CN110995321B - 基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法，用参考发射端测试产品RA，用参考接收端测试产品TA，避免了不同产品间盲目的交叉测试。测试对象和评判指标是TA侧线圈安匝数和RA侧线圈安匝数(分别表示为N₁I₁和N₂I₂，其中N代表线圈匝数。I代表线圈中通过电流有效值)。在输出功率达标的前提下，当被测产品与参考设备线圈安匝数在参考取值区域内，则认为被测产品通过互操作性评判，具有互操作性。相比于现有方法，不仅可以评判被测产品是否具有互操作性，还可以解释产品电气参数对互操作性的影响，指导产品设计。

Description

基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互 操作性测试方法

技术领域

本发明属于电动汽车无线充电技术领域，特别是涉及基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法。

背景技术

近年来，由于安全、便捷、自动化程度高等特点，无线充电技术在电动汽车充电领域获得广泛应用。电动汽车无线充电设备的结构及工作过程如下：地面侧——整流器通过AC-DC转换将工频交流电转换为直流电，逆变器通过DC-AC转换将直流电逆变为高频交流电，逆变器输出的交流电流通入安装在地面或地下的发射线圈中，在充电区域内产生高频电磁场；车辆侧——安装在汽车底盘的接收线圈接收到发射线圈的高频电磁场，产生高频电压，再经过整流电路转化为直流电，用以给车载电池充电。

电动汽车无线充电系统磁传输部件的互操作性是指不同厂家的发射端(transmitting assembly，TA，包括发射线圈和原边补偿网络)和接收端(receivingassembly，RA，包括接收线圈和副边补偿网络)产品相互使用时，系统传输功率、传输效率不出现下降的性能。由于无线充电设备自身存在较多的技术路线分支，在功率等级、传输距离、线圈类型及结构、工作频率、补偿网络拓扑等结构和参数上有较大区别。在无线充电技术普及后，必然会存在多厂家、多产品、多技术路线并存的局面。如果不同厂家的无线充电设备之间不能满足互操作性要求，一方面可能造成极大的电力资源浪费(充电效率低下)，甚至完全无法充电；另一方面则可能造成安全隐患(鉴权与计费失误、保护失效、电磁泄漏等)，甚至造成设备与人身危害。因此，确保无线充电设备的互操作性是产业发展壮大的关键因素之一。

电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性的物理核心是线圈类型与补偿网络拓扑之间的兼容性。线圈方面，目前电动汽车无线充电设备相关产品普遍采用两种线圈结构：美国WiTricity公司使用的圆形线圈和美国高通公司使用的DD型线圈。补偿网络拓扑方面：目前串联、并联、LCL、LCC等补偿拓扑都被广泛应用。当发射端(线圈和补偿网络)和接收端(线圈和补偿网络)结构不同时，可能造成无线充电设备无法正常工作，无法保证不同厂家产品间的互操作性(不同类型线圈、不同补偿网络拓扑间的兼容性)。一旦电动汽车无线充电产品被推向市场，具备互操作性将成为产品的竞争优势。为满足互操作性，实现与其他产品间的互联互通，在产品推向市场前需经过具备资质的测试机构对其与现有产品间的互操作性进行测试，满足标准后方可进入市场。

由于互操作性涉及到不同产品间交叉性能测试，互操作性测试本质上与以输出功率、效率、电磁兼容水平等为对象的传统测试不同。然而，现有电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试及通过性评判方法存在严重缺陷，主要有：

1、现有测试方法是基于产品间交叉测试，测试工作量大。为全面测试所有产品间互操作性，需要对所有产品发射端和接收端互操作时的功率和效率进行交叉测试。一方面，测试过程对测试机构提出了苛刻的要求，遍历所有产品将带来极大的工作量，同时存在很大一部分重复测试，显然不适合产品互操作性通过评判；另一方面，由于缺乏量规设备，无法对测试结果进行溯源，即无法指导产品优化设计；

2、现有通过性评判方法是通过传输功率和效率直接评价互操作性，无法指导产品优化设计。一方面，交叉测试只能形成相应产品功率和效率是否达标的测试表格，无法给出是否满足互操作性的测试集合或标准取值区域；另一方面，功率效率只能描述二端口网络的整体特性，无法对产品不满足互操作性的原因做出分析和解释，即无法给出哪些因素影响了互操作性；

