CN106405332A - 一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，对连续运行的无线能量传输系统性能进行测试。首先在空旷的非导电介质实物平台上搭建用于向智能电网监测终端进行供电的无线能量传输系统，选取对系统工作性能影响显著的环境温度和湿度两个因素，将实验分为同一天中连续监测12小时每间隔1小时整点测量一次和连续监测12天每天测量2组数据两个部分，然后再相对应的测量时间点下记录系统原边线圈电压、电流值和副边线圈电压、电流值，并选取5个不同的位置测量系统的电场强度和磁场强度，最后将所得的数据绘制成曲线进行分析。测试结果表明，环境因素对连续运行下的系统性能的影响较小，在自然环境中，系统可以长期稳定运行。

Description

一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，尤其涉及一种磁共振式无线电能传输系统的连续运行性能测试方法。

背景技术

电力系统中输配电线路的可靠性及运行情况直接决定着整个电力系统的稳定和安全。为此在输配电线路上大都采用了在线监测设备，以确保使其始终良好运行。但目前这些设备使用的风电、太阳能供电方式极易受地域天气影响，可靠性低、稳定性差、维护成本高。特别是在荒漠、深山密林等人迹罕至地区，复杂恶劣的气候环境下，监测设备的供电成为难题。

而新型的磁共振式无线电能传输技术是一种依靠磁场作为介质将电能传递至用电设备的技术，具有受天气变化影响小，基本无需维护，中距离传输等特点。该技术利用两个或多个具有相同谐振频率及高品质因数的电磁系统，通过工作于特定频率的电感及电容作用产生电磁谐振，高频能量发生大比例交换并被负载吸收，可在数米范围内实现无线供电，存在障碍物时也能高效传输。由于该技术比微波无线电能传输技术效率高，比感应耦合无线电能传输技术传输距离远，可以实现中等距离高效无线电能传输，具有重要的研究意义和实用价值，非常适用于对电力系统中输配线路的在线监测设备进行供电。

但这种磁共振无线能量传输系统在连续运行过程中会由于周围环境因素(如温度、湿度)，而使系统的原边线圈输入电压、输入电流，副边线圈输出电压、输出电流和元器件受到影响，进而影响到系统运行的稳定性。因此，为了保证无线能量传输系统能够稳定有效地长时间运行，就需要一种测试方法能够在系统运行过程中对系统的性能参数变化和元器件温度改变进行测试，以便于了解环境因素对系统指标参数和元器件的影响程度，从而提出相应的改进措施。

发明内容

本发明提供了一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，首先通过选用合适的器件，搭建出了可进行实际应用的无线能量传输系统，并对系统各组成部分进行合理的布局，选取合适的测量点和测量时间，对系统运行过程中主要的环境因素(温度和湿度)进行测定，并同时测量相应条件下系统的原边线圈输入电压、电流值，副边线圈输出电压、电流值和元器件温度。运用该测试方法能够有效地判断出系统运行过程中环境因素对系统性能的影响，从而保证系统长期稳定地运行。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：基于磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，所述测试方法以智能电网监测终端的无限能量传输系统为研究对象，测试内容分为一日内连续12小时运行实验和12日连续288小时运行实验两个部分，在系统连续运行的情况下测试环境温度和湿度对系统性能的影响，主要包括以下步骤：

步骤1、在空旷的非导电介质平台上，选用合适的器件，搭建出无线能量传输系统；

步骤2、确定测量方案，选取所需测量的环境因素(温度、湿度)和系统指标参数(谐振线圈的电流电压)；

步骤3、选取系统的主要元器件，测量其温度随环境因素的变化量；

步骤4、选取适宜的位置，测量系统的电场、磁场强度；

步骤5、准确记录测量数据，并进行处理分析；

步骤6、通过对测量数据的分析，判定环境因素对系统连续运行性能的影响，以确定系统的稳定性能。

所述的步骤1中，无线能量传输系统包括电源、高频逆变电路、发射端线圈部分、接收端线圈部分、整流电路和负载；发射端线圈部分包括原边线圈L1和原边电容C1，两者串联连接；接收端线圈包括副边线圈L2和副边电容C2，两者串联连接；

所选用的主要元器件包括参数值如下：原、副边线圈均采用丝包的漆包线绕制，圈数为19圈，树脂密封；原边线圈L1电感值为260uH，电阻值为0.3Ω，寄生电容值为4uF；副边线圈L2电感值为255uH，电阻值为0.31Ω，寄生电容值为3.8uF；原边和副边的电容C1、C2分别为485pF、486pF；原边等效电阻R1包含直流供电电源内阻和交流电源的逆变电路电阻；直流供电电源内阻为0.21Ω，逆变电路电阻为2.6Ω；R2等效电阻为副边回路电阻(即不含线圈、负载的引线电阻)，其值为0.5Ω；RL负载为额定功率20w的灯泡，其电阻值为5Ω。

