一种磁耦合无线电能传输系统自动测试装置和方法

1.本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种磁耦合无线电能传输系统自动测试装置和方法。


背景技术：

2.随着时代的发展，电力设备的发展也日新月异，电力设备应用在各种各样复杂的实际场景中。传统的有线电能传输由于存在输电线路容易破损老化而产生电火花的问题，严重影响了电气设备的寿命甚至影响人们的人身安全，已经不能满足人们对于高品质生活水平的需求。磁耦合谐振传输技术具有传输功率适中、效率高、距离适中的特点，具有重要的研究价值和应用意义。
3.虽然无线传能有很多优点，但是无线电能传输系统的效率问题一直是人民关注的问题，无线电能传输系统的效率包含逆变器效率、线圈之间效率和整流器效率，而线圈之间不同位置(轴向距离d、径向偏移h、角度偏移)又是影响效率的重要因素之一，所以测试逆变器效率、线圈之间效率和整流器效率具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对现有的无线电能传输系统如何实现自动化测试逆变器效率、线圈之间效率、整流器效率的问题，本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统自动测试装置，该测试装置包括信息发送模块、第一功率采集模块、第二功率采集模块、直流电源、逆变器、多自由度转台、发射线圈、接收线圈、第三功率采集模块、第四功率采集模块、整流电路、负载和信息接收模块；直流电源与第一功率采集模块相连，第一功率采集模块与逆变器相连，逆变器与第二功率采集模块相连，第二功率采集模块与多自由度转台相连，多自由度转台与第三功率采集模块相连，第三功率采集模块与整流电路相连，整流电路与第四功率采集模块相连，第四功率采集模块与负载相连，发射线圈与接收线圈安装于多自由度转台上，第一功率采集模块和第二功率采集模块与信息发送模块相连，第三功率采集模块和第四功率采集模块与信息接收模块相连。多自由度转台用于使接收线圈相对于发射线圈进行轴向运动、径向运动和/或角度旋转。直流电源用于为逆变器提供直流电输出，逆变器用于将直流电转化成交流电，整流电路用于将交流电转换成直流电，发射线圈用于将无线电能发送到自由空间中，接收线圈用于接收发射线圈发送的无线电能。
5.第一功率采集模块采集逆变器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算逆变器的实时输入功率p1；第二功率采集模块采集逆变器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算逆变器实时输出功率p2；第三功率采集模块采集整流器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算整流器实时输入功率p3；第四功率采集模块采集整流器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算整流器实时输出功率p4。
6.多自由度转台能够使发射线圈与接收线圈按照设定方向运动，发射线圈内径为
r1，接收线圈内径为r2，多自由度转台使接收线圈相对于发射线圈的轴向运动量为d，使接收线圈相对于发射线圈的径向运动量为h，使接收线圈相对于发射线圈的角度旋转量为
7.第一功率采集模块将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，第二功率采集模块将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，第三功率采集模块将整流器输入功率p3传入信息接收模块，第四功率采集模块将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2发送到信息接收模块，信息接收模块计算得到逆变器效率为计算得到线圈传输效率为计算得到整流电路效率为利用逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，计算得到该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
8.本发明公开了一种利用所述的磁耦合无线电能传输系统自动测试装置，对磁耦合无线电能传输系统进行自动测试的方法，第一功率采集模块将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，第二功率采集模块将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，第三功率采集模块将整流器输入功率p3传入信息接收模块，第四功率采集模块将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2发送到信息接收模块，信息接收模块计算得到逆变器效率为计算得到线圈传输效率为计算得到整流电路效率为利用逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，计算得到该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