3、现有测试方法是基于功率分析仪测试，准确性较低。根据磁传输部件效率的计算表达式，可知效率测试涉及发射端和接收端的电压、电流有效值以及二者相位差。一方面，由于功率分析仪测试使用不同精度等级的电流/电压传感器模块，测试设备的精度对最终结果可能造成严重影响；另一方面，目前对于高频相位的测量难以做到完全精确，即便使用高精度功率分析仪，也会引入测量误差。

发明内容

本发明为了解决现有的技术问题，提出基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法，包括以下步骤：

步骤一：确定参考发射端和参考接收端，用参考发射端测试产品RA，用参考接收端测试产品TA，参数设计参照电动汽车无线充电国际标准中不同功率等级、不同气隙的发射和接收线圈及补偿网络拓扑参数；

步骤二：确定线圈安匝数参考取值区域；将参考TA和参考RA分别作为发射和接收端；设定初始工作点，包括将输出有功功率P_out设置为相应功率等级要求值、设定XYZ方向均无偏移时参考TA与参考RA的相对位置；调节测试用电源输出电压，当P_out达到设定值时，将此时参考TA线圈和参考RA线圈中电流I₁与I₂作为标准值I_1-nom与I_2-nom，进一步得到此时N₁I₁和N₂I₂作为线圈安匝数参考取值区域的组成点；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤，获取线圈安匝数参考取值区域；其中N代表线圈匝数；

步骤三：测试产品RA；将参考TA和产品RA分别作为发射端和接收端；在初始工作点处，调节电源电压，使P_out达标；若P_out达标，测量参考TA和产品RA的线圈电流I₁和I₂，进一步获取参考TA和产品RA的安匝数N₁I₁和N₂I₂；若N₁I₁和N₂I₂满足安匝数参考取值区域，则判定产品RA在初始工作点满足互操作性要求，反之不然；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤；所有位置点安匝数N₁I₁和N₂I₂测试结果均在安匝数参考取值区域内是判定产品RA满足互操作性要求的充要条件；

步骤四：测试产品TA；将产品TA和参考RA分别作为发射端和接收端；在初始工作点处，调节电源电压，使P_out达标；若P_out达标，测量产品TA和参考RA的线圈电流I₁和I₂，进一步获取产品TA和参考RA的安匝数N₁I₁和N₂I₂；若N₁I₁和N₂I₂满足安匝数参考取值区域，则判定产品TA在初始工作点满足互操作性要求，反之不然；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤。所有位置点安匝数N₁I₁和N₂I₂测试结果均在安匝数参考取值区域内是判定产品TA满足互操作性要求的充要条件；

步骤五：根据线圈安匝数测试结果，给出产品RA和TA互操作性测试评判结论。

进一步地，在步骤二中测得参考TA与参考RA之间的互感系数M₀，根据式(1)和(2)计算得到参考RA回路阻抗实虚部之比Δ；根据式(3)计算得到输出有功功率P_out条件下参考TA与参考RA线圈安匝数N₁I₁和N₂I₂之比λ；根据式(5)计算得到参考RA线圈中输出有功功率P_out条件下电流I_2-nom，进一步得到参考值N₁I_1-nom和N₂I_2-nom，作为安匝数参考取值区域的组成点；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤，获取线圈安匝数参考取值区域；

其中以RA侧LCC补偿拓扑为例，Z_RA参考阻抗可由式(2)计算得到：

其中，norm表示归一化，系统工作角频率ω，L_s2为接收端补偿电感，C_s2为接收端并联补偿电容，R_L为等效负载，C₂为接收端串联补偿电容；

N₂为接收线圈匝数。

附图说明

图1是RA侧LCC补偿网络拓扑图；其中L₂为接收线圈电感；

图2是产品RA的测试图；

图3是产品TA的测试图；

图4是线圈安匝数参考取值区域及所有位置点线圈安匝数测试结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明选择现有电动汽车无线充电国际标准(如SAE、IEC和ISO等)中推荐使用的发射端和接收端，分别作为参考源，即参考发射端和参考接收端。对于任意产品的测试，可将参考发射端和参考接收端作为量规设备和测试基准，即用参考发射端测试产品RA，用参考接收端测试产品TA，避免了不同产品间盲目的交叉测试。测试对象和评判指标是TA侧线圈安匝数和RA侧线圈安匝数(分别表示为N₁I₁和N₂I₂，其中N代表线圈匝数。I代表线圈中通过电流有效值)。在输出功率达标的前提下，当被测产品与参考设备线圈安匝数在参考取值区域内，则认为被测产品通过互操作性评判，具有互操作性。

