負載特性在充電過程中會發(fā)生變化，導致充電效率降低。

本文采用直流電子負載模擬不同的負載對負載特性進行測試，如圖5所示。通過設(shè)定最大和最小負載以及負載測試點數(shù)，改變電子負載阻值的大小，對輸出功率和充電效率進行測試記錄，以分析在接入不同的負載時，無線充電產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率。

圖5 負載特性測試方法

3 實驗與分析

圖6 發(fā)射端裝夾實物圖

實驗根據(jù)發(fā)射端的額定工作電壓、功率，設(shè)定輸入電壓為15 V，輸入功率為15 W，電子負載阻值為6.4 Ω。

3.1 充電效率面積測試

設(shè)置測試中心點坐標為發(fā)射端中心，方向測試范圍為82 mm，步進距為1 mm；方向測試范圍為38 mm，步進距為1 mm；方向測試高度為6 mm，即發(fā)射端和接收端的充電距離。通過測試得到如圖7所示的充電效率面積圖，其中每個測試點上的數(shù)值為該測試點的無線充電轉(zhuǎn)換效率值，范圍為0%~100%，最終通過軟件分析，輸出測試結(jié)果如表2所示。

圖7 充電效率面積圖

表2 充電效率面積測試結(jié)果

由圖7可以看出：無線充電發(fā)射端3個線圈形狀輪廓，其中輪廓內(nèi)部測試點為可充電區(qū)域，輪廓外部測試點為非充電區(qū)域。從具體每個測試點的轉(zhuǎn)換效率值來看，越靠近線圈中心區(qū)域的測試點，轉(zhuǎn)換效率越高，且沒有測試到充電壞死區(qū)。測試結(jié)果顯示在6 mm的測試距離，負載阻值為6.4 Ω的情況下，最大充電效率為71%，平均充電效率為61.5%，充電面積為1892 mm2，最終測試時間為83 min，可以準確高效地測試出充電效率面積。

3.2 充電溫升測試

充電溫升測試實驗首先把連接溫度采集器的16路熱電偶溫度探頭固定在無線充電發(fā)射端的表面；然后，設(shè)置測試儀器參數(shù)，在軟件上設(shè)置充電溫升測試坐標點為發(fā)射端中心，測試時長為1 h，溫度采集時間間隔為5 s；最后，進行充電溫升測試，控制三軸運動機構(gòu)將接收端移動到測試坐標點，按采集時間間隔進行多通道的溫度數(shù)據(jù)采集，得到如圖8所示的充電溫升趨勢圖。

圖8 充電溫升趨勢圖

由圖8可知：無線充電產(chǎn)品的發(fā)射端在1 h內(nèi)的充電過程中，隨著充電時間的延長，其表面溫度會逐漸升高，平均溫度從開始的23℃升高到24℃，溫度變化幅度較小，在1℃~2℃范圍內(nèi)。16路的熱電偶溫度探頭采集發(fā)射端表面不同位置的溫度數(shù)據(jù)，其中最低溫度為21.9℃，最高溫度為24.7℃，在無線充電安全溫度范圍內(nèi)，溫升測試結(jié)果合格。

3.3 負載特性測試

設(shè)定測試坐標點為發(fā)射端中心點，最大負載功率為9.8 W，最小負載功率為0.8 W，負載測試次數(shù)為10，所以每次負載功率變化量為1 W。由于每次負載功率改變需等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再進行發(fā)射端和接收端功率采集，所以設(shè)置等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定時間為12 s。負載特性測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：負載功率從0.8 W開始改變，逐漸增大到9.8 W；無線充電的轉(zhuǎn)換效率也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，由21.8%逐漸增大到61.5%；表明負載功率值越大，無線充電的轉(zhuǎn)換效率會越高。

表3 負載特性測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文研究了無線充電產(chǎn)品的測試方法，設(shè)計了一種用于小功率無線充電的智能測試系統(tǒng)，通過大量的實驗（限于篇幅未將所有的測試數(shù)據(jù)列舉到本文）和實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能夠準確高效地完成充電效率面積、充電溫升、負載特性的無線充電測試，并輸出測試和分析結(jié)果，實現(xiàn)無線充電的自動化測試，提高了測試效率和準確度。

[1] 顧祥語.無線充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電子制作, 2018(22):67-68.

[2] 黃學良,譚林林,陳中,等.無線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學報,2013,28(10):1-11.

[3] Zou Yuwei, Huang Xueliang, Tan Linlin, et al. Current research situation and developing tendency about wireless power transmission[C]. In: Proceedings of ICECE2010, Wuhan, China：IEEE Computer Society, 2010, 3507-3511.

[4] 劉曉偉.電動汽車動態(tài)無線充電溫度與磁場檢測技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2019.

[5] 孫文慧.電動汽車無線充電系統(tǒng)負載特性研究[D].南京:東南大學,2015.

[6] 李響,何佳,董奇峰.無線充電器安全測試需求與分析[J].數(shù)字通信世界,2019(10):16-17,4.

Design of Wireless Charging Intelligent Test System

Lu Qiwen1,2Sun Cheng2Deng Yaohua2

(1.Foshan ShiKe Intelligent Technology Co., Ltd. Foshan 528200, China 2.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

This paper points at the industry problem that the level of digitization and intelligence in existing wireless charging products test equipment is relatively low, it carries out the design of wireless charging intelligent test system based on the research of wireless charging products intelligent test methods. The system consists of three parts: a three-axis test bench, a test instrument, and a control analysis software. Through this system, it realized automatic testing of wireless charging test items of low-power wireless charging products such as charging efficiency area, charging temperature rise, and load characteristics, so as to test the working performance of wireless charging products. The experiment showed that the test system carried out wireless charging test accurately and efficiently, the test result were analyzed and output, and finally this system achieved wireless charging automatic test, and improved the test efficiency and accuracy.

wireless charging; test system; charging efficiency; charging temperature rise; load characteristics

盧綺雯，女，1982年生，碩士研究生，主要研究方向：智能測控。E-mail: 24084480@qq.com

孫成，男，1992年生，碩士研究生，主要研究方向：儀器儀表工程。

鄧耀華，男，1978年生，教授，主要研究方向：數(shù)字控制、機器視覺。

TB973

A

1674-2605(2020)04-0009-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.009