9.具体地，对于该磁耦合无线电能传输系统的整体效率的计算，利用一段时间内计算得到的逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，构建效率矩阵，对该效率矩阵进行奇异值分解，得到其非零奇异值，利用其非零奇异值作为权值，对每个时刻的逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率进行加权求和计算，得到相应时刻的该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
10.具体地，在一段时间内，以一定时间间隔，信息接收模块分别计算得到逆变器效率、线圈传输效率、整流电路效率的时间离散值所构成的向量分别为[η
1,1
,η
1,2
,
…
,η
1,n
]、[η
2,1
,η
2,2
,
…
,η
2,n
]、[η
3,1
,η
3,2
,
…
,η
3,n
]，将其表示为向量形式，得到y1＝[η
1,1
,η
1,2
,
…
,η
1,n
]，y2＝[η
2,1
,η
2,2
,
…
,η
2,n
]，y3＝[η
3,1
,η
3,2
,
…
,η
3,n
]，n为一段时间内所计算得到的各类效率值的数目，构建效率矩阵x＝[y1；y2；y3]，对该效率矩阵进行奇异值分解，得到
[0011]
x＝uσv
t
，
[0012]
其中，u为左乘矩阵，v为右乘矩阵，σ为奇异值矩阵，其表示式为：
[0013][0014]
其中，奇异值对角矩阵σ1＝diag(σ1,σ2,σ3)，以奇异值σ1,σ2,σ3作为权值，对每个时刻的逆变器效率、线圈传输效率、整流电路效率的计算值进行加权求和，得到相应时刻该磁耦合无线电能传输系统的整体效率值，即：
[0015]
zηi＝σ1η
1,i
σ2η
2,i
σ3η
3,i
，
[0016]
其中，zηi表示第i个时刻磁耦合无线电能传输系统的整体效率值，i表示效率值计算时刻的序号。
[0017]
具体地，在对磁耦合无线电能传输系统进行自动测试过程中，使用多自由度转台使发射线圈与接收线圈按照设定方向运动，记录功率采集模块采集功率信息的时刻，接收线圈相对于发射线圈的相对位置信息，利用一段时间内的该磁耦合无线电能传输系统的整体效率与对应时刻的接收线圈相对于发射线圈的相对位置信息，采用函数拟合方法对两类变量进行拟合，得到拟合函数，利用拟合函数的参数，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态是否正常。
[0018]
具体地，利用拟合函数的参数，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态是否正常，将拟合函数的参数作为向量，将设定的磁耦合无线电能传输系统的传输函数的参数作为标准向量，计算两个向量之差的范数，当该范数值超过某阈值后，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态不正常。所采用的向量范数，为l0范数、l1范数、l2范数、l
∞
范数或l
p
范数中的一种或几种的组合。
[0019]
本发明的有益效果为：
[0020]
一、本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统自动测试方法，利用多自由度转台可以自动实现接收线圈相对于发射线圈轴向运动d、径向运动h、角度偏移
[0021]
二、本发明的控制电路简单且损耗小，其成本低，可测试逆变器效率，可测试整流器效率，当接收线圈与发射线圈不同位置时，可以实时计算线圈之间效率、系统的整体传输效率，并对该磁耦合无线电能传输系统的工作状态进行判断。
附图说明
[0022]
图1为本发明的磁耦合无线电能传输系统自动测试系统结构图；
[0023]
图2为本发明的磁耦合多自由度转台中发射线圈与接收线圈的线圈位置图。
具体实施方式
[0024]
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
[0025]
图1为本发明的磁耦合无线电能传输系统自动测试系统结构图；
[0026]
图2为本发明的磁耦合多自由度转台中发射线圈与接收线圈的线圈位置图。
[0027]
实施例一：
[0028]
本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统自动测试装置，该测试装置包括信息发送模块、第一功率采集模块、第二功率采集模块、直流电源、逆变器、多自由度转台、发射线圈、接收线圈、第三功率采集模块、第四功率采集模块、整流电路、负载和信息接收模块；直流电源与第一功率采集模块相连，第一功率采集模块与逆变器相连，逆变器与第二功率采集模块相连，第二功率采集模块与多自由度转台相连，多自由度转台与第三功率采集模块相连，第三功率采集模块与整流电路相连，整流电路与第四功率采集模块相连，第四功率采集模块与负载相连，发射线圈与接收线圈安装于多自由度转台上，第一功率采集模块和第二功率采集模块与信息发送模块相连，第三功率采集模块和第四功率采集模块与信息接收模块相连。多自由度转台用于使接收线圈相对于发射线圈进行轴向运动、径向运动和/或角度旋转。直流电源用于为逆变器提供直流电输出，逆变器用于将直流电转化成交流电，整流电路用于将交流电转换成直流电，发射线圈用于将无线电能发送到自由空间中，接收线圈用于接收发射线圈发送的无线电能。负载为用电设备。
