CN111537821B - 一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置及测量系统，该测试装置包括XY轴移动装置、电动推杆、XY轴偏转装置、Z轴旋转装置、发射装置端、接收装置端；通过结构设计可实现发射线圈与接收线圈的精确对位，真实模拟电动汽车胎压不同对无线充电过程的影响。该测量系统通过采用上述可以精确定位的测量装置外，还采用了磁场测量系统、控制系统及功率分析仪，除了能准确模拟现实中由于电动汽车胎压不同对系统充电过程造成的影响外，还能对线圈周围的空间漏磁场做出评价，精确度高、可靠性好。

Description

一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置及测量系统

技术领域

本发明涉及电动汽车无线充电技术领域，具体是一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置及测量系统。

背景技术

随着新能源汽车行业的迅速发展，电动汽车无线充电技术已经成为当前国内外学者的研究热点。相对于电动汽车的有线充电而言，无线充电具有使用便捷、安全、可靠等优点，有着巨大的发展潜力和应用市场。然而，在无线充电系统的实际应用中，发射线圈和接收线圈的空间相对位置不是固定的，而其相对位置的变化对系统传输功率和转换效率有着较大影响。目前用于测量电动汽车无线充电系统的测试装置多无法实现沿X轴与沿Y轴的同时偏转，不能准确模拟现实中由于电动汽车胎压不同对系统充电过程造成的影响，并且测量系统多未能对线圈周围的空间漏磁场做出评价。因此，设计一种新型的适用于电动汽车无线充电系统的测试装置及测量系统，尽可能准确模拟实际充电过程中原副线圈的相对位置，并对线圈周围磁场进行测量、采集、分析和处理，对于研究电动汽车无线充电系统的传输功率和转换效率的问题有着极为重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明拟解决的技术问题是，设计一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置及测量系统。

本发明解决所述测试装置技术问题的技术方案是，设计一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，该测试装置包括XY轴移动装置、电动推杆、XY轴偏转装置、Z轴旋转装置、发射装置端、接收装置端；

所述XY轴移动装置位于测试装置的下部，控制X轴与Y轴方向的偏移，包括四条X轴导轨、两条Y轴导轨、带锁紧滑块；所述X轴导轨与Y轴导轨为内置双轴心式直线导轨，且在其外侧标有刻度；所述四条X轴导轨平行且等距固定设置，每条X轴导轨上设置有两个带锁紧滑块；所述两条Y轴导轨平行固定在X轴导轨上的八个带锁紧滑块上，其方向垂直于X轴导轨；每条Y轴导轨上也设置有两个带锁紧滑块；

四个电动推杆的下端固定在Y轴导轨上的四个带锁紧滑块上，其上端固定在XY轴偏转装置的底部，四个电动推杆竖直安装在Y轴导轨与XY轴偏转装置之间；

所述XY轴偏转装置为上、下分层式结构，上、下两层之间的部件构成相同，排布方向相差90°，可实现X轴与Y轴方向的同时偏转，包括XY轴偏转基板、轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆、数显倾角仪；所述XY轴偏转基板为电木材质，包括下侧基板、中间基板、上侧基板；下侧基板与中间基板之间安装有轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆，中心轴通过轴承并平行于X轴导轨的固定安装在下侧基板与中间基板之间的一侧边缘处；所述轴承为锌合金的带座轴承，具有较高的材料硬度以及较强的负荷承载能力，每层皆放置有五个轴承，为同轴心等距排列，其中间隔的三个轴承正立放置，通过其自身的基座和厚垫片固定在下侧基板的上表面上，余下的两个轴承倒立放置，通过其自身的基座和薄垫片固定在中间基板的下表面上；所述中心轴与五个轴承配合连接，中心轴两端的紧固螺母分别通过一个固定在厚垫片上的U型限位片将其与厚垫片锁死，使得中心轴相对下侧基板固定；在与中心轴相对的一侧的下侧基板的上表面的边缘处固定安装有导轨支柱，导轨支柱的上端与中间基板的上表面平齐但不连接；传动螺杆设置在导轨支柱与中间基板之间，其一端位于导轨支柱的导轨内，其另一端安装在中间基板的与导轨支柱相对的侧面上；传动螺杆沿导轨支柱的导轨的上、下移动带动中间基板相应地绕中心轴朝上或朝下偏转；导轨支柱为两个，两者设置在下侧基板的同一侧；

所述导轨支柱包括支柱、弧形导轨、弧形齿条；所述支柱为电木材质，其朝向中心轴的一侧的表面设计为弧面结构，以配合中间基板的偏转路径，其中间部分设有沿竖直方向的凹槽；弧形导轨、弧形齿条的弧度与支柱上的弧面结构的弧度一致，两者分别固定衔接在支柱的凹槽的两内侧面上，弧形导轨的槽口与弧形齿条的齿端相对设置；所述弧形导轨为平行且间隔设置的两条，弧形齿条位于两者中间位置的相对侧的凹槽的内侧面上；

