CN113533842B - 无线充电系统的耦合线圈效率测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开无线充电系统的耦合线圈效率测试装置及测试方法，装置包括：耦合线圈包括原边线圈和副边线圈；原边数据采集单元，连接原边线圈，用于测量原边线圈的输入电压和输入电流；副边数据采集单元，连接副边线圈，用于测量副边线圈的输出电压和输出电流；原边乘法器，连接原边数据采集单元，用于对输入电压和输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；副边乘法器，连接副边数据采集单元，用于对输出电压和输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号；测量计算单元，连接原边乘法器和副边乘法器，用于根据第一交流信号和第二交流信号得出耦合线圈的效率值。可实现高频交流效率测试，并且可以达到时间同步性强、处理速度快的效果。

Description

无线充电系统的耦合线圈效率测试装置及测试方法

技术领域

本申请涉及无线充电技术领域，尤其涉及无线充电系统的耦合线圈效率测试装置及测试方法

背景技术

随着电动汽车行业的快速发展，电动汽车的充电方式也逐渐由小功率充电、有线充电的方式逐渐向大功率充电、无线充电的方向发展。电动那个汽车无线充电系统施工简单，充电操作便捷的特点深受车主喜爱，但电动汽车无线充电系统的稳定性、效率等方面未有有效的测试方法，急需完善。

电动汽车无线充电系统是通过在原边和副边产生高速变化的磁场，通过耦合效应，把耦合线圈原边的电能耦合到副边上，电动汽车充电接口连接在耦合线圈的副边上，从而实现电动汽车的无线快速充电。为了提高无线充电系统的效率和电磁兼容性，耦合线圈的频率普遍达到几十kHz到几百kHz，现有的技术条件下，准确测量一个频率超过几十KHz而且还在动态变化的电压和电流合成的有功功率非常困难。

发明内容

本申请提供无线充电系统的耦合线圈效率测试装置及测试方法，以解决现有技术中难以测量动态变化的有功功率的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种无线充电系统的耦合线圈效率测试装置，包括：耦合线圈，包括原边线圈和副边线圈；原边数据采集单元，连接所述原边线圈，用于测量所述原边线圈的输入电压和输入电流；副边数据采集单元，连接所述副边线圈，用于测量所述副边线圈的输出电压和输出电流；原边乘法器，连接所述原边数据采集单元，用于对所述输入电压和所述输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；副边乘法器，连接所述副边数据采集单元，用于对所述输出电压和所述输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号；测量计算单元，连接所述原边乘法器和所述副边乘法器，用于根据所述第一交流信号和所述第二交流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

可选地，测量计算单元包括：第一低通滤波器，连接所述原边乘法器，用于将所述第一交流信号处理为第一直流信号；第二低通滤波器，连接所述副边乘法器，用于将所述第二交流信号处理为第二直流信号；计算单元，连接所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，用于根据所述第一直流信号和所述第二直流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

可选地，副边乘法器，连接所述反相比例放大器，还用于将所述第二交流信号加上所述反相的第一交流信号，得到第三交流信号；所述测量计算单元包括：反相比例放大器，连接所述原边乘法器，用于将所述第一交流信号处理成反相的第一交流信号；第一低通滤波器，连接所述原边乘法器，用于将所述第一交流信号处理为第一直流信号；第二低通滤波器，连接所述副边乘法器，用于将所述第三交流信号处理为第三直流信号；计算单元，连接所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，用于根据所述第一直流信号和所述第三直流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

可选地，所述原边乘法器进行的乘法运算为：第一交流信号＝输入电压×输入电流；所述副边乘法器进行的乘法运算为：第二交流信号＝输出电压×输出电流。

可选地，所述反相比例放大器的反相输入端通过第一电阻连接所述原边乘法器的输出端，所述反相比例放大器的输出端连接所述副边乘法器的输入端，第二电阻分别连接在反相输入端和输出端，所述反相比例放大器的正相输入端接地；其中，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相同。

可选地，所述原边数据采集单元包括电流互感器和电压互感器，所述电流互感器用于测量所述原边线圈的输入电流，所述电压互感器用于测量所述原边线圈的输入电压；所述副边数据采集单元包括电流互感器和电压互感器，所述电流互感器用于测量所述副边线圈的输出电流，所述电压互感器用于测量所述副边线圈的输出电压。

可选地，所述原边乘法器和所述副边乘法器的型号相同，为AD734；所述测量计算单元包括安捷伦3458A。

为解决上述技术问题，本申请提出一种无线充电系统的耦合线圈效率测试方法，包括：分别测量原边线圈的输入电压和输入电流，以及副边线圈的输出电压和输出电流；对所述输入电压和所述输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；对所述输出电压和所述输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号；根据所述第一交流信号和所述第二交流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