在所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法中，步骤1的实现包括以下步骤：

步骤1.1、选取合适的非导电介质平台，要求安全、可靠、易操作，并可在测量实验期间防止无关人员进入；

步骤1.2、无线能量传输系统包括电源部分、发射端线圈部分、接收端线圈部分和负载部分，选取合适的器件，分别搭建出系统的各个部分；

步骤1.3、按照无线能量系统接线原理图，依次接线，搭建无线供电实验系统，保证传输距离为1米，并做好记录；

步骤1.4、反复多次检查线路，确保接线无误、安全可靠，接通电源，并进行调试，调节信号发生器的频率，使系统工作在良好的工作状态，并记录此时的频率值，准备正式运行实验。

在所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法中，步骤2的实现包括以下步骤：

步骤2.1，将测量实验分为两个部分，实验一为同一天中连续监测12小时每间隔1小时整点测量一次，时间采集点从早上10点至晚上10点，实验二为连续监测12天，监测数据为每天早9点和晚9点的整点测量值，每天2组数据，共24组数据；

步骤2.2，采用专用距离测温仪TN20，测量时所持设备距离被测参数目标物体的距离约为0.5m，测量相应时间点下的环境温度并记录此时环境湿度，读取各电表示数，记录系统原边线圈电压电流，副边线圈电压电流。

在所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法中，步骤3的实现包括以下步骤：

步骤3.1、选取对系统稳定性影响较大的元器件，包括三极管、电解电容、二极管、瓷片电容、74HC14芯片、75174芯片、IR2110芯片、副边瓷片电容、副边电解电容、副边二极管；

步骤3.2、在步骤2所确定的测量时间点下，测量步骤3.1中选取的各器件在对应条件下的温度。

在所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法中，步骤4的实现包括以下步骤：

步骤4.1、选取5个具有代表性的位置(位置1距副边线圈0.5m，位置2距中心0.5m，位置3距原边线圈0.5m，位置4距中心0.5m，位置5与位置4相距0.5m)；

步骤4.2、采用专用的电磁场测量仪LZT-1000，在步骤2所确定的测量时间点下，在步骤4.1中选取的5个位置，分别测量电场强度和磁场强度。

在所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法中，步骤5的实现包括以下步骤：

步骤5.1、准确记录各次测量所获得的数据，将记录的数据在MATLAB中绘制成曲线；

步骤5.2、观察步骤5.1所得的曲线走势，并选取合适的测量数据进行计算，分析环境因素对连续运行下的系统性能的影响。

在所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法中，步骤6的实现包括以下步骤：

步骤6.1、分析步骤5中所得的曲线及计算结果，在环境因素改变的情况下观察系统运行性能的曲线走势，判定环境温度和环境湿度两个因素对系统的影响是否在合理范围内；

步骤6.2、通过该测试方法确定系统在连续运行情况下各器件工作的可靠性及系统的有效稳定性。

所述步骤6中，通过对测量数据进行分析可知环境因素对连续运行下的系统性能的影响较小，在自然环境中，系统可以长期稳定运行。

本发明基于磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，以智能电网监测终端的无限能量传输系统为研究对象，对连续运行的无线能量传输系统性能进行测试，首先在空旷的非导电介质平台上搭建了用于向智能电网监测终端进行供电的无线能量传输系统，选取对系统工作性能影响较大的环境温度和湿度两个因素，将实验分为同一天中连续监测12小时每间隔1小时整点测量一次和连续监测12天(288小时)每天测量2组数据两个部分，两部分实验分别进行，然后在相对应的测量时间点下记录系统原边线圈电压、电流值和副边线圈电压、电流值，并选取5个不同的位置测量系统的电场强度和磁场强度，最后将所得的数据导入到MATLAB中，绘制成曲线进行分析。从而确定环境因素对连续运行下的系统性能的影响及系统连续运行的稳定性。

本发明的有益效果：本发明提出了一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，将用于为智能电网监测终端提供电能的无限能量传输系统布置在实际的自然环境中，可以使所得的实验结果更加合理可靠。该测量方法通过两组实验，分别以12小时和12天作为时间周期，使得测量结果更具有代表性。无线能量传输技术作为一种新颖且极具潜力的技术，其系统运行的长期稳定性，直接关系到该技术的推广普及和产业化应用。应用该测量方法可以确定环境因素对系统连续运行性能的影响，对无线能量传输系统的稳定性具有重要意义，有利于磁共振式无线能量传输技术的产业化推广。