本发明提出基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法，包括以下步骤：

步骤一：确定参考发射端和参考接收端(包括发射和接收线圈、发射和接收补偿网络拓扑)，参数设计可参照电动汽车无线充电国际标准(如SAE、IEC和ISO等)中不同功率等级、不同气隙的发射和接收线圈及补偿网络拓扑参数；

步骤二：确定线圈安匝数参考取值区域。将参考TA和参考RA分别作为发射和接收端。设定初始工作点，包括将输出有功功率P_out设置为相应功率等级要求值(如3.3kW和6.6kW)、设定XYZ方向均无偏移时参考TA与参考RA的相对位置。调节测试用电源输出电压，当P_out达到设定值时，将此时参考TA线圈和参考RA线圈中电流I₁与I₂作为标准值I_1-nom与I_2-nom，进一步得到此时N₁I₁和N₂I₂作为线圈安匝数参考取值区域的组成点。改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤，获取线圈安匝数参考取值区域；

在步骤二中测得参考TA与参考RA之间的互感系数M₀。根据式(1)和(2)计算得到参考RA回路阻抗实虚部之比Δ。根据式(3)计算得到输出有功功率P_out条件下参考TA与参考RA线圈安匝数N₁I₁和N₂I₂之比λ。根据式(5)计算得到参考RA线圈中输出有功功率P_out条件下电流I_2-nom，进一步得到参考值N₁I_1-nom和N₂I_2-nom，作为安匝数参考取值区域的组成点。改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤，获取线圈安匝数参考取值区域，如图4所示：当被测产品TA和参考设备RA、被测产品RA和参考设备TA线圈安匝数分别位于参考安匝数取值区域内，则产品TA和产品RA之间可实现互操作。

其中以图1所示RA侧LCC补偿拓扑为例，Z_RA参考阻抗可由式(2)计算得到：

其中，norm表示归一化，系统工作角频率ω，L_s2为接收端补偿电感，C_s2为接收端并联补偿电容，R_L为等效负载，C₂为接收端串联补偿电容；

N₂为接收线圈匝数。

结合图2，步骤三：测试产品RA。将参考TA和产品RA分别作为发射端和接收端。在初始工作点处，调节电源电压，使P_out达标。若P_out达标，测量参考TA和产品RA的线圈电流I₁和I₂，进一步获取参考TA和产品RA的安匝数N₁I₁和N₂I₂。若N₁I₁和N₂I₂满足安匝数参考取值区域，则判定产品RA在初始工作点满足互操作性要求，反之不然。改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤。所有位置点安匝数N₁I₁和N₂I₂测试结果均在安匝数参考取值区域内是判定产品RA满足互操作性要求的充要条件；

结合图3，步骤四：测试产品TA。将产品TA和参考RA分别作为发射端和接收端。在初始工作点处，调节电源电压，使P_out达标。若P_out达标，测量产品TA和参考RA的线圈电流I₁和I₂，进一步获取产品TA和参考RA的安匝数N₁I₁和N₂I₂。若N₁I₁和N₂I₂满足安匝数参考取值区域，则判定产品TA在初始工作点满足互操作性要求，反之不然。改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤。所有位置点安匝数N₁I₁和N₂I₂测试结果均在安匝数参考取值区域内是判定产品TA满足互操作性要求的充要条件；

步骤五：根据线圈安匝数测试结果，给出产品RA和TA互操作性测试评判结论。

与现有技术相比，本发明具有以下有益成果：

1、相比于现有基于产品间交叉测试的测试方法，本发明提出的基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法引入了参考RA和参考TA，将产品间多次的重复交叉遍历测试转变为产品RA与参考TA、产品TA与参考RA的测试，极大程度上缩减了测试工作量。

2、采用本发明提出的方法，测试机构只需用一套量规设备(参考RA和参考TA)与不同产品进行测试，便可对市场上所有电动汽车无线充电系统磁传输部件产品间的互操作性进行测试与评判。解决现有测试方法缺乏量规设备和测试基准，难以推广至测试机构的问题。进一步，产品将以量规设备为目标优化互操作性设计，可指导产品开发。