所述传动螺杆包括螺杆、滑条、齿轮、夹板、锁紧螺钉；所述螺杆为铝合金材质，为该传动螺杆的主体部分；所述滑条为圆环状安装端和竖直滑板相衔接的结构，其圆环状安装端嵌套在螺杆的中部，其竖直滑板与弧形导轨相配合；齿轮安装在螺杆上，其安装位置和尺寸大小与弧形齿条相配合；优选的，设置有两个滑条，分别安装在齿轮两侧的螺杆上，两个滑条的竖直滑板与两条弧形导轨相匹配；所述夹板固定嵌套在螺杆的尾端上，其开口部分夹在中间基板的侧面上，带动中间基板实现同步偏转；螺杆的前端位于导轨支柱的外侧，通过手动调节螺杆位于导轨支柱中的上下位置，带动中间基板实现同步偏转；

中间基板、上侧基板之间同样设置有轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆，两者之间的轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆的安装方位与下侧基板与中间基板之间的轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆的安装方位整体呈90°偏转，使得中间基板与上侧基板之间的中心轴位于平行于Y轴导轨方位上；中心轴的长度、多个轴承之间的间隔以及导轨支柱、传动螺杆的位置根据中间基板和上侧基板的尺寸大小进行相应的调整，以使XY轴偏转装置的整体结构保持稳定；

数显倾角仪为两个，两者呈90°地安装在上侧基板上表面的相邻的两侧边上，该两侧边为与XY轴偏转装置的安装有导轨支柱的两侧面相对应的两侧边；

所述Z轴旋转装置固定在XY轴偏转装置的上侧基板上，其下部的承台中间设置有高刚性的V型槽运动导轨，上部的转台通过交叉滚子和高刚性的V型槽运动导轨与下部的承台连接；下部的承台的外侧设置有调节螺杆，可通过调节螺杆实现360°精确进给，并且可以通过设置在下部的承台的外周端面上的锁紧螺杆将转台固定在某一角度；

所述发射装置端固定在Z轴旋转装置上，包括下层基板、支柱、上层基板、发射线圈；所述支柱安装在下层基板与上层基板之间，对两者起支撑和连接作用；所述发射线圈设置在上层基板上，支柱使得下层基板下方的装置位于发射线圈的磁场范围之外，以避免干扰；下层基板与Z轴旋转装置的转台的上表面固定连接；

所述接收装置端包括底层基板、支撑柱、顶层基板、红外测距仪、接收线圈；所述顶层基板其上侧表面标有刻度，用以确定接收线圈的放置位置，其中心位置处开有孔槽；所述支撑柱固定在底层基板与顶层基板之间；所述红外测距仪放置在顶层基板中心处的槽口内且其测量端口朝下设置，所述接收线圈放置在顶层基板上，且红外测距仪位于接收线圈的中心位置上，接收线圈位于发射线圈的正上方；红外测距仪通过发射红外线到发射装置端的上层基板上，校准对齐接收线圈与发射线圈的中心以及确定两线圈的轴向间距；XY轴移动装置的X轴导轨固定在底层基板的上表面上。

进一步的，本发明设计一种适用于电动汽车无线充电系统的测量系统，其特征在于，该测量系统包括如上所述的测试装置，还包括磁场测量系统、控制系统、功率分析仪、工作电源、功率传输控制单元、功率接收控制单元、负载、上位机；所述工作电源的输出端连接功率传输控制单元的直流侧；所述功率传输控制单元的交流侧连接测试装置的发射线圈；所述测试装置的接收线圈与发射线圈通过磁谐振进行耦合，接收线圈的两端连接功率接收控制单元的交流侧；所述功率接收控制单元的直流侧连接负载；所述磁场测量系统连接上位机；测试装置的电动推杆与控制系统连接；所述功率分析仪的测量端分别连接工作电源和负载，其输出端连接上位机；

所述磁场测量系统包括磁场测试仪、信号放大电路、数据采集卡；磁场测试仪放置在固定的测量点，对该点的磁通密度进行测量，测量结果经信号放大电路进行放大，然后采集至数据采集卡，最后输送到上位机进行分析处理；

所述控制系统为闭环控制系统，包括PLC控制器、驱动器、步进电机、旋转编码器；所述PLC控制器为FX2N型PLC控制器，其将控制信号以脉冲的方式输送给驱动器；所述驱动器将控制器所发的脉冲信号转换为角位移，并发送给步进电机，同步控制四台步进电机的启停和正反转；步进电机的输出轴通过轴联器连接有主动齿轮，主动齿轮与电动推杆的从动齿轮啮合连接，步进电机带动从动齿轮转动实现电动推杆的伸缩；所述旋转编码器与步进电机同轴联接，其将步进电机转轴的角位移转换成相应的电脉冲信号并反馈给PLC控制器，利用PLC控制器的高速计数器对其脉冲信号进行计数，从而实现对电动推杆行程的精确定位；

所述功率传输控制单元实现从直流到高频交流的逆变，输出满足无线充电系统工作频率的交流电，并对原边侧电路进行补偿，包括DC/AC高频逆变器和原边LCC补偿电路；所述DC/AC高频逆变器是由4个功率场效应晶体管及与其反并联的续流二极管按桥式逆变电路的形式构成；所述原边LCC补偿电路由串联补偿电感L_s1、并联电容C_s1和串联电容C_s2构成；