附图说明

图1智能电网监测终端的无线能量传输系统结构图；

图2无线电能传输系统电路原理图；

图3电磁场强度测量点示意图；

图4连续12小时监测时输入端电压、电流与温、湿度曲线图；

图5连续12小时监测时输出端电压、电流与温、湿度曲线图；

图6连续12天监测时输入端电压、电流与温、湿度曲线图；

图7连续12天监测时输出端电压、电流与温、湿度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一特征和第二特征可能不是直接接触。

本发明的实施例基于上述技术方案以室外搭建的智能电网监测终端的无线电能传输系统为例(如图1所示)，对系统的连续运行性能进行测试，主要包括以下步骤：

步骤1、在空旷的非导电介质平台上，选用合适的器件，搭建出无线能量传输系统。主要包括以下子步骤：

步骤1.1、选取合适的非导电介质平台，平台约2.5mX1m，要求安全、可靠、易操作，并可在测量实验期间防止无关人员进入；

步骤1.2、无线能量传输系统包括电源、发射端线圈、接收端线圈和负载四个部分，其电路原理图如图2所示。系统所选用的主要元器件参数值确定如下：原、副边线圈均采用丝包的漆包线绕制，圈数为19圈，树脂密封。原边线圈L1电感值为260uH，电阻值为0.3Ω，寄生电容值为4uF。副边线圈L2电感值为255uH，电阻值为0.31Ω，寄生电容值为3.8uF。原边和副边的电容C1、C2分别为485pF、486pF。原边等效电阻R1包含直流供电电源内阻和交流电源的逆变电路电阻。直流供电电源内阻为0.21Ω，逆变电路电阻为2.6Ω。R2等效电阻为副边回路电阻(即不含线圈、负载的引线电阻)，其值为0.5Ω。RL负载为额定功率20w的灯泡，其电阻值为5Ω。

步骤1.3、按照无线能量传输系统接线原理图，依次接线，搭建无线供电实验系统，保证传输距离为1米，并做好记录；

步骤1.4、反复多次检查线路，确保接线无误、安全可靠，接通电源，并进行调试，调节信号发生器的频率，使系统工作在良好的工作状态，并记录此时的频率值，准备正式运行实验。

步骤2、确定测量方案，选取所需测量的环境因素(温度、湿度)和系统指标参数(谐振线圈的电流电压)。主要包括以下子步骤：

步骤2.1、将测量实验分为两个部分，实验一为同一天中连续监测12小时每间隔1小时整点测量一次，时间采集点从早上10点至晚上10点，实验二为连续监测12天(288小时)，监测数据为每天早9点和晚9点的整点测量值，每天2组数据，共24组数据；

步骤2.2、采用专用距离测温仪TN20，测量时所持设备距离被测参数目标物体的距离约为0.5m，测量相应时间点下的环境温度并记录此时环境湿度，读取各电表示数，记录系统原边电压电流，副边电压电流。

步骤3、选取系统的主要元器件，测量其温度随环境因素的变化量。主要包括以下子步骤：

步骤3.1、选取对系统稳定性影响较大的元器件，包括三极管、电解电容、二极管、瓷片电容、74HC14芯片、75174芯片、IR2110芯片、副边瓷片电容、副边电解电容、副边二极管；

步骤3.2、在步骤2所确定的测量时间点下，按规范，使用红外测温仪测量步骤3.1中选取的各电力电子器件在对应条件下的温度。

步骤4、选取适宜的位置，测量系统的电场、磁场强度。主要包括以下子步骤：

步骤4.1、在系统谐振线圈附件选取5个具有代表性的位置，如图3所示(位置1距副边线圈0.5m，位置2距中心0.5m，位置3距原边线圈0.5m，位置4距中心0.5m，位置5与位置4相距0.5m)；

步骤4.2、按规范，采用专用的电磁场测量仪LZT-1000，在步骤2所确定的测量时间点下，在步骤4.1中选取的5个位置，分别依次测量各点电场强度、磁场强度，并做好记录。

步骤5、准确记录测量数据，并进行处理分析。主要包括以下子步骤：

步骤5.1、准确记录各次测量所获得的数据，实验完成后，关闭实验系统电源，整理好实验装备器材，并将记录的数据在MATLAB中绘制成曲线，两组实验数据分别如图4、5、6、7所示；