[0029]
第一功率采集模块采集逆变器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算逆变器的实时输入功率p1；第二功率采集模块采集逆变器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算逆变器实时输出功率p2；第三功率采集模块采集整流器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算整流器实时输入功率p3；第四功率采集模块采集整流器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算整流器实时输出功率p4。
[0030]
多自由度转台能够使发射线圈与接收线圈按照设定方向运动，发射线圈内径为r1，接收线圈内径为r2，多自由度转台使接收线圈相对于发射线圈的轴向运动量为d，使接收线圈相对于发射线圈的径向运动量为h，使接收线圈相对于发射线圈的角度旋转量为
[0031]
第一功率采集模块将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，第二功率采集模块将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，第三功率采集模块将整流器输入功率p3传入信息接收模块，第四功率采集模块将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2发送到信息接收模块，信息接收模块计算得到逆变器效率为计算得到线圈传输效率为计算得到整流电路效率为利用逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，计算得到该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
[0032]
本发明公开了一种利用所述的磁耦合无线电能传输系统自动测试装置，对磁耦合无线电能传输系统进行自动测试的方法，第一功率采集模块将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，第二功率采集模块将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，第三功率采集模块将整流器输入功率p3传入信息接收模块，第四功率采集模块将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2发送到信息接收模块，信息接收模块计算得到逆变器效率为计算得到线圈传输效率为计算得到整流电路效率为利用逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，计算得到该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
[0033]
具体地，对于该磁耦合无线电能传输系统的整体效率的计算，利用一段时间内计算得到的逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，构建效率矩阵，对该效率矩阵进行奇异值分解，得到其非零奇异值，利用其非零奇异值作为权值，对每个时刻的逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率进行加权求和计算，得到相应时刻的该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
[0034]
具体地，在一段时间内，以一定时间间隔，信息接收模块分别计算得到逆变器效率、线圈传输效率、整流电路效率的时间离散值所构成的向量分别为[η
1,1
,η
1,2
,
…
,η
1,n
]、[η
2,1
,η
2,2
,
…
,η
2,n
]、[η
3,1
,η
3,2
,
…
,η
3,n
]，将其表示为向量形式，得到y1＝[η
1,1
,η
1,2
,
…
,η
1,n
]，y2＝[η
2,1
,η
2,2
,
…
,η
2,n
]，y3＝[η
3,1
,η
3,2
,
…
,η
3,n
]，n为一段时间内所计算得到的各类效率值的数目，构建效率矩阵x＝[y1；y2；y3]，对该效率矩阵进行奇异值分解，得到
[0035]
x＝uσv
t
，
[0036]
其中，u为左乘矩阵，v为右乘矩阵，σ为奇异值矩阵，其表示式为：
[0037][0038]
其中，奇异值对角矩阵σ1＝diag(σ1,σ2,σ3)，以奇异值σ1,σ2,σ3作为权值，对每个时刻的逆变器效率、线圈传输效率、整流电路效率的计算值进行加权求和，得到相应时刻该磁耦合无线电能传输系统的整体效率值，即：
[0039]
zηi＝σ1η
1,i
σ2η
2,i
σ3η
3,i
，
[0040]
其中，zηi表示第i个时刻磁耦合无线电能传输系统的整体效率值，i表示效率值计算时刻的序号。
[0041]