所述功率接收控制单元对接收线圈输出的高频交流进行补偿、整流和滤波，输出满足负载要求的直流电，包括副边LCC补偿电路和AC/DC整流滤波器；所述副边LCC补偿电路由串联补偿电感L_r1、并联电容C_r1和串联电容C_r2构成；所述AC/DC整流滤波器包括桥式整流电路和滤波电路；所述桥式整流电路由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式构成；所述滤波电路由并联电容C构成。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：本发明测量装置的XY轴移动装置采用内置双轴心直线导轨，整体为两纵四横六导轨十二滑块式传动结构，可以有效解决滑块载重和导轨变形的问题。并且，Z轴方向的升降采用电动推杆的形式，通过控制器实现四个电动推杆的同步控制，并通过编码器实现对其行程位置的精确定位。此外，XY轴偏转装置为上下层分离式结构，采用螺杆、弧形齿条以及弧形导轨作为传动机构，可实现X轴和Y轴的同时偏转，真实模拟电动汽车胎压不同对无线充电过程的影响。XY轴偏转装置的偏转角度同时通过弧形轨道上的角度标尺和高精度数显倾角仪进行确定，大大提高了角度测量的精确度。通过采用红外测距仪，可有效解决在XY轴偏转情况下线圈间距的测量问题以及在XY轴水平偏移情况下两线圈中心的校准对齐问题。

本发明测量系统通过采用上述可以精确定位的测量装置外，还采用了磁场测量系统、控制系统及功率分析仪，除了能准确模拟现实中由于电动汽车胎压不同对系统充电过程造成的影响外，还能对线圈周围的空间漏磁场做出评价，精确度高、可靠性好。

附图说明

图1为本发明一种实施例的测量系统的原理框图；

图2为本发明一种实施例的控制系统的原理框图；

图3为本发明一种实施例的测试装置的整体结构示意图；

图4为本发明一种实施例的XY轴移动装置的结构示意图；

图5为本发明一种实施例的XY轴偏转装置的结构示意图；

图6为本发明一种实施例的导轨支柱的结构示意图；

图7为本发明一种实施例的传动螺杆的结构示意图；

图8为本发明一种实施例的Z轴旋转装置的结构爆炸图；

图9为本发明一种实施例的发射装置端的结构示意图；

图10为本发明一种实施例的接收装置端的结构示意图；

图11为本发明一种实施例的功率传输控制单元与功率接收控制单元电路连接示意图；

图中：1、测试装置；2、磁场测量系统；3、控制系统；4、功率分析仪；5、工作电源；6、功率传输控制单元；7、功率接收控制单元；8、负载；9、上位机；

11、XY轴移动装置；111、X轴导轨；112、Y轴导轨；113、带锁紧滑块；

12、电动推杆；

13、XY轴偏转装置；131、XY轴偏转基板；132、轴承；133、中心轴；134、导轨支柱；135、传动螺杆；136、数显倾角仪；1341、支柱；1342、弧形导轨；1343、弧形齿条；1351、螺杆；1352、滑条；1353、齿轮；1354、夹板；1355、锁紧螺钉；

14、Z轴旋转装置；141、交叉滚子；142、调节螺杆；143、锁紧螺杆；144、转台；145、V型槽运动导轨；

15、发射装置端；151、下层基板；152、支柱；153、上层基板；154、发射线圈；

16、接收装置端；161、底层基板；162、支撑柱；163、顶层基板；164、红外测距仪；165、接收线圈；

21、磁场测试仪；22、信号放大电路；23、数据采集卡；

31、PLC控制器；32、驱动器；33、步进电机；34、旋转编码器。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明解决所述测试装置技术问题的技术方案是，设计一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置(简称测试装置)，其特征在于，该测试装置1包括XY轴移动装置11、电动推杆12、XY轴偏转装置13、Z轴旋转装置14、发射装置端15、接收装置端16；

所述XY轴移动装置11位于测试装置1的下部，控制X轴与Y轴方向的偏移，包括四条X轴导轨111、两条Y轴导轨112、带锁紧滑块113；所述X轴导轨111与Y轴导轨112为铝合金材质，其结构为内置双轴心式直线导轨，其表面经阳极处理，轴心经镀铬处理，具有高强度、耐腐蚀的优异性能，且在其外侧标有刻度；所述四条X轴导轨111平行且等距固定设置，每条X轴导轨111上设置有两个带锁紧滑块113；所述两条Y轴导轨112平行固定在X轴导轨111上的八个带锁紧滑块113上，其方向垂直于X轴导轨111；每条Y轴导轨112上也设置有两个带锁紧滑块113。

四个电动推杆12的下端固定在Y轴导轨112上的四个带锁紧滑块113上，其上端固定在XY轴偏转装置13的底部，四个电动推杆12竖直安装在Y轴导轨112与XY轴偏转装置13之间。四个电动推杆12可以控制Z轴方向的直线升降，具有较大的推力和优异的负荷承载能力，其升降速度为5mm/s，运动行程为250mm，其上部为丝杠螺母的结构，丝杠的底部固定连接有从动齿轮，该从动齿轮与步进电机的输出轴上固定的主动齿轮啮合，通过步进电机的转动带动丝杠转动，使得安装在丝杠上的支撑杆上升或下降，从而使电动推杆12的整体高度升高或降低。

所述带锁紧滑块113置于相应导轨的凹槽内，主体为铝合金材质，具有较高的承重能力，由基体滑块、滑轮、锁紧手柄构成；所述基体滑块其宽度和相应导轨宽度相同，在其外侧标有刻度，调节精度为0.5mm；所述滑轮位于基体滑块的下侧，经高温处理，在较大压力下也可保持良好的顺畅度；所述锁紧手柄的一端位于基体滑块的外侧，基体滑块的底面设置有凹槽，锁紧手柄的另一端穿过基体滑块并位于基体滑块底面的凹槽内且该端朝向轨道底面固定连接有锁紧片，锁紧片朝向轨道侧壁的侧面上设置有卡位结构，该卡位结构与轨道侧壁相匹配；锁紧手柄与基体滑块之间通过螺纹连接，通过旋转锁紧手柄调节锁紧片与轨道侧壁的距离，当锁紧手柄旋转到最大角度时，锁紧片与轨道侧壁抱合锁死，使得基体滑块固定在当前位置上。