步骤5.2、观察步骤5.1所得的曲线走势，并选取合适的数据进行计算，分析环境因素对连续运行下的系统性能的影响。

步骤6、通过对测量数据的分析，判定环境因素对系统连续运行性能的影响，以确定系统的稳定性能。主要包括以下子步骤：

步骤6.1、分析步骤5中所得的曲线及计算结果，在环境因素改变的情况下观察系统运行性能的曲线走势，结合曲线走势和计算结果可以看出环境温度和环境湿度两个因素对系统的影响在合理范围内；

步骤6.2、通过该测试方法可以确定系统在连续运行情况下各器件可以可靠有效地工作且系统具有较高的稳定性。

本发明实施例详细地阐述一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，通过该方法可以确定环境因素对智能电网监测终端的无线供电系统连续运行性能的影响，可以确保系统在实际生产环境中应用的长期稳定性，有利于磁共振式无线能量传输技术的推广应用与产业化生产。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (7)

1.一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在空旷的非导电介质实物平台上，搭建出无线能量传输系统；

步骤2、确定测量方案，选取所需测量的环境因素和系统指标参数；

步骤3、选取系统的主要元器件，测量其温度随环境因素的变化量；

步骤4、在谐振线圈中心和两端对称的位置上选取5个测量点，测量系统的电场、磁场强度；

步骤5、准确记录测量数据，并进行处理分析；

步骤6、通过对测量数据的分析，判定环境因素对系统连续运行性能的影响，以确定系统的稳定性能。

2.根据权利要求1所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，所述的步骤1中，无线能量传输系统包括电源、高频逆变电路、发射端线圈部分、接收端线圈部分、整流电路和负载；发射端线圈部分包括原边线圈L1和原边电容C1，两者串联连接；接收端线圈包括副边线圈L2和副边电容C2，两者串联连接；

无线能量传输系统包括的的元器件及其参数值如下：原、副边线圈均采用丝包的漆包线绕制，圈数为19圈，树脂密封；原边线圈L1电感值为260uH，电阻值为0.3Ω，寄生电容值为4uF；副边线圈L2电感值为255uH，电阻值为0.31Ω，寄生电容值为3.8uF；原边和副边的电容C1、C2分别为485pF、486pF；原边等效电阻R1包含直流供电电源内阻和交流电源的逆变电路电阻；直流供电电源内阻为0.21Ω，逆变电路电阻为2.6Ω；R2等效电阻为副边回路电阻，其值为0.5Ω；RL负载为额定功率20w的灯泡，其电阻值为5Ω。

3.根据权利要求2所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，所述的步骤2中，测量方案如下：

步骤2.1，将测量实验分为两个部分，实验一为同一天中连续监测12小时每间隔1小时整点测量一次，时间采集点从早上10点至晚上10点，实验二为连续监测12天，监测数据为每天早9点和晚9点的整点测量值，每天2组数据，共24组数据；

步骤2.2，采用专用距离测温仪TN20，测量时所持设备距离被测参数目标物体的距离约为0.5m，测量相应时间点下的环境温度并记录此时环境湿度，读取各电表示数，记录系统原边线圈电压电流，副边线圈电压电流。

4.根据权利要求3所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，所述的步骤3中选取的主要元器件包括高频逆变电路中的三极管、电解电容、二极管、瓷片电容、74HC14芯片、75174芯片、IR2110芯片和整流电路中的副边瓷片电容、副边电解电容、副边二极管。

5.根据权利要求4所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，所述的步骤4中，为测量系统的电场、磁场强度，在系统谐振线圈周围选取的5个位置分别为位置1距副边线圈0.5m，位置2距中心0.5m，位置3距原边线圈0.5m，位置4距中心0.5m，位置5与位置4相距 0.5m。

6.根据权利要求5所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，所述的步骤5中，将测量得到的数据导入至MATLAB中，绘制成曲线图，并对测量数据进行计算，结合曲线图走势和计算结果分析环境因素对磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能的影响。

7.根据权利要求6所述的一种磁共振式无线能量传输系统的连续运行性能测试方法，其特征在于，所述步骤6的实现包括以下步骤：

步骤6.1、分析步骤5中所得的曲线及计算结果，在环境因素改变的情况下观察系统运行性能的曲线走势，判定环境温度和环境湿度两个因素对系统的影响是否在合理范围内；

步骤6.2、通过该测试方法确定无线能量传输系统在连续运行情

况下各器件工作的可靠性及系统的有效稳定性。