可选地，还包括：将所述第一交流信号处理为第一直流信号，将所述第二交流信号处理为第二直流信号；根据所述第一直流信号和所述第二直流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

可选地，还包括：将所述第一交流信号处理成反相的第一交流信号；将所述第二交流信号加上所述反相的第一交流信号，得到第三交流信号；将所述第一交流信号处理为第一直流信号，将所述第三交流信号处理为第三直流信号；根据所述第一直流信号和所述第三直流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

本申请通过硬件乘法器，把无线充电系统耦合线圈的原边线圈和副边线圈对电压和电流的有功功率转换为单极性的交流信号，避免了传统方法中难以测量频率为几十kHz并且还是动态变化的电压和电流合成的有功功率的问题；可以实现高频交流效率测试，并且可以达到时间同步性强、处理速度快的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试装置一实施例的结构示意图；

图2是本申请AD734一实施例的结构示意图；

图3是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试装置另一实施例的结构示意图；

图4是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试装置又一实施例的结构示意图；

图5是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试方法一实施例的流程示意图；

图6是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试方法另一实施例的流程示意图；

图7是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试方法又一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请所提供无线充电系统的耦合线圈效率测试装置及测试方法进一步详细描述。

本申请提出一种无线充电系统的耦合线圈效率测试装置，可应用于电动汽车的无线充电系统。请参阅图1，图1是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试装置一实施例的结构示意图。在本实施例中，耦合线圈效率测试装置100可以包括耦合线圈110、原边数据采集单元120、副边数据采集单元130、原边乘法器140、副边乘法器150和测量计算单元160。

其中，耦合线圈110可以包括原边线圈111和副边线圈112。

原边数据采集单元120可以连接原边线圈111，用于测量原边线圈111的输入电压和输入电流。

原边数据采集单元120可以包括电流互感器121和电压互感器122，电流互感器121可以用于测量原边线圈111的输入电流，电压互感器122可以用于测量原边线圈111的输入电压。

其中，由于耦合线圈110的耦合磁场频率能达到几十kHz，乃至几百kHz，因此采用的电流互感器121和电压互感器122是宽频带电流互感器和宽频带电压互感器。

副边数据采集单元120可以连接副边线圈112，用于测量副边线圈112的输出电压和输出电流。

副边数据采集单元120可以包括电流互感器131和电压互感器132，电流互感器131可以用于测量副边线圈112的输出电流，电压互感器132可以用于测量副边线圈112的输出电压。其中，电流互感器131和电流互感器121的型号可以相同，电压互感器132可以与电压互感器的型号122相同。

原边乘法器140可以连接原边数据采集单元120，用于对输入电压和输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；副边乘法器150可以连接副边数据采集单元120，用于对输出电压和输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号。

原边乘法器140进行的乘法运算可以为：第一交流信号＝输入电压×输入电流；副边乘法器150进行的乘法运算可以为：第二交流信号＝输出电压×输出电流。即，原边乘法器140和副边乘法器150可以分别计算输入功率和输出功率。

原边乘法器140和副边乘法器150的型号可以相同，例如为AD734；请参阅图2，图2是本申请AD734一实施例的结构示意图。AD734是一款高精度、高速四象限模拟乘法器，典型误差只有0.1％，具备10MHz满功率宽频带的特性，可以满足输入电压和输入电流高速变化的要求，进行高速乘法运算。

AD734包括14引脚，在本实施例中，X1和X2可以用于测量电流；Y1和Y2可以用于测量电压；VP和VN可用于连接工作电源，其中工作电源为15V；W和Z1引脚连接以作为输出端。

继续参阅图1，测量计算单元160可以连接原边乘法器140和副边乘法器150，用于根据第一交流信号和第二交流信号，得出耦合线圈110的效率值。耦合线圈110的效率值可以看作是第二交流信号的数值和第一交流信号数值的商。

测量计算单元160可以包括测量单元和计算单元，其中测量单元可以用于测量第一交流信号和第二交流信号的数值，计算单元用于计算耦合线圈110的效率值。为了方便计算，也可以将交流信号转换为直流信号后再进行测量，其中直流信号测量可以使用安捷伦3458A。

本实施例通过硬件乘法器，把无线充电系统耦合线圈的原边线圈和副边线圈对电压和电流的有功功率转换为单极性的交流信号，避免了传统方法中难以测量频率为几十kHz并且还是动态变化的电压和电流合成的有功功率的问题；可以实现高频交流效率测试，并且可以达到时间同步性强、处理速度快的效果。

请参阅图3，图3是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试装置另一实施例的结构示意图。本实施例与上述实施例相同的部分，在此不再赘述。在本实施例中，测量计算单元可以包括第一低通滤波器161、第二低通滤波器162和计算单元163。

