本發(fā)明涉及一種無線能量效率測試系統(tǒng)。

背景技術：

無線電能傳輸技術是一種新型的電能傳輸方式，它是相對于傳統(tǒng)的利用導線連接的電能傳輸方式而言的，是指電能從電源到負載的一種沒有直接的電氣接觸的能量傳輸方式。當前無線電能傳輸技術的熱點研究領域包括電動汽車、消費電子、醫(yī)療設備和工業(yè)應用。

無線電能傳輸技術在消費電子領域的應用發(fā)展迅猛，目前已經(jīng)形成了行業(yè)標準，手機無線充電技術已經(jīng)成熟并已廣泛應用、電腦和智能家居方面即將實現(xiàn)無線電能傳輸技術的產(chǎn)業(yè)化應用；無線電能傳輸技術在醫(yī)療設備應用主要集中植入式醫(yī)療設備的無線供電中，諸如心臟起搏器、全人工心臟、人工耳蝸和視網(wǎng)膜假體等；無線電能傳輸技術在電動汽車的無線充電也是當前研究熱點；隨著無線電能傳輸技術不斷的成熟和發(fā)展，其在工業(yè)領域也有非常廣闊的應用前景。在工業(yè)上一些特殊場合如化工設備中的檢測裝置、水下機器人、分布式傳感器的供電問題等。

通常，無線能量傳輸系統(tǒng)效率與發(fā)送端線圈工作頻率、接收端線圈的負載阻抗等系統(tǒng)內部因素相關，并且與發(fā)送端與接收端的距離、偏移量和偏移角度等外部條件密切相關。如何得到無線能量傳輸效率與工作頻率、負載阻抗、線圈相對位置等因素的定量關系，是無線能量傳輸技術研究的一個重要內容。通過對無線能量傳輸技術的調研，目前沒有能夠對多種因素綜合測試的裝置和方法，迫切需要一種能夠對工作頻率、負載阻抗、線圈相對位置等條件變化時無線能量傳輸效率進行綜合測試的裝置和測試方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術解決問題是：克服現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提出了一種無線能量傳輸效率測試系統(tǒng)，可在不同工作頻率、負載阻抗、距離、偏移量、偏移角等條件變化時對無線能量傳輸效率進行測試，獲取無線能量傳輸效率與距離、偏移之間的精確關系，獲得無線能量傳輸系統(tǒng)最優(yōu)工作頻率和最佳匹配負載。

本發(fā)明的技術解決方案是：一種無線能量傳輸效率測試系統(tǒng)，包括輸入電源、發(fā)送端控制器、發(fā)送端線圈、接收端線圈、接收端控制器、負載、移動裝置和上位機；輸入電源為發(fā)送端控制器、發(fā)送端線圈、接收端線圈、接收端控制器、負載、移動裝置和上位機供電；發(fā)送端控制器將輸入電源發(fā)送的電信號轉換成高頻信號發(fā)送至發(fā)送端線圈，發(fā)送端控制器將采集到的輸入電源的輸入電壓U_I和輸入電流I_I發(fā)送到上位機；發(fā)送端線圈與發(fā)送端控制器輸出端連接，將發(fā)送端控制器產(chǎn)生的高頻信號攜帶的電能轉化為磁場能發(fā)送至接收端線圈；接收端線圈將發(fā)送端線圈產(chǎn)生的磁場能通過電磁耦合作用轉化為電能，電能以高頻信號的形式傳輸至接收端控制器；接收端控制器與接收端線圈輸出端連接，將接收端線圈發(fā)送的高頻信號進行濾波、整流并將高頻信號轉換為直流信號；接收端控制器將采集到的輸出電壓U_O和輸出電流I_O發(fā)送到上位機；負載與輸出端控制器連接，消耗接收端線圈采集到的能量；移動裝置固定發(fā)送端線圈和接收端線圈，其中發(fā)送端線圈的位置和角度固定，接收端線圈相對于發(fā)送端線圈可以進行平移和轉動；

移動裝置控制接收端線圈，使得接收端線圈相對于發(fā)送端線圈產(chǎn)生距離d、偏移量δ或偏移角λ的變化，并將距離d、偏移量δ或偏移角λ信息發(fā)送至上位機；接收端線圈中心在發(fā)送端線圈坐標系O₀X₀Y₀Z₀中的坐標為(x₁，y₁，z₁)，則其中，θ為接收端線圈平面沿過線圈中心垂直向上的軸相對于發(fā)送端線圈平面的偏轉角，在初始位置，接收端線圈與發(fā)送端線圈平行；所述發(fā)送端線圈坐標系O₀X₀Y₀Z₀以發(fā)送端線圈中心為原點O₀，垂直于發(fā)送端線圈所在平面方向為X₀軸，沿原點豎直向上方向為Z₀軸，Y₀軸與X₀軸、Z₀軸符合右手定則；

