盧綺雯 孫成 鄧耀華

無(wú)線充電智能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(xué)，廣東 廣州 510006）

針對(duì)現(xiàn)有無(wú)線充電產(chǎn)品測(cè)試設(shè)備數(shù)字化、智能化程度較低等問(wèn)題，在對(duì)無(wú)線充電產(chǎn)品智能測(cè)試方法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)無(wú)線充電智能測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三軸測(cè)試平臺(tái)、測(cè)試儀器、無(wú)線充電控制分析軟件3部分，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率無(wú)線充電產(chǎn)品的充電效率面積、充電溫升、負(fù)載特性等無(wú)線充電測(cè)試項(xiàng)目的自動(dòng)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明：該測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確高效地進(jìn)行無(wú)線充電測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果分析和輸出，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的自動(dòng)化測(cè)試，提高測(cè)試效率和精度。

無(wú)線充電；測(cè)試系統(tǒng)；充電效率；充電溫升；負(fù)載特性

0 引言

近年來(lái)，隨著無(wú)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(jī)構(gòu)對(duì)無(wú)線充電技術(shù)進(jìn)行研究，越來(lái)越多的無(wú)線充電產(chǎn)品出現(xiàn)在市面[1-3]。無(wú)線充電產(chǎn)品在研發(fā)和生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)其性能和安全情況進(jìn)行多項(xiàng)測(cè)試，然而傳統(tǒng)無(wú)線充電測(cè)試采用功能分離、分步式測(cè)試方法，不僅工作效率低下，且步驟繁瑣，難以做到各個(gè)環(huán)節(jié)多路數(shù)據(jù)的同步記錄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試。本文對(duì)小功率無(wú)線充電智能測(cè)試方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)無(wú)線充電智能測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小功率無(wú)線充電產(chǎn)品的充電效率面積、充電溫升[4]、負(fù)載特性[5]的自動(dòng)測(cè)試。

1 無(wú)線充電智能測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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

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

圖1 無(wú)線充電智能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 無(wú)線充電測(cè)試方法研究

2.1 充電效率面積測(cè)試方法

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

圖2 充電效率面積測(cè)試點(diǎn)示意圖

功率計(jì)測(cè)量0 W~120 W范圍內(nèi)的功率值，通過(guò)發(fā)射端和接收端測(cè)量的功率值，計(jì)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(jì)算如式(1)。功率計(jì)能夠自動(dòng)調(diào)整直接測(cè)量并顯示，通過(guò)LAN連接PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，配合集成測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)控制分析，包括參數(shù)設(shè)置、測(cè)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(cè)試是指搜索出有效充電點(diǎn)，并記錄繪制充電效率面積圖。本系統(tǒng)采用粗略點(diǎn)測(cè)試和集中點(diǎn)測(cè)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(cè)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(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集；然后，設(shè)定充電溫升測(cè)試時(shí)長(zhǎng)和溫度采集時(shí)間間隔，并將接收端裝置移動(dòng)到設(shè)定好的無(wú)線充電位置進(jìn)行充電；最后，溫度采集模塊按溫度采集時(shí)間間隔進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和記錄，直到完成充電溫升測(cè)試時(shí)長(zhǎng)。充電溫升測(cè)試流程如圖4所示，其中T表示充電溫升測(cè)試時(shí)長(zhǎng)；T表示溫度采集時(shí)間間隔。

由于無(wú)線充電產(chǎn)品充電過(guò)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(cè)試可在規(guī)定工作范圍內(nèi)的任何環(huán)境溫度下進(jìn)行[6]。在進(jìn)行充電溫升測(cè)試前，首先，需設(shè)定安全充電溫度值；然后，通過(guò)式(2)進(jìn)行溫升測(cè)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(cè)試溫度值max為安全充電溫度限值；env為測(cè)試時(shí)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(cè)試流程

2.3 負(fù)載特性測(cè)試方法

對(duì)于無(wú)線充電產(chǎn)品，不同負(fù)載的接入會(huì)引起系統(tǒng)諧振頻率的改變，進(jìn)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(jìn)行功率輸出。隨著無(wú)線充電過(guò)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(fù)載特性在充電過(guò)程中會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致充電效率降低。