所述XY轴偏转装置13为上、下分层式结构，上、下两层之间的部件构成相同，排布方向相差90°，可实现X轴与Y轴方向的同时偏转，包括XY轴偏转基板131、轴承132、中心轴133、导轨支柱134、传动螺杆135、数显倾角仪136；所述XY轴偏转基板131为电木材质，包括下侧基板、中间基板、上侧基板；下侧基板与中间基板之间安装有轴承132、中心轴133、导轨支柱134、传动螺杆135，中心轴133通过轴承132并平行于X轴导轨111的固定安装在下侧基板与中间基板之间的一侧边缘处；所述轴承132为锌合金的带座轴承，具有较高的材料硬度以及较强的负荷承载能力，每层皆放置有五个轴承132，为同轴心等距排列，其中间隔的三个轴承132正立放置，通过其自身的基座和厚垫片固定在下侧基板的上表面上，余下的两个轴承132倒立放置，通过其自身的基座和薄垫片固定在中间基板的下表面上；所述中心轴133与五个轴承132配合连接，中心轴133两端的紧固螺母分别通过一个固定在厚垫片上的U型限位片将其与厚垫片锁死，使得中心轴133相对下侧基板固定。在与中心轴133相对的一侧的下侧基板的上表面的边缘处固定安装有导轨支柱134，导轨支柱134的上端与中间基板的上表面平齐但不连接；传动螺杆135设置在导轨支柱134与中间基板之间，其一端位于导轨支柱134的导轨内，其另一端安装在中间基板的与导轨支柱134相对的侧面上；传动螺杆135沿导轨支柱134的导轨的上、下移动带动中间基板相应地绕中心轴133朝上或朝下偏转。导轨支柱134为两个，两者设置在下侧基板的同一侧。

所述导轨支柱134包括支柱1341、弧形导轨1342、弧形齿条1343；所述支柱1341为电木材质，其朝向中心轴133的一侧的表面设计为弧面结构，以配合中间基板的偏转路径，其中间部分设有沿竖直方向的凹槽；弧形导轨1342、弧形齿条1343的弧度与支柱1341上的弧面结构的弧度一致，两者分别固定衔接在支柱1341的凹槽的两内侧面上，弧形导轨1342的槽口与弧形齿条1343的齿端相对设置；所述弧形导轨1342为平行且间隔设置的两条，弧形齿条1343位于两者中间位置的相对侧的凹槽的内侧面上；所述弧形导轨1342为尼龙材料，摩擦系数小，可塑性好。

所述传动螺杆135包括螺杆1351、滑条1352、齿轮1353、夹板1354、锁紧螺钉1355；所述螺杆1351为铝合金材质，为该传动螺杆的主体部分；所述滑条1352为圆环状安装端和竖直滑板相衔接的结构，其圆环状安装端嵌套在螺杆1351的中部，其竖直滑板与弧形导轨1342相配合；齿轮1353安装在螺杆1351上，其安装位置和尺寸大小与弧形齿条1343相配合；优选的，设置有两个滑条1352，分别安装在齿轮1353两侧的螺杆1351上，两个滑条1352的竖直滑板与两条弧形导轨1342相匹配；优选的，滑条1352的竖直滑板的远离齿轮1353的一侧设置有一个锁紧螺钉1355，且竖直滑板的该侧面上固定连接有“L”型锁紧垫片，竖直滑板与“L”型锁紧垫片之间的距离不小于弧形导轨1342的导轨壁厚；锁紧螺钉1355设置在“L”型锁紧垫片上的螺纹孔内，通过旋转锁紧螺钉1355使得锁紧螺钉1355与弧形导轨1342的外壁锁定，使得传动螺杆135锁定在当前位置上；所述夹板1354固定嵌套在螺杆1351的尾端上，其开口部分夹在中间基板的侧面上，带动中间基板实现同步偏转；螺杆1351的前端位于导轨支柱134的外侧，通过手动调节螺杆1351位于导轨支柱134中的上下位置，带动中间基板实现同步偏转。

中间基板、上侧基板之间同样设置有轴承132、中心轴133、导轨支柱134、传动螺杆135，两者之间的轴承132、中心轴133、导轨支柱134、传动螺杆135的安装方位与下侧基板与中间基板之间的轴承132、中心轴133、导轨支柱134、传动螺杆135的安装方位整体呈90°偏转，使得中间基板与上侧基板之间的中心轴133位于平行于Y轴导轨112方位上；中心轴133的长度、多个轴承132之间的间隔以及导轨支柱134、传动螺杆135的位置根据中间基板和上侧基板的尺寸大小进行相应的调整，以使XY轴偏转装置13的整体结构保持稳定。

数显倾角仪136为两个，两者呈90°地安装在上侧基板上表面的相邻的两侧边上，该两侧边为与XY轴偏转装置13的安装有导轨支柱134的两侧面相对应的两侧边。所述数显倾角仪136可精确测量平台沿X轴和沿Y轴偏转的角度，精确度为0.05°。