第一低通滤波161可以连接原边乘法器，用于将第一交流信号处理为第一直流信号；第二低通滤波器162可以连接副边乘法器，用于将第二交流信号处理为第二直流信号。

其中，第一低通滤波器161和第二低通滤波器162的型号可以相同。

计算单元163可以连接第一低通滤波器161和第二低通滤波器162，用于根据第一直流信号和第二直流信号，得出耦合线圈的效率值。

在本实施例通过低通滤波器把交流信号转换为直流信号，可以无需像传统方法中测量无线充电系统效率一样，对原边线圈和副边线圈的电压、电流进行同步采样，从而解决需要快速进行功率算法的问题。

请参阅图4，图4是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试装置又一实施例的结构示意图。本实施例与上述实施例相同的部分，在此不再赘述。在本实施例中，测量计算单元可以包括反相比例放大器U5、第一低通滤波器、第二低通滤波器和计算单元。

副边乘法器可以连接反相比例放大器U5，还用于将第二交流信号加上反相的第一交流信号，得到第三交流信号。

反相比例放大器U5可以连接原边乘法器，用于将第一交流信号处理成反相的第一交流信号。

反相比例放大器U5的反相输入端可以通过第一电阻R1连接原边乘法器的输出端，反相比例放大器U5的输出端可以连接副边乘法器的输入端，第二电阻R2可以分别连接在反相输入端和输出端，反相比例放大器U5的正相输入端接地。

其中，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值相同。可选地，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值为10KΩ。反相比例放大器U5的工作电压为15V。

第一低通滤波器可以连接原边乘法器，用于将第一交流信号处理为第一直流信号；第二低通滤波器可以连接副边乘法器，用于将第三交流信号处理为第三直流信号。

计算单元，连接第一低通滤波器和第二低通滤波器，用于根据第一直流信号和第三直流信号，得出耦合线圈的效率值。

本实施例中，利用硬件乘法器具备加法的特性，对原边线圈的功率和副边线圈的功率通过一个反相比例放大器实现测差式原理，再通过低通滤波器变成类似直流信号，使得可以直接使用准确度优于0.1％的直流表测试出电动汽车无线充电系统耦合线圈效率值。

下面举例说明，一般电动汽车的无线充电桩的信号的频率大概是在10KHz～1000KHz。功率为10～100千瓦，电流10～100安培。分别用宽频电压互感器(电阻分压)和电流互感器采集电压电流，后使用硬件乘法器AD734将电压电流变成一个单极性的交流信号。

利用硬件乘法器具备加法的特性，标准和被检信号的通过一个反相比例放大器实现测差式原理。标准就是原边线圈的功率，差功率为副边线圈减去原边功率取负值。

再通过滤波器变成类似直流信号，用安捷伦3458A(8.5位数表，或其他准确度优于0.1％的直流表)测试直流电压计算效率。具体原理如下：

1)设原边线圈的输入电压和输入电流分别为：

AD734本质硬件乘法器，是没有物理量的两个数相乘，由于是模拟乘法器，所以就用电压值来代表，输入的乘数和被乘数以及输出的积，其本质为无量纲的数量，只是代表测量的量纲的大小，W，为电压输出值，只是代表是功率值，具体为：

原边线圈的AD734的公式为：

这里的Z2等于0，因此原边线圈的AD734的输出为：

P＝u₁i₁＝2UIcos(ωt)cos(ωt-φ)/10＝UI[cosφ+cos(2ωt-φ)]/10……(公式1)

注：公式1的P为硬件乘法器的电压输出值，实际表征功率测量值。

值得注意的是，因为AD734是物理量为电压的硬件乘法器，其输入输出值为电压，输出幅值衰减10倍，这里的P，为测量功率值，不是真实的功率量值，只是功率的电压测量值。

2)假如副边的功率为P’，则P’＝P-ΔP。

副边线圈的AD734的公式为：

其中Z2＝-P，此处可通过1:1的反相比例放大器实现。即：

注：P’为硬件乘法器的电压输出值，实际表征功率测量值因此副边线圈的AD734的输出为：W＝(-ΔP+P)-P；

W＝-ΔP(公式2)

公式1和公式2均为一个频率为2wt的单边的正弦函数。频率为几十kHz，低通滤波器可以对其进行滤波，滤波截止频率可以设置为100Hz。从而得到直流信号，通过测试该直流信号的幅值就是效率：

基于上述的无线充电系统的耦合线圈效率测试装置，本申请还提出一种无线充电系统的耦合线圈效率测试方法。请参阅图5，图5是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试方法一实施例的流程示意图。在本实施例中，具体可以包括以下步骤：

S510：分别测量原边线圈的输入电压和输入电流，以及副边线圈的输出电压和输出电流。

S520：对输入电压和输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；对输出电压和输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号。