3、本发明提出的方法，在测试产品RA和产品TA时只需要测量发射和接收线圈电流，传统方法需要测量发射和接收端电压、电流以及二者相位差，本方法减少了测量不确定度对最终结果带来的影响，因此提升了测试准确性。

4、本发明提出的方法可视化程度强，可将互操作性测试结果用线圈安匝数的方式直观给出，其中每个电气参数对互操作性的影响都可以从线圈安匝数对比图中看出。传统的测试方法只能得到是否具备互操作性的结论，无法具体解释原因。

以上对本发明所提供的基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.基于线圈安匝图解法的电动汽车无线充电系统磁传输部件互操作性测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：确定参考发射端和参考接收端，用参考发射端测试产品接收线圈，用参考接收端测试产品发射线圈，参数设计参照电动汽车无线充电国际标准中不同功率等级、不同气隙的发射和接收线圈及补偿网络拓扑参数；

步骤二：确定线圈安匝数参考取值区域；将参考发射线圈和参考接收线圈分别作为发射和接收端；设定初始工作点，包括将输出有功功率P_out设置为相应功率等级要求值、设定XYZ方向均无偏移时参考发射线圈与参考接收线圈的相对位置；调节测试用电源输出电压，当P_out达到设定值时，将此时参考发射线圈和参考接收线圈中电流I₁与I₂作为标准值I_1-nom与I_2-nom，进一步得到此时N₁I₁和N₂I₂作为线圈安匝数参考取值区域的组成点；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复步骤二的步骤，即确定线圈安匝数参考取值区域；其中N₁表示发射线圈匝数，N₂表示接收线圈匝数；

步骤三：测试产品接收线圈；将参考发射线圈和产品接收线圈分别作为发射端和接收端；在初始工作点处，调节电源电压，使P_out达标；若P_out达标，测量参考发射线圈和产品接收线圈的线圈电流I₁和I₂，进一步获取参考发射线圈和产品接收线圈的安匝数N₁I₁和N₂I₂；若N₁I₁和N₂I₂满足安匝数参考取值区域，则判定产品接收线圈在初始工作点满足互操作性要求，反之不然；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复步骤三的步骤；所有位置点安匝数N₁I₁和N₂I₂测试结果均在安匝数参考取值区域内是判定产品接收线圈满足互操作性要求的充要条件；

步骤四：测试产品发射线圈；将产品发射线圈和参考接收线圈分别作为发射端和接收端；在初始工作点处，调节电源电压，使P_out达标；若P_out达标，测量产品发射线圈和参考接收线圈的线圈电流I₁和I₂，进一步获取产品发射线圈和参考接收线圈的安匝数N₁I₁和N₂I₂；若N₁I₁和N₂I₂满足安匝数参考取值区域，则判定产品发射线圈在初始工作点满足互操作性要求，反之不然；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复步骤四的步骤，所有位置点安匝数N₁I₁和N₂I₂测试结果均在安匝数参考取值区域内是判定产品发射线圈满足互操作性要求的充要条件；

步骤五：根据线圈安匝数测试结果，给出产品接收线圈和发射线圈互操作性测试评判结论。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在步骤二中测得参考发射线圈与参考接收线圈之间的互感系数M₀，根据式(1)和(2)计算得到参考接收线圈回路阻抗实虚部之比Δ；根据式(3)计算得到输出有功功率P_out条件下参考发射线圈与参考接收线圈的线圈安匝数N₁I₁和N₂I₂之比λ；根据式(5)计算得到参考接收线圈中输出有功功率P_out条件下电流I_2-nom，进一步得到参考值N₁I_1-nom和N₂I_2-nom，作为安匝数参考取值区域的组成点；改变XYZ方向的位移，对所有位置点重复上述步骤，获取线圈安匝数参考取值区域；

其中以接收线圈侧LCC补偿拓扑为例，Z_RA参考阻抗可由式(2)计算得到：

其中，norm表示归一化，系统工作角频率ω，L_s2为接收端补偿电感，C_s2为接收端并联补偿电容，R_L为等效负载，C₂为接收端串联补偿电容；

N₂为接收线圈匝数。

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