所述Z轴旋转装置14固定在XY轴偏转装置13的上侧基板上，采用日本中央精机生产的RS-147-2型旋转台，主体为硬质铝合金材质，其下部的承台中间设置有高刚性的V型槽运动导轨145，上部的转台144通过交叉滚子141和高刚性的V型槽运动导轨145与下部的承台连接；下部的承台的外侧设置有调节螺杆142，可通过调节螺杆142实现360°精确进给，并且可以通过设置在下部的承台的外周端面上的锁紧螺杆143将转台144固定在某一角度；该Z轴旋转装置14负荷载重为15kg。

所述发射装置端15固定在Z轴旋转装置14上，整体为尼龙材质，包括下层基板151、支柱152、上层基板153、发射线圈154；所述支柱152安装在下层基板151与上层基板153之间，对两者起支撑和连接作用；所述发射线圈154设置在上层基板153上，支柱152使得下层基板151下方的装置位于发射线圈154的磁场范围之外，以避免干扰；下层基板151与Z轴旋转装置14的转台144的上表面固定连接。

所述接收装置端16包括底层基板161、支撑柱162、顶层基板163、红外测距仪164、接收线圈165；所述底层基板161为PEEK材料，具有较高的机械强度和良好的电气绝缘性能；所述顶层基板163的材质为亚克力材料，其上侧表面标有刻度，用以确定接收线圈165的放置位置，其中心位置处开有孔槽；所述支撑柱162固定在底层基板161与顶层基板163之间，其材质为PEEK材料；所述红外测距仪164放置在顶层基板163中心处的槽口内且其测量端口朝下设置，所述接收线圈165放置在顶层基板163上，且红外测距仪164位于接收线圈165的中心位置上，接收线圈165位于发射线圈154的正上方。红外测距仪164通过发射红外线到发射装置端15的上层基板153上，可以校准对齐接收线圈165与发射线圈154的中心以及确定两线圈的轴向间距。XY轴移动装置11的X轴导轨111固定在底层基板161的上表面上。

本发明同时提供了一种适用于电动汽车无线充电系统的测量系统(简称测量系统)，其特征在于该测量系统包括所述测试装置1、磁场测量系统2、控制系统3、功率分析仪4、工作电源5、功率传输控制单元6、功率接收控制单元7、负载8、上位机9；所述工作电源5的输出端连接功率传输控制单元6的直流侧；所述功率传输控制单元6的交流侧连接测试装置1的发射线圈154；所述测试装置1的接收线圈165与发射线圈154通过磁谐振进行耦合，接收线圈165的两端连接功率接收控制单元7的交流侧；所述功率接收控制单元7的直流侧连接负载8；所述磁场测量系统2连接上位机9；测试装置1的电动推杆12与控制系统3连接；所述功率分析仪4的测量端分别连接工作电源5和负载8，其输出端连接上位机9；

所述磁场测量系统2包括磁场测试仪21、信号放大电路22、数据采集卡23；磁场测试仪21放置在固定的测量点，对该点的磁通密度进行测量，测量结果经信号放大电路22进行放大，然后采集至数据采集卡23，最后输送到上位机9进行分析处理；所述磁场测试仪21采用型号为FT3470-52的3轴磁通密度测量仪，可对空间磁场进行测量，带宽为10Hz-400kHz，测量范围为2.000μT～2.000mT；所述数据采集卡23型号为NI 6368，拥有采样速率为2MS/s的16路同步模拟输入、3.33MS/s的4路模拟输入，可自动采集磁场测试仪21测量的实时数据，并送至上位机9中进行分析处理；

所述控制系统3为闭环控制系统，包括PLC控制器31、驱动器32、步进电机33、旋转编码器34；所述PLC控制器31为FX2N型PLC控制器，其将控制信号以脉冲的方式输送给驱动器32；所述驱动器32将控制器所发的脉冲信号转换为角位移，并发送给步进电机33，同步控制四台步进电机33的启停和正反转；所述步进电机33为39步进电机，其输出轴通过轴联器连接有主动齿轮，步距角为1.8°，主动齿轮与电动推杆12的从动齿轮啮合连接，步进电机33带动从动齿轮转动实现电动推杆12的伸缩；所述旋转编码器34与步进电机33同轴联接，其将步进电机转轴的角位移转换成相应的电脉冲信号并反馈给PLC控制器31，利用PLC控制器31的高速计数器对其脉冲信号进行计数，从而实现对电动推杆12行程的精确定位；

所述功率分析仪4采用型号为IT9121C功率分析仪，可对系统传输功率及转换效率进行自动测量，并进行谐波分析，其测量结果送至上位机9进行分析处理；

所述工作电源5采用型号为IT6544C的大功率可编程直流电源，输出功率为9kW，可满足无线充电系统3.7kVA和7.7kVA两个功率等级的要求；

所述功率传输控制单元6实现从直流到高频交流的逆变，输出满足无线充电系统工作频率的交流电，并对原边侧电路进行补偿，包括DC/AC高频逆变器和原边LCC补偿电路；所述DC/AC高频逆变器是由4个功率场效应晶体管(S₁、S₂、S₃、S₄)及与其反并联的续流二极管按桥式逆变电路的形式构成；所述原边LCC补偿电路由串联补偿电感L_s1、并联电容C_s1和串联电容C_s2构成。

