无线充电智能测试系统设计

卢绮雯 孙成 邓耀华

无线充电智能测试系统设计

卢绮雯1,2孙成2邓耀华2

（1.佛山世科智能技术有限公司，广东 佛山 528200 2.广东工业大学，广东 广州 510006）

针对现有无线充电产品测试设备数字化、智能化程度较低等问题，在对无线充电产品智能测试方法研究的基础上，设计无线充电智能测试系统。该系统包括三轴测试平台、测试仪器、无线充电控制分析软件3部分，可实现对小功率无线充电产品的充电效率面积、充电温升、负载特性等无线充电测试项目的自动测试。实验表明：该测试系统能够准确高效地进行无线充电测试，并将测试结果分析和输出，实现无线充电的自动化测试，提高测试效率和精度。

无线充电；测试系统；充电效率；充电温升；负载特性

0 引言

近年来，随着无线电能传输技术的发展，很多电子设备厂商和研究机构对无线充电技术进行研究，越来越多的无线充电产品出现在市面[1-3]。无线充电产品在研发和生产过程中需要对其性能和安全情况进行多项测试，然而传统无线充电测试采用功能分离、分步式测试方法，不仅工作效率低下，且步骤繁琐，难以做到各个环节多路数据的同步记录，无法实现自动测试。本文对小功率无线充电智能测试方法进行研究，设计无线充电智能测试系统实现小功率无线充电产品的充电效率面积、充电温升[4]、负载特性[5]的自动测试。

1 无线充电智能测试系统总体结构

无线充电智能测试系统包括三轴测试平台、测试仪器、无线充电控制分析软件3部分，如图1所示。

三轴测试平台用于调节无线充电产品接收端与发射端的相对位置，进行不同相对位置的无线充电性能测试。测试仪器包括直流电源、功率计、温度采集器和电子负载，其中直流电源给发射端供电；功率计采集发射端和接收端的功率，从而计算充电转换效率；温度采集器采集无线充电产品发射端和接收端的温度数据，以分析无线充电产品在充电过程中的温度变化情况；电子负载模拟不同负载，从而分析无线充电产品的性能。无线充电控制分析软件进行无线充电智能测试与分析，并显示和输出测试结果，包括测试平台控制、仪器通讯与控制、测试控制与分析、测试结果显示与输出等功能。

图1 无线充电智能测试系统结构

2 无线充电测试方法研究

2.1 充电效率面积测试方法

充电效率面积测试要求测试无线充电产品发射端和接收端在不同相对位置情况下的充电效率。通过设定，，3个方向的测试范围和间隙，形成在测试范围内具有相同间距的测试点，如图2所示。

图2 充电效率面积测试点示意图

功率计测量0 W~120 W范围内的功率值，通过发射端和接收端测量的功率值，计算得到0%~100%的转换效率，最终转换效率精度<0.2%，转换效率计算如式(1)。功率计能够自动调整直接测量并显示，通过LAN连接PC进行数据传输，配合集成测试软件实现控制分析，包括参数设置、测量值监视、通讯获取数据等功能。

式中，为转换效率；RX为接收端功率值；TX为发射端功率值。

充电面积测试是指搜索出有效充电点，并记录绘制充电效率面积图。本系统采用粗略点测试和集中点测试相结合的快速搜索算法，流程图如图3所示。

2.2 充电温升测试方法

图3 有效充电快速搜索算法流程图

表1 温度采集模块通讯协议

首先，将连接温度采集模块的16路热电偶温度探头分别紧贴在发射端和接收端装置的表面，进行温度数据采集；然后，设定充电温升测试时长和温度采集时间间隔，并将接收端装置移动到设定好的无线充电位置进行充电；最后，温度采集模块按温度采集时间间隔进行温度数据采集和记录，直到完成充电温升测试时长。充电温升测试流程如图4所示，其中T表示充电温升测试时长；T表示温度采集时间间隔。

由于无线充电产品充电过程产生的发热量和充电后的冷却量都不依赖环境温度，所以测试可在规定工作范围内的任何环境温度下进行[6]。在进行充电温升测试前，首先，需设定安全充电温度值；然后，通过式(2)进行温升测试判断，若满足该条件，则产品合格，否则产品不符合安全要求。

≤max+envmenv(2)

式中，为系统测试温度值max为安全充电温度限值；env为测试时的环境温度；menv为规定的最大环境温度。

图4 充电温升测试流程

2.3 负载特性测试方法

对于无线充电产品，不同负载的接入会引起系统谐振频率的改变，进而改变系统的等效输入阻抗，使系统不能以最大效率进行功率输出。随着无线充电过程中充放电循环次数的增加，电池等效内阻逐渐增大，负载特性在充电过程中会发生变化，导致充电效率降低。

本文采用直流电子负载模拟不同的负载对负载特性进行测试，如图5所示。通过设定最大和最小负载以及负载测试点数，改变电子负载阻值的大小，对输出功率和充电效率进行测试记录，以分析在接入不同的负载时，无线充电产品的转换效率。