S530：根据第一交流信号和第二交流信号，得出耦合线圈的效率值。

请参阅图6，图6是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试方法另一实施例的流程示意图。本实施例与上述实施例相同的部分，在此不再赘述。步骤可以包括：

S610：分别测量原边线圈的输入电压和输入电流，以及副边线圈的输出电压和输出电流。

S620：对输入电压和输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；对输出电压和输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号。

S630：将第一交流信号处理为第一直流信号，将第二交流信号处理为第二直流信号。

S640：根据第一直流信号和第二直流信号，得出耦合线圈的效率值。

请参阅图7，图7是本申请无线充电系统的耦合线圈效率测试方法又一实施例的流程示意图。本实施例与上述实施例相同的部分，在此不再赘述。步骤可以包括：

S710：分别测量原边线圈的输入电压和输入电流，以及副边线圈的输出电压和输出电流。

S720：对输入电压和输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；对输出电压和输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号。

S730：将第一交流信号处理成反相的第一交流信号。

S740：将第二交流信号加上反相的第一交流信号，得到第三交流信号。

S750：将第一交流信号处理为第一直流信号，将第三交流信号处理为第三直流信号。

S760：根据第一直流信号和第三直流信号，得出耦合线圈的效率值。

可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。文中所使用的步骤编号也仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种无线充电系统的耦合线圈效率测试装置，其特征在于，包括：

耦合线圈，包括原边线圈和副边线圈；

原边数据采集单元，连接所述原边线圈，用于测量所述原边线圈的输入电压和输入电流；

副边数据采集单元，连接所述副边线圈，用于测量所述副边线圈的输出电压和输出电流；

原边乘法器，连接所述原边数据采集单元，用于对所述输入电压和所述输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；

副边乘法器，连接所述副边数据采集单元，用于对所述输出电压和所述输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号；

测量计算单元，连接所述原边乘法器和所述副边乘法器，用于根据所述第一交流信号和所述第二交流信号，得出所述耦合线圈的效率值；

所述测量计算单元包括：反相比例放大器、第一低通滤波器、第二低通滤波器和计算单元；

所述反相比例放大器的反相输入端通过第一电阻连接所述原边乘法器的输出端，所述反相比例放大器的输出端连接所述副边乘法器的输入端，第二电阻分别连接在所述反相比例放大器的反相输入端和输出端，所述反相比例放大器的正相输入端接地；

其中，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相同；

所述反相比例放大器，连接所述原边乘法器，用于将所述第一交流信号处理成反相的第一交流信号；

所述副边乘法器，连接所述反相比例放大器，还用于将所述第二交流信号加上所述反相的第一交流信号，得到第三交流信号；

第一低通滤波器，连接所述原边乘法器，用于将所述第一交流信号处理为第一直流信号；

第二低通滤波器，连接所述副边乘法器，用于将所述第三交流信号处理为第三直流信号；

计算单元，连接所述第一低通滤波器和所述第二低通滤波器，用于根据所述第一直流信号和所述第三直流信号，得出所述耦合线圈的效率值。

2.根据权利要求1所述的耦合线圈效率测试装置，其特征在于，

所述原边乘法器进行的乘法运算为：第一交流信号=输入电压×输入电流；

所述副边乘法器进行的乘法运算为：第二交流信号=输出电压×输出电流。

3.根据权利要求1所述的耦合线圈效率测试装置，其特征在于，

所述原边数据采集单元包括第一电流互感器和第一电压互感器，所述第一电流互感器用于测量所述原边线圈的输入电流，所述第一电压互感器用于测量所述原边线圈的输入电压；

所述副边数据采集单元包括第二电流互感器和第二电压互感器，所述第二电流互感器用于测量所述副边线圈的输出电流，所述第二电压互感器用于测量所述副边线圈的输出电压。

4.根据权利要求1所述的耦合线圈效率测试装置，其特征在于，

所述原边乘法器和所述副边乘法器的型号相同，为AD734；

所述测量计算单元包括安捷伦3458A。

5.一种无线充电系统的耦合线圈效率测试方法，所述方法采用如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，包括：

分别测量原边线圈的输入电压和输入电流，以及副边线圈的输出电压和输出电流；

对所述输入电压和所述输入电流进行乘法运算，得到单极性的第一交流信号；对所述输出电压和所述输出电流进行乘法运算，得到单极性的第二交流信号；

将第一交流信号处理成反相的第一交流信号；

将第二交流信号加上反相的第一交流信号，得到第三交流信号；

将第一交流信号处理为第一直流信号，将第三交流信号处理为第三直流信号；

根据所述第一直流信号和所述第三直流信号，得出所述耦合线圈的效率值。