所述功率接收控制单元7对接收线圈165输出的高频交流进行补偿、整流和滤波，输出满足负载8(电动汽车车载电池)要求的直流电，包括副边LCC补偿电路和AC/DC整流滤波器；所述副边LCC补偿电路由串联补偿电感L_r1、并联电容C_r1和串联电容C_r2构成；所述AC/DC整流滤波器包括桥式整流电路和滤波电路；所述桥式整流电路由4只整流二极管(D₁、D₂、D₃、D₄)按桥式全波整流电路的形式构成；所述滤波电路由并联电容C构成。

本发明的工作原理和工作流程是：

将测量系统安装好，调节测试装置1中的发射线圈154与接收线圈165的相对位置，使发射线圈154处于水平放置的状态并与接收线圈165中心垂直对齐，Z轴方向的轴间距设置为最大值，将此时的发射线圈154的位置设置为坐标原点，此点亦为X轴导轨111、Y轴导轨112、弧形导轨1342、Z轴旋转装置14的零刻度点和电动推杆12的零行程点，并将所有带锁紧滑块113、锁紧螺钉1355、锁紧螺杆143进行锁紧；

闭合工作电源5，输出无线充电系统所要求功率的直流电，并将其输送至功率传输控制单元6，实现从直流到高频交流的逆变，输出满足无线充电系统工作频率的交流电，驱动发射线圈154工作；由功率接收控制单元7对接收线圈165输出的高频交流进行整流，输出满足负载8要求的直流电；

同时，通过功率分析仪4对系统传输功率及转换效率进行测量，并进行谐波分析，其测量结果送至上位机9进行分析处理；同时，通过磁场测量系统2对空间磁场进行测量采集，将磁场测试仪21放置在固定的测量点，对该点的磁通密度进行测量，测量结果经信号放大电路22进行放大，然后采集至数据采集卡23，最后输送到上位机9进行分析处理；此过程简称为测量过程；

然后，将所需要的带锁紧滑块113解锁，手动推动XY轴移动装置11上方的装置实现装置沿X轴和Y轴方向的单轴滑动或双轴同时滑动，滑动至发射线圈154在X轴和Y轴方向上所需要偏移的位置点，并将带锁紧滑块113锁紧，重复上述测量过程，测量完成后将测试装置1恢复至坐标原点并锁紧；

往PLC控制器31编入往返控制程序，将控制信号以脉冲的方式输送给驱动器32，由驱动器32将脉冲信号转换为角位移，并发送给步进电机33，同步控制四台步进电机33的启停和正反转，由步进电机33带动电动推杆12实现伸缩动作，从而实现发射线圈154在Z轴方向的升高和降低；与步进电机33同轴联接的旋转编码器34将步进电机33转轴的角位移转换成相应的电脉冲信号并反馈给PLC控制器31，利用PLC控制器31的高速计数器对其脉冲信号进行计数，从而实现对电动推杆12行程坐标的精确定位；由PLC控制器31控制电动推杆12上升至所需要的测量高度，重复上述测量过程，测量完成后将测试装置1恢复至坐标原点；

将平行于X轴方向或Y轴方向的锁紧螺钉1355解锁，同时手动调节相应的两个螺杆1351，使上方平台沿该方向偏转至所需要的角度，之后将锁紧螺钉1355锁紧；若需在X轴方向和Y轴方向同时偏转的情况下进行测量，则再将另一个轴方向的锁紧螺钉1355解锁，同时手动调节相应的两个螺杆1351，使上方平台沿该方向偏转至所需要的角度，之后将锁紧螺钉1355锁紧；重复上述测量过程，测量完成后将测试装置1恢复至坐标原点并锁紧；

将锁紧螺杆143解锁，手动旋转调节螺杆142，将转台144滑动旋转至所需要的角度，并将锁紧螺杆143锁紧；重复上述测量过程，测量完成后将测试装置1恢复至坐标原点并锁紧；

若需同时在X轴、Y轴、Z轴方向的移动和沿X轴、Y轴、Z轴方向偏转的多种情况下进行测量，则根据需要同时进行以上几个调节过程；重复上述测量过程，测量完成后将测试装置1恢复至坐标原点并锁紧；

将各种情况下测量的传输功率、转换效率及空间磁场进行对比分析，可得到模拟现实中由于电动汽车胎压不同对系统充电过程造成的影响数据。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，该测试装置包括XY轴移动装置、电动推杆、XY轴偏转装置、Z轴旋转装置、发射装置端、接收装置端；

所述XY轴移动装置位于测试装置的下部，控制X轴与Y轴方向的偏移，包括四条X轴导轨、两条Y轴导轨、带锁紧滑块；所述X轴导轨与Y轴导轨为内置双轴心式直线导轨，且在其外侧标有刻度；所述四条X轴导轨平行且等距固定设置，每条X轴导轨上设置有两个带锁紧滑块；所述两条Y轴导轨平行固定在X轴导轨上的八个带锁紧滑块上，其方向垂直于X轴导轨；每条Y轴导轨上也设置有两个带锁紧滑块；