上位機采集發(fā)送端控制器發(fā)送的輸入電壓U_I、輸入電流I_I，接收端控制器發(fā)送的輸出電壓U_O、輸出電流I_O及移動裝置發(fā)送的距離d、偏移量δ或偏移角λ信息；上位機向移動裝置發(fā)送指令控制接收端線圈相對發(fā)送端線圈產(chǎn)生距離d、偏移量δ或偏移角λ變化，向發(fā)送端控制器發(fā)送指令對發(fā)送端控制器工作頻率f進行設置；上位機根據(jù)輸入電壓U_I、輸入電流I_I、輸出電壓U_O、輸出電流I_O得到無線能量傳輸效率η及無線能量傳輸效率η與距離d、偏移量δ、偏移角λ、發(fā)送端控制器工作頻率f或負載阻抗R的關系。

所述上位機根據(jù)輸入電壓U_I、輸入電流I_I、輸出電壓U_O、輸出電流I_O得到無線能量傳輸效率η及無線能量傳輸效率η與距離d、偏移量δ、偏移角λ、發(fā)送端控制器工作頻率f或負載電阻R的關系，具體步驟如下：

I、改變距離d、偏移量δ、偏移角λ、發(fā)送端控制器工作頻率f、負載阻抗R五個參數(shù)中的一個或組合，固定其余參數(shù)的值，采集獲得相應的輸入電壓U_I、輸入電流I_I、輸出電壓U_O、輸出電流I_O；

II、根據(jù)公式計算獲得相應的無線能量傳輸效率η，并獲得步驟I中發(fā)生改變的參數(shù)與無線能量傳輸效率η的關系曲線。

所述負載為阻性負載或恒功率負載。

所述輸入電源為直流電源或交流電源。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明通過上位機可以設置無線能量傳輸裝置發(fā)送端線圈工作頻率，可以獲取工作頻率對無線能量傳輸效率的關系；通過設置不同的接收端線圈阻抗，可以獲得負載阻抗與無線能量傳輸效率關系；通過設置接收端線圈相對于發(fā)送端的位置(距離、偏移量、偏轉角)變化，獲取相對位置對無線能量傳輸效率的關系；能夠獲得無線能量傳輸系統(tǒng)最優(yōu)工作頻率和最佳匹配負載。

(2)通過本發(fā)明裝置和方法，可以方便的得到不同工作頻率、負載阻抗、距離、偏移量、偏移角等條件變化時無線能量傳輸效率，一方面可以輔助研究各種外部因素對于無線能量傳輸效率的影響，更好地開展系統(tǒng)設計；另一方面有助于對已有的無線能量傳輸裝置進行標準化測試。

附圖說明

圖1無線能量傳輸效率測試系統(tǒng)示意圖；

圖2移動裝置示意圖。

圖3發(fā)送端線圈與接收端線圈位置關系示意圖。

圖4多因素綜合無線能量傳輸效率測試流程。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種不同距離、偏移量、偏移角等條件變化時無線能量傳輸效率測試系統(tǒng)。

如圖1所示，無線能量傳輸效率測試系統(tǒng)包括輸入電源、發(fā)送端控制器、發(fā)送端線圈、接收端線圈、接收端控制器、負載、移動裝置和上位機。

輸入電源為無線能量傳輸效率測試系統(tǒng)供電，可以采用直流電源，也可以采用交流電源；

發(fā)送端控制器將輸入電源通過直流-交流、交流-交流或交流-直流-交流變換成無線能量傳輸系統(tǒng)所需的高頻信號；發(fā)送端控制器還將采集到輸入電源的電壓和電流發(fā)送到上位機，并可由上位機對發(fā)送端控制器的工作頻率進行設置；

發(fā)送端線圈通過利茲線與發(fā)送端控制器輸出端連接，將發(fā)送端控制器產(chǎn)生的高頻信號攜帶的電能轉化為磁場能；

接收端線圈將發(fā)送端線圈產(chǎn)生的磁場能通過電磁耦合作用轉化為電能，電能以高頻信號的形式傳輸；

接收端控制器與接收端線圈輸出端連接，將接收端線圈發(fā)送的高頻信號進行濾波、整流并將高頻信號轉換為直流信號；接收端控制器還將采集到的輸出電壓、電流信號發(fā)送到上位機；