本文采用直流電子負(fù)載模擬不同的負(fù)載對(duì)負(fù)載特性進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。通過(guò)設(shè)定最大和最小負(fù)載以及負(fù)載測(cè)試點(diǎn)數(shù)，改變電子負(fù)載阻值的大小，對(duì)輸出功率和充電效率進(jìn)行測(cè)試記錄，以分析在接入不同的負(fù)載時(shí)，無(wú)線充電產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率。

圖5 負(fù)載特性測(cè)試方法

3 實(shí)驗(yàn)與分析

圖6 發(fā)射端裝夾實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)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(fù)載阻值為6.4 Ω。

3.1 充電效率面積測(cè)試

設(shè)置測(cè)試中心點(diǎn)坐標(biāo)為發(fā)射端中心，方向測(cè)試范圍為82 mm，步進(jìn)距為1 mm；方向測(cè)試范圍為38 mm，步進(jìn)距為1 mm；方向測(cè)試高度為6 mm，即發(fā)射端和接收端的充電距離。通過(guò)測(cè)試得到如圖7所示的充電效率面積圖，其中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)上的數(shù)值為該測(cè)試點(diǎn)的無(wú)線充電轉(zhuǎn)換效率值，范圍為0%~100%，最終通過(guò)軟件分析，輸出測(cè)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(cè)試結(jié)果

由圖7可以看出：無(wú)線充電發(fā)射端3個(gè)線圈形狀輪廓，其中輪廓內(nèi)部測(cè)試點(diǎn)為可充電區(qū)域，輪廓外部測(cè)試點(diǎn)為非充電區(qū)域。從具體每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的轉(zhuǎn)換效率值來(lái)看，越靠近線圈中心區(qū)域的測(cè)試點(diǎn)，轉(zhuǎn)換效率越高，且沒(méi)有測(cè)試到充電壞死區(qū)。測(cè)試結(jié)果顯示在6 mm的測(cè)試距離，負(fù)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(cè)試時(shí)間為83 min，可以準(zhǔn)確高效地測(cè)試出充電效率面積。

3.2 充電溫升測(cè)試

充電溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)首先把連接溫度采集器的16路熱電偶溫度探頭固定在無(wú)線充電發(fā)射端的表面；然后，設(shè)置測(cè)試儀器參數(shù)，在軟件上設(shè)置充電溫升測(cè)試坐標(biāo)點(diǎn)為發(fā)射端中心，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為1 h，溫度采集時(shí)間間隔為5 s；最后，進(jìn)行充電溫升測(cè)試，控制三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)將接收端移動(dòng)到測(cè)試坐標(biāo)點(diǎn)，按采集時(shí)間間隔進(jìn)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(shì)圖。

圖8 充電溫升趨勢(shì)圖

由圖8可知：無(wú)線充電產(chǎn)品的發(fā)射端在1 h內(nèi)的充電過(guò)程中，隨著充電時(shí)間的延長(zhǎng)，其表面溫度會(huì)逐漸升高，平均溫度從開(kāi)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(wú)線充電安全溫度范圍內(nèi)，溫升測(cè)試結(jié)果合格。

3.3 負(fù)載特性測(cè)試

設(shè)定測(cè)試坐標(biāo)點(diǎn)為發(fā)射端中心點(diǎn)，最大負(fù)載功率為9.8 W，最小負(fù)載功率為0.8 W，負(fù)載測(cè)試次數(shù)為10，所以每次負(fù)載功率變化量為1 W。由于每次負(fù)載功率改變需等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，再進(jìn)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(shí)間為12 s。負(fù)載特性測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知：負(fù)載功率從0.8 W開(kāi)始改變，逐漸增大到9.8 W；無(wú)線充電的轉(zhuǎn)換效率也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，由21.8%逐漸增大到61.5%；表明負(fù)載功率值越大，無(wú)線充電的轉(zhuǎn)換效率會(huì)越高。

表3 負(fù)載特性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了無(wú)線充電產(chǎn)品的測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了一種用于小功率無(wú)線充電的智能測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)（限于篇幅未將所有的測(cè)試數(shù)據(jù)列舉到本文）和實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確高效地完成充電效率面積、充電溫升、負(fù)載特性的無(wú)線充電測(cè)試，并輸出測(cè)試和分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電的自動(dòng)化測(cè)試，提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確度。

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

[2] 黃學(xué)良,譚林林,陳中,等.無(wú)線電能傳輸技術(shù)研究與應(yīng)用綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(10):1-11.

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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(cè)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(jī)器視覺(jué)。

TB973

A

1674-2605(2020)04-0009-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.009