四个电动推杆的下端固定在Y轴导轨上的四个带锁紧滑块上，其上端固定在XY轴偏转装置的底部，四个电动推杆竖直安装在Y轴导轨与XY轴偏转装置之间；

所述XY轴偏转装置为上、下分层式结构，上、下两层之间的部件构成相同，排布方向相差90°，可实现X轴与Y轴方向的同时偏转，包括XY轴偏转基板、轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆、数显倾角仪；所述XY轴偏转基板为电木材质，包括下侧基板、中间基板、上侧基板；下侧基板与中间基板之间安装有轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆，中心轴通过轴承并平行于X轴导轨的固定安装在下侧基板与中间基板之间的一侧边缘处；所述轴承为锌合金的带座轴承，具有较高的材料硬度以及较强的负荷承载能力，每层皆放置有五个轴承，为同轴心等距排列，其中间隔的三个轴承正立放置，通过其自身的基座和厚垫片固定在下侧基板的上表面上，余下的两个轴承倒立放置，通过其自身的基座和薄垫片固定在中间基板的下表面上；所述中心轴与五个轴承配合连接，中心轴两端的紧固螺母分别通过一个固定在厚垫片上的U型限位片将其与厚垫片锁死，使得中心轴相对下侧基板固定；在与中心轴相对的一侧的下侧基板的上表面的边缘处固定安装有导轨支柱，导轨支柱的上端与中间基板的上表面平齐但不连接；传动螺杆设置在导轨支柱与中间基板之间，其一端位于导轨支柱的导轨内，其另一端安装在中间基板的与导轨支柱相对的侧面上；传动螺杆沿导轨支柱的导轨的上、下移动带动中间基板相应地绕中心轴朝上或朝下偏转；导轨支柱为两个，两者设置在下侧基板的同一侧；

所述导轨支柱包括支柱、弧形导轨、弧形齿条；所述支柱为电木材质，其朝向中心轴的一侧的表面设计为弧面结构，以配合中间基板的偏转路径，其中间部分设有沿竖直方向的凹槽；弧形导轨、弧形齿条的弧度与支柱上的弧面结构的弧度一致，两者分别固定衔接在支柱的凹槽的两内侧面上，弧形导轨的槽口与弧形齿条的齿端相对设置；所述弧形导轨为平行且间隔设置的两条，弧形齿条位于两者中间位置的相对侧的凹槽的内侧面上；

所述传动螺杆包括螺杆、滑条、齿轮、夹板、锁紧螺钉；所述螺杆为铝合金材质，为该传动螺杆的主体部分；所述滑条为圆环状安装端和竖直滑板相衔接的结构，其圆环状安装端嵌套在螺杆的中部，其竖直滑板与弧形导轨相配合；齿轮安装在螺杆上，其安装位置和尺寸大小与弧形齿条相配合；设置有两个滑条，分别安装在齿轮两侧的螺杆上，两个滑条的竖直滑板与两条弧形导轨相匹配；所述夹板固定嵌套在螺杆的尾端上，其开口部分夹在中间基板的侧面上，带动中间基板实现同步偏转；螺杆的前端位于导轨支柱的外侧，通过手动调节螺杆位于导轨支柱中的上下位置，带动中间基板实现同步偏转；

中间基板、上侧基板之间同样设置有轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆，两者之间的轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆的安装方位与下侧基板与中间基板之间的轴承、中心轴、导轨支柱、传动螺杆的安装方位整体呈90°偏转，使得中间基板与上侧基板之间的中心轴位于平行于Y轴导轨方位上；中心轴的长度、多个轴承之间的间隔以及导轨支柱、传动螺杆的位置根据中间基板和上侧基板的尺寸大小进行相应的调整，以使XY轴偏转装置的整体结构保持稳定；

数显倾角仪为两个，两者呈90°地安装在上侧基板上表面的相邻的两侧边上，该两侧边为与XY轴偏转装置的安装有导轨支柱的两侧面相对应的两侧边；

所述Z轴旋转装置固定在XY轴偏转装置的上侧基板上，其下部的承台中间设置有高刚性的V型槽运动导轨，上部的转台通过交叉滚子和高刚性的V型槽运动导轨与下部的承台连接；下部的承台的外侧设置有调节螺杆，可通过调节螺杆实现360°精确进给，并且可以通过设置在下部的承台的外周端面上的锁紧螺杆将转台固定在某一角度；

所述发射装置端固定在Z轴旋转装置上，包括下层基板、支柱、上层基板、发射线圈；所述支柱安装在下层基板与上层基板之间，对两者起支撑和连接作用；所述发射线圈设置在上层基板上，支柱使得下层基板下方的装置位于发射线圈的磁场范围之外，以避免干扰；下层基板与Z轴旋转装置的转台的上表面固定连接；

所述接收装置端包括底层基板、支撑柱、顶层基板、红外测距仪、接收线圈；所述顶层基板其上侧表面标有刻度，用以确定接收线圈的放置位置，其中心位置处开有孔槽；所述支撑柱固定在底层基板与顶层基板之间；所述红外测距仪放置在顶层基板中心处的槽口内且其测量端口朝下设置，所述接收线圈放置在顶层基板上，且红外测距仪位于接收线圈的中心位置上，接收线圈位于发射线圈的正上方；红外测距仪通过发射红外线到发射装置端的上层基板上，校准对齐接收线圈与发射线圈的中心以及确定两线圈的轴向间距；XY轴移动装置的X轴导轨固定在底层基板的上表面上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，所述X轴导轨与Y轴导轨为铝合金材质，其表面经阳极处理，轴心经镀铬处理。