具体地，在对磁耦合无线电能传输系统进行自动测试过程中，使用多自由度转台使发射线圈与接收线圈按照设定方向运动，记录功率采集模块采集功率信息的时刻，接收线圈相对于发射线圈的相对位置信息，利用一段时间内的该磁耦合无线电能传输系统的整体效率与对应时刻的接收线圈相对于发射线圈的相对位置信息，采用函数拟合方法对两类变量进行拟合，得到拟合函数，利用拟合函数的参数，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态是否正常。
[0042]
具体地，利用拟合函数的参数，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态是否正常，将拟合函数的参数作为向量，将设定的磁耦合无线电能传输系统的传输函数的参数作为标准向量，计算两个向量之差的范数，当该范数值超过某阈值后，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态不正常。所采用的向量范数，为l0范数、l1范数、l2范数、l
∞
范数或l
p
范数中的一种或几种的组合。
[0043]
当接收线圈与发射线圈不同位置时，可以实时计算逆变器效率、整流器效率、线圈传输效率、系统的整体传输效率。
[0044]
实施例二：
[0045]
本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统自动测试装置，该测试装置包括信息发送模块、第一功率采集模块、第二功率采集模块、直流电源、逆变器、多自由度转台、发射线圈、接收线圈、第三功率采集模块、第四功率采集模块、整流电路、负载和信息接收模块；直流电源与第一功率采集模块相连，第一功率采集模块与逆变器相连，逆变器与第二功率采集模块相连，第二功率采集模块与多自由度转台相连，多自由度转台与第三功率采集模块相连，第三功率采集模块与整流电路相连，整流电路与第四功率采集模块相连，第四功率采集模块与负载相连，发射线圈与接收线圈安装于多自由度转台上，第一功率采集模块和第二功率采集模块与信息发送模块相连，第三功率采集模块和第四功率采集模块与信息接收模块相连。多自由度转台用于使接收线圈相对于发射线圈进行轴向运动、径向运动和/或角度旋转。直流电源用于为逆变器提供直流电输出，逆变器用于将直流电转化成交流电，整流电路用于将交流电转换成直流电，发射线圈用于将无线电能发送到自由空间中，接收线圈用于接收发射线圈发送的无线电能。
[0046]
第一功率采集模块采集逆变器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算逆变器的实时输入功率p1；第二功率采集模块采集逆变器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算逆变器实时输出功率p2；第三功率采集模块采集整流器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算整流器实时输入功率p3；第四功率采集模块采集整流器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压
值与电流值计算整流器实时输出功率p4。
[0047]
多自由度转台能够使发射线圈与接收线圈按照设定方向运动，发射线圈内径为r1，接收线圈内径为r2，多自由度转台使接收线圈相对于发射线圈的轴向运动量为d，使接收线圈相对于发射线圈的径向运动量为h，使接收线圈相对于发射线圈的角度旋转量为
[0048]
第一功率采集模块将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，第二功率采集模块将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，第三功率采集模块将整流器输入功率p3传入信息接收模块，第四功率采集模块将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2发送到信息接收模块，信息接收模块计算得到逆变器效率为计算得到线圈传输效率为计算得到整流电路效率为利用逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，计算得到该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
[0049]
本发明公开了一种利用所述的磁耦合无线电能传输系统自动测试装置，对磁耦合无线电能传输系统进行自动测试的方法，第一功率采集模块将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，第二功率采集模块将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，第三功率采集模块将整流器输入功率p3传入信息接收模块，第四功率采集模块将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2发送到信息接收模块，信息接收模块计算得到逆变器效率为计算得到线圈传输效率为计算得到整流电路效率为利用逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，计算得到该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
[0050]