負載直接與輸出端控制器連接，用于接收端線圈采集到的能量消耗。根據(jù)不同應用場合，可以為阻性負載或恒功率負載；

移動裝置固定發(fā)送端線圈和接收端線圈，其中發(fā)送端線圈的位置和角度固定，接收端線圈相對于發(fā)送端線圈可以進行平移和轉動。移動裝置采用三自由度伺服電機控制接收端線圈，使得接收端線圈相對于發(fā)送端線圈產(chǎn)生距離、偏移量和角度變化。如圖2所示，接收端線圈坐標系O_dX_dY_dZ_d以接收端線圈中心為原點O_d，垂直于線圈所在平面方向為X_d軸，沿原點O_d豎直向上方向為Z_d軸，按右手坐標系確定Y_d軸，X_d、Y_d軸電機負責帶動接收端線圈移動產(chǎn)生距離d、偏移量δ，Z_d軸電機負責繞接收端線圈Z_d軸旋轉產(chǎn)生旋轉角θ。

上位機為無線能量傳輸效率測試裝置的核心，與發(fā)送端控制器、接收端控制器、移動裝置連接。上位機采集發(fā)送端控制器電壓、電流，接收端電壓、電流信息，以及移動裝置的距離、角度、偏移量信息，同時，上位機還能夠向移動裝置發(fā)送指令，使接收端線圈能夠相對發(fā)送端線圈產(chǎn)生距離、角度和偏移量變化，經(jīng)過計算后得到不同條件下無線能量傳輸效率η。另外，上位機還能夠通過設置發(fā)送端控制裝置工作在不同頻率，用于測試在不同工作頻率時的傳輸效率。

如圖4所示，本發(fā)明提供的一種適用于不同工作頻率、負載阻抗R、距離d、偏移量δ、偏移角λ等條件變化時無線能量傳輸效率測試方法，其步驟如下：

(1)通過上位機設定發(fā)送端控制器工作頻率f。如將無線能量傳輸線圈磁耦合頻率設置為85kHz。

(2)設置接收端線圈負載阻抗R。

(3)設定發(fā)送端和接收端線圈的初始位置。建立發(fā)送端線圈坐標系O₀X₀Y₀Z₀，以發(fā)送端線圈中心為原點O₀，垂直于線圈所在平面方向為X₀軸，沿原點豎直向上方向為Z₀軸，按右手坐標系確定Y₀軸。接收端線圈相對于發(fā)送端線圈的位置如圖2所示，接收端線圈中心的坐標為(x₁，y₁，z₁)。

(4)采集接收端線圈的移動量(d、δ、λ)。其中，距離d為在X₀軸上接收端線圈中心相對于發(fā)送端線圈中心的距離；偏移量δ為在Y₀軸上接收端線圈中心相對于發(fā)送端線圈中心的距離；偏移角λ為接收端線圈平面相對于發(fā)送端線圈平面偏轉角，在初始位置，接收端線圈與發(fā)送端線圈平行；如圖3所示，d、δ、λ的計算公式如下：

(5)采集發(fā)送端輸入電壓U_I和輸入電流I_I。

(6)采集接收端輸出電壓U_O和輸出電流I_O。

(7)計算無線能量傳輸效率η。當接收端在某位置(x₁，y₁，z₁)時，即接收端線圈在不同的移動量(d、δ、λ)時，在設定的工作頻率f和負載阻抗R條件下，無線能量傳輸效率計算公式如下：

1)若d變化，其余參數(shù)固定時，通過測定不同d值時對應的無線能量傳輸效率η，可得到無線能量傳輸效率與傳輸距離之間的關系曲線；

2)若δ變化，其余參數(shù)固定時，通過測定不同δ值時對應的無線能量傳輸效率η，可得到無線能量傳輸效率與線圈偏移量之間的關系曲線；

3)若λ變化，其余參數(shù)固定時，通過測定不同λ值時對應的無線能量傳輸效率η，可得到無線能量傳輸效率與線圈偏轉角之間的關系曲線；

4)若f變化，其余參數(shù)固定時，通過測定不同f值時對應的無線能量傳輸效率η，可得到無線能量傳輸效率與線圈偏轉角之間的關系曲線；

5)若R變化，其余參數(shù)固定時，通過測定不同R值時對應的無線能量傳輸效率η，可得到無線能量傳輸效率與線圈偏轉角之間的關系曲線；

6)其它情況時即若距離d、偏移量δ、偏移角λ、發(fā)送端控制器工作頻率f、負載阻抗R中的兩個或多個參數(shù)變化，其余參數(shù)固定時，可得到無線能量傳輸效率與不同距離、偏移量、偏轉角、發(fā)送端控制器工作頻率和負載阻抗之間的關系曲線。

本發(fā)明說明書未說明部分屬于本領域技術人員公知常識。