3.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，四个电动推杆控制Z轴方向的直线升降，其升降速度为5mm/s，运动行程为250mm。

4.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，所述带锁紧滑块置于相应导轨的凹槽内，主体为铝合金材质，具有较高的承重能力，由基体滑块、滑轮、锁紧手柄构成；所述基体滑块其宽度和相应导轨宽度相同，在其外侧标有刻度，调节精度为0.5mm；所述滑轮位于基体滑块的下侧；所述锁紧手柄的一端位于基体滑块的外侧，基体滑块的底面设置有凹槽，锁紧手柄的另一端穿过基体滑块并位于基体滑块底面的凹槽内且该端朝向轨道底面固定连接有锁紧片，锁紧片朝向轨道侧壁的侧面上设置有卡位结构，该卡位结构与轨道侧壁相匹配；锁紧手柄与基体滑块之间通过螺纹连接，通过旋转锁紧手柄调节锁紧片与轨道侧壁的距离，当锁紧手柄旋转到最大角度时，锁紧片与轨道侧壁抱合锁死，使得基体滑块固定在当前位置上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，滑条的竖直滑板的远离齿轮的一侧设置有一个锁紧螺钉，且竖直滑板的该侧面上固定连接有“L”型锁紧垫片，竖直滑板与“L”型锁紧垫片之间的距离不小于弧形导轨的导轨壁厚；锁紧螺钉设置在“L”型锁紧垫片上的螺纹孔内，通过旋转锁紧螺钉使得锁紧螺钉与弧形导轨的外壁锁定，使得传动螺杆锁定在当前位置上。

6.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，Z轴旋转装置采用日本中央精机生产的RS-147-2型旋转台，主体为硬质铝合金材质，负荷载重为15kg。

7.根据权利要求1所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测试装置，其特征在于，所述弧形导轨为尼龙材料；所述发射装置端整体为尼龙材质；所述底层基板为PEEK材料；所述顶层基板的材质为亚克力材料；所述支撑柱材质为PEEK材料。

8.一种适用于电动汽车无线充电系统的测量系统，其特征在于，该测量系统包括如权利要求1-7任一项所述的测试装置，还包括磁场测量系统、控制系统、功率分析仪、工作电源、功率传输控制单元、功率接收控制单元、负载、上位机；所述工作电源的输出端连接功率传输控制单元的直流侧；所述功率传输控制单元的交流侧连接测试装置的发射线圈；所述测试装置的接收线圈与发射线圈通过磁谐振进行耦合，接收线圈的两端连接功率接收控制单元的交流侧；所述功率接收控制单元的直流侧连接负载；所述磁场测量系统连接上位机；测试装置的电动推杆与控制系统连接；所述功率分析仪的测量端分别连接工作电源和负载，其输出端连接上位机；

所述磁场测量系统包括磁场测试仪、信号放大电路、数据采集卡；磁场测试仪放置在固定的测量点，对该点的磁通密度进行测量，测量结果经信号放大电路进行放大，然后采集至数据采集卡，最后输送到上位机进行分析处理；

所述控制系统为闭环控制系统，包括PLC控制器、驱动器、步进电机、旋转编码器；所述PLC控制器为FX2N型PLC控制器，其将控制信号以脉冲的方式输送给驱动器；所述驱动器将控制器所发的脉冲信号转换为角位移，并发送给步进电机，同步控制四台步进电机的启停和正反转；步进电机的输出轴通过轴联器连接有主动齿轮，主动齿轮与电动推杆的从动齿轮啮合连接，步进电机带动从动齿轮转动实现电动推杆的伸缩；所述旋转编码器与步进电机同轴联接，其将步进电机转轴的角位移转换成相应的电脉冲信号并反馈给PLC控制器，利用PLC控制器的高速计数器对其脉冲信号进行计数，从而实现对电动推杆行程的精确定位；

所述功率传输控制单元实现从直流到高频交流的逆变，输出满足无线充电系统工作频率的交流电，并对原边侧电路进行补偿，包括DC/AC高频逆变器和原边LCC补偿电路；所述DC/AC高频逆变器是由4个功率场效应晶体管及与其反并联的续流二极管按桥式逆变电路的形式构成；所述原边LCC补偿电路由串联补偿电感L_s1、并联电容C_s1和串联电容C_s2构成；

所述功率接收控制单元对接收线圈输出的高频交流进行补偿、整流和滤波，输出满足负载要求的直流电，包括副边LCC补偿电路和AC/DC整流滤波器；所述副边LCC补偿电路由串联补偿电感L_r1、并联电容C_r1和串联电容C_r2构成；所述AC/DC整流滤波器包括桥式整流电路和滤波电路；所述桥式整流电路由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式构成；所述滤波电路由并联电容C构成。

9.根据权利要求8所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测量系统，其特征在于，所述磁场测试仪采用型号为FT3470-52的3轴磁通密度测量仪，带宽为10Hz-400kHz，测量范围为2.000μT～2.000mT；所述数据采集卡型号为NI 6368，拥有采样速率为2MS/s的16路同步模拟输入、3.33MS/s的4路模拟输入；所述功率分析仪采用型号为IT9121C功率分析仪。

10.根据权利要求8所述的一种适用于电动汽车无线充电系统的测量系统，其特征在于，所述工作电源采用型号为IT6544C的大功率可编程直流电源，输出功率为9kW，可满足无线充电系统3.7kVA和7.7kVA两个功率等级的要求。

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