具体地，对于该磁耦合无线电能传输系统的整体效率的计算，利用一段时间内计算得到的逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率，构建效率矩阵，对该效率矩阵进行奇异值分解，得到其非零奇异值，利用其非零奇异值作为权值，对每个时刻的逆变器效率、线圈传输效率和整流电路效率进行加权求和计算，得到相应时刻的该磁耦合无线电能传输系统的整体效率。
[0051]
具体地，在一段时间内，以一定时间间隔，信息接收模块分别计算得到逆变器效率、线圈传输效率、整流电路效率的时间离散值所构成的向量分别为[η
1,1
,η
1,2
,
…
,η
1,n
]、[η
2,1
,η
2,2
,
…
,η
2,n
]、[η
3,1
,η
3,2
,
…
,η
3,n
]，将其表示为向量形式，得到y1＝[η
1,1
,η
1,2
,
…
,η
1,n
]，y2＝[η
2,1
,η
2,2
,
…
,η
2,n
]，y3＝[η
3,1
,η
3,2
,
…
,η
3,n
]，n为一段时间内所计算得到的各类效率值的数目，构建效率矩阵x＝[y1；y2；y3]，对该效率矩阵进行奇异值分解，得到
[0052]
x＝uσv
t
，
[0053]
其中，u为左乘矩阵，v为右乘矩阵，σ为奇异值矩阵，其表示式为：
[0054][0055]
其中，奇异值对角矩阵σ1＝diag(σ1,σ2,σ3)，以奇异值σ1,σ2,σ3作为权值，对每个时刻的逆变器效率、线圈传输效率、整流电路效率的计算值进行对数加权求和，得到相应时刻该磁耦合无线电能传输系统的整体效率值，即：
[0056]
zηi＝|log(σ1/σ0)|η
1,i
|log(σ2/σ0)σ2η
2,i
log(σ3/σ0)|σ3η
3,i
，
[0057]
其中，zηi表示第i个时刻磁耦合无线电能传输系统的整体效率值，i表示效率值计算时刻的序号，σ0＝σ1 σ2 σ3。
[0058]
具体地，在对磁耦合无线电能传输系统进行自动测试过程中，使用多自由度转台使发射线圈与接收线圈按照设定方向运动，记录功率采集模块采集功率信息的时刻，接收线圈相对于发射线圈的相对位置信息，利用一段时间内的该磁耦合无线电能传输系统的整体效率与对应时刻的接收线圈相对于发射线圈的相对位置信息，采用函数拟合方法对两类变量进行拟合，得到拟合函数，利用拟合函数的参数，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态是否正常。
[0059]
具体地，利用拟合函数的参数，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态是否正常，将拟合函数的参数作为向量，将设定的磁耦合无线电能传输系统的传输函数的参数作为标准向量，计算两个向量之差的范数，当该范数值超过某阈值后，判断该磁耦合无线电能传输系统的工作状态不正常。所采用的向量范数，为l0范数、l1范数、l2范数、l
∞
范数或l
p
范数中的一种或几种的组合。
[0060]
实施例三：
[0061]
如图1所示，本发明公开了一种磁耦合无线电能传输系统自动测试方法，该测评平台包括信息发送模块、功率采集模块1、功率采集模块2、直流电源、逆变器、多自由度转台、发射线圈、接收线圈、功率采集模块3、功率采集模块4、整流电路、负载和信息接收模块；直接电源与功率采集模块1相连，功率采集模块1与逆变器相连，逆变器与功率采集模块2相连，功率采集模块2与多自由度转台相连，多自由度转台与功率采集模块3相连，功率采集模块3与整流电路相连，整流电路与功率采集模块4相连，功率采集模块4与负载相连，多自由度转台上安装有发射线圈与接收线圈，功率采集模块1和功率采集模块2与信息发送模块相连，功率采集模块3和功率采集模块4与信息接收模块相连。多自由度转台可以使接收线圈相对于发射线圈轴向运动、径向运动和角度旋转。
[0062]
功率采集模块1采集逆变器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算实时逆变器实时输入功率p1；功率采集模块2采集逆变器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算实时逆变器实时输出功率p2；功率采集模块3采集整流器的实时输入电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算实时整流器实时输入功率p3；功率采集模块4采集整流器的实时输出电压值与电流值，并根据采集的电压值与电流值计算实时整流器实时输出功率p4。多自由度转台安装有发射线圈与接收线圈并可以使其自动运动，传输线圈内径为r1，接收线圈内径为r2，多自由度转台可以使接收线圈相对于发射线圈轴向运动d、径向运动h和角度旋转
[0063]
逆变器输入功率为p1，逆变器输出功率为p2，整流器输入功率为p3，整流器输出功率为p4，功率采集模块1将逆变器输入功率p1传入信息发送模块，功率采集模块2将逆变器输出功率p2传入信息发送模块，功率采集模块3将整流器输入功率p3传入信息接收模块，功率采集模块4将整流器输出功率p4传入信息接收模块，信息发送模块将逆变器输入功率p1、输出功率p2传出信息接收模块，信息接收模块计算当前的逆变器效率为线圈传输效率为整流器效率为系统的整体效率
[0064]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。