图5 负载特性测试方法

3 实验与分析

图6 发射端装夹实物图

实验根据发射端的额定工作电压、功率，设定输入电压为15 V，输入功率为15 W，电子负载阻值为6.4 Ω。

3.1 充电效率面积测试

设置测试中心点坐标为发射端中心，方向测试范围为82 mm，步进距为1 mm；方向测试范围为38 mm，步进距为1 mm；方向测试高度为6 mm，即发射端和接收端的充电距离。通过测试得到如图7所示的充电效率面积图，其中每个测试点上的数值为该测试点的无线充电转换效率值，范围为0%~100%，最终通过软件分析，输出测试结果如表2所示。

图7 充电效率面积图

表2 充电效率面积测试结果

由图7可以看出：无线充电发射端3个线圈形状轮廓，其中轮廓内部测试点为可充电区域，轮廓外部测试点为非充电区域。从具体每个测试点的转换效率值来看，越靠近线圈中心区域的测试点，转换效率越高，且没有测试到充电坏死区。测试结果显示在6 mm的测试距离，负载阻值为6.4 Ω的情况下，最大充电效率为71%，平均充电效率为61.5%，充电面积为1892 mm2，最终测试时间为83 min，可以准确高效地测试出充电效率面积。

3.2 充电温升测试

充电温升测试实验首先把连接温度采集器的16路热电偶温度探头固定在无线充电发射端的表面；然后，设置测试仪器参数，在软件上设置充电温升测试坐标点为发射端中心，测试时长为1 h，温度采集时间间隔为5 s；最后，进行充电温升测试，控制三轴运动机构将接收端移动到测试坐标点，按采集时间间隔进行多通道的温度数据采集，得到如图8所示的充电温升趋势图。

图8 充电温升趋势图

由图8可知：无线充电产品的发射端在1 h内的充电过程中，随着充电时间的延长，其表面温度会逐渐升高，平均温度从开始的23℃升高到24℃，温度变化幅度较小，在1℃~2℃范围内。16路的热电偶温度探头采集发射端表面不同位置的温度数据，其中最低温度为21.9℃，最高温度为24.7℃，在无线充电安全温度范围内，温升测试结果合格。

3.3 负载特性测试

设定测试坐标点为发射端中心点，最大负载功率为9.8 W，最小负载功率为0.8 W，负载测试次数为10，所以每次负载功率变化量为1 W。由于每次负载功率改变需等待数据稳定后，再进行发射端和接收端功率采集，所以设置等待数据稳定时间为12 s。负载特性测试结果如表3所示。由表3可知：负载功率从0.8 W开始改变，逐渐增大到9.8 W；无线充电的转换效率也呈现逐渐增大的趋势，由21.8%逐渐增大到61.5%；表明负载功率值越大，无线充电的转换效率会越高。

表3 负载特性测试结果

4 结语

本文研究了无线充电产品的测试方法，设计了一种用于小功率无线充电的智能测试系统，通过大量的实验（限于篇幅未将所有的测试数据列举到本文）和实际应用中的数据，该系统能够准确高效地完成充电效率面积、充电温升、负载特性的无线充电测试，并输出测试和分析结果，实现无线充电的自动化测试，提高了测试效率和准确度。

[1] 顾祥语.无线充电技术发展现状与发展趋势[J].电子制作, 2018(22):67-68.

[2] 黄学良,谭林林,陈中,等.无线电能传输技术研究与应用综述[J].电工技术学报,2013,28(10):1-11.

[3] Zou Yuwei, Huang Xueliang, Tan Linlin, et al. Current research situation and developing tendency about wireless power transmission[C]. In: Proceedings of ICECE2010, Wuhan, China：IEEE Computer Society, 2010, 3507-3511.

[4] 刘晓伟.电动汽车动态无线充电温度与磁场检测技术的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.

[5] 孙文慧.电动汽车无线充电系统负载特性研究[D].南京:东南大学,2015.

[6] 李响,何佳,董奇峰.无线充电器安全测试需求与分析[J].数字通信世界,2019(10):16-17,4.

Design of Wireless Charging Intelligent Test System

Lu Qiwen1,2Sun Cheng2Deng Yaohua2

(1.Foshan ShiKe Intelligent Technology Co., Ltd. Foshan 528200, China 2.Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

This paper points at the industry problem that the level of digitization and intelligence in existing wireless charging products test equipment is relatively low, it carries out the design of wireless charging intelligent test system based on the research of wireless charging products intelligent test methods. The system consists of three parts: a three-axis test bench, a test instrument, and a control analysis software. Through this system, it realized automatic testing of wireless charging test items of low-power wireless charging products such as charging efficiency area, charging temperature rise, and load characteristics, so as to test the working performance of wireless charging products. The experiment showed that the test system carried out wireless charging test accurately and efficiently, the test result were analyzed and output, and finally this system achieved wireless charging automatic test, and improved the test efficiency and accuracy.

wireless charging; test system; charging efficiency; charging temperature rise; load characteristics

卢绮雯，女，1982年生，硕士研究生，主要研究方向：智能测控。E-mail: 24084480@qq.com

孙成，男，1992年生，硕士研究生，主要研究方向：仪器仪表工程。

邓耀华，男，1978年生，教授，主要研究方向：数字控制、机器视觉。

TB973

A

1674-2605(2020)04-0009-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.04.009