未來(lái)已來(lái),0.3%功率精度!85KHz無(wú)線充電效率一次性測(cè)準(zhǔn)
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摘要:隨著5G網(wǎng)絡(luò)、新能源汽車(chē)、無(wú)人駕駛等行業(yè)的快速發(fā)展,無(wú)線充電作為一種新型充電技術(shù)具有廣闊應(yīng)用前景,但其在研發(fā)測(cè)試中仍存在高頻功率測(cè)試等難點(diǎn),本文結(jié)合當(dāng)前行業(yè)現(xiàn)狀、實(shí)測(cè)難題以及對(duì)應(yīng)解決方案進(jìn)行展開(kāi)。
1、無(wú)線充電現(xiàn)狀
圖 1 有線充電和無(wú)線充電的對(duì)比
有線充電和無(wú)線充電的對(duì)比如圖1所示,由于無(wú)線充電存在著多種優(yōu)勢(shì),整體的發(fā)展速度非常迅猛。
無(wú)線充電的方式也已經(jīng)越來(lái)越多的被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,例如我們熟知的手機(jī)無(wú)線充電,手表無(wú)線充電,電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電,無(wú)人機(jī)無(wú)線充電等等。未來(lái)還會(huì)有更多的設(shè)備會(huì)應(yīng)用到無(wú)線充電的技術(shù)。
2、無(wú)線充電測(cè)試原理
目前主流的無(wú)線充電方法仍然是電磁感應(yīng)式,其研究最早,最深,研究者也最多,標(biāo)準(zhǔn)也在逐步普及,形成了發(fā)射和接收端兩大產(chǎn)業(yè)鏈,無(wú)線充電行業(yè)正在蓬勃發(fā)展,但是目前測(cè)試方面,由于無(wú)線充電采用頻率較高,例如,汽車(chē)無(wú)線充電目前普遍采用85KHz,所以其測(cè)試難點(diǎn)在于功耗,效率測(cè)試,如圖2,一般要求測(cè)試的是DC-DC端效率和發(fā)射與接收端的AC-AC效率,DC-DC端很容易測(cè)試,難點(diǎn)在于AC-AC端的效率測(cè)試。
3、無(wú)線充電測(cè)試難點(diǎn)
無(wú)線充電越來(lái)越多的被應(yīng)用在各個(gè)場(chǎng)合,無(wú)線充電的測(cè)試要求也越來(lái)越高。
無(wú)線充電的測(cè)試項(xiàng)目包括:
(1)輸入特性:輸入電壓和頻率測(cè)試、輸入功率測(cè)試、輸入功率因數(shù)測(cè)試、輸入電流諧波限值測(cè)試等;
(2)輸出特性:直流輸出電壓誤差測(cè)試、直流輸出電流電流測(cè)試、輸出電壓響應(yīng)測(cè)試等;
(3)互操作特性:WPT系統(tǒng)無(wú)偏移條件下的效率測(cè)試、WPT系統(tǒng)有偏移條件下的效率測(cè)試等;
(4)保護(hù)特性:輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)、輸出短路等;
(5)高頻特性:電壓響應(yīng)、輸出波形上升、下降時(shí)間測(cè)試、線圈參數(shù)、線圈電壓等;
(6)安全特性:接觸電流、絕緣電阻、絕緣強(qiáng)度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試等;
在眾多的測(cè)試項(xiàng)目中,最難測(cè)試的是無(wú)線部分的功率傳輸,我們先來(lái)看一個(gè)表格
我們可以發(fā)現(xiàn),頻率相同情況下,功率因數(shù)越低,延時(shí)誤差要求越高;功率因數(shù)相同的情況下,頻率越高,延時(shí)誤差要求越高。如85KHz情況下,功率因數(shù)為0.2時(shí),1%精度的延時(shí)誤差為3.59ns,而我們常用的電流傳感器在測(cè)試85KHz信號(hào)時(shí),原邊信號(hào)與副邊信號(hào)相位差可能都大于3.59ns,所以測(cè)試設(shè)備必須具備相位校準(zhǔn)功能,否則根本無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)試無(wú)線端的功率和效率。
對(duì)于汽車(chē)無(wú)線充電,充電模塊的功率范圍較大,從幾千瓦,到幾十千瓦,特殊的大功率充電對(duì)象可達(dá)幾百千瓦,甚至兆瓦級(jí)別,單獨(dú)模塊的電流可達(dá)到幾百安培甚至上千安培,而羅氏線圈本身電流測(cè)試范圍大,延時(shí)小,是目前進(jìn)行無(wú)線充電測(cè)試比較好的解決方案。但其在傳輸時(shí)功率因數(shù)較低,接近于90°,此時(shí)電壓、電流的延遲將會(huì)嚴(yán)重影響到功率因數(shù),出現(xiàn)效率過(guò)百的情況。
3、無(wú)線充電測(cè)試方案
高頻段的延時(shí)對(duì)效率的影響非常大,實(shí)際測(cè)試時(shí),ns的延時(shí)就可能會(huì)造成效率誤差在1%級(jí)別,所以測(cè)試對(duì)于儀器通道延時(shí)要求極高,目前功耗分析儀器均無(wú)法將延時(shí)控制在ps級(jí)別,PA8000功率分析儀可以針對(duì)于無(wú)線充電頻段做專門(mén)的延時(shí)校準(zhǔn),將延時(shí)數(shù)據(jù)輸入到儀器內(nèi),保證無(wú)線充電測(cè)試時(shí)間相位的精度。
目前針對(duì)無(wú)線充電高頻測(cè)試中,電流傳感器成為了影響測(cè)試結(jié)果的重要因素,為減少由傳感器引入的誤差,致遠(yuǎn)電子專項(xiàng)引入了面向無(wú)線充電的高頻電流傳感器。
測(cè)量范圍:最大200A
輸出類型:電壓或者電流輸出
適用基波頻率范圍:50kHz-100kHz
電流測(cè)量誤差:1mA/A~5mA/A
延時(shí):1ns~15ns(可給出修正值)
傳感器尺寸:外徑100mm ,通孔內(nèi)徑27mm
主要特點(diǎn):
(1)無(wú)源,電源干擾及測(cè)量通道耦合。
(2)可靠溯源、穩(wěn)定性好
為了保證傳感器的精度,由專業(yè)計(jì)量院針對(duì)電流傳感器的寬頻電壓/電流/相位/功率進(jìn)行校準(zhǔn)。
測(cè)量范圍: 準(zhǔn)確度:
·電壓:1V~600V
·電壓:0.02%~0.05%
·電流:100mA~100A
·電流:0.02%~0.05%
·頻率:40Hz~100kHz
·相位:最優(yōu)0.005°
·功率:最大60kW
精確的功率測(cè)量不僅對(duì)幅值測(cè)量精度要求高,對(duì)相位測(cè)量精度要求更高。在使用電流傳感器作為輸入時(shí),由于傳感器本身存在的延時(shí),會(huì)增加電壓電流的相位誤差,致遠(yuǎn)電子的功率分析儀和記錄儀的相位補(bǔ)償功能則可以修正傳感器帶來(lái)的相位誤差,能夠提升高頻及低功率因數(shù)下的功率測(cè)量精度。此功能在匹配傳感器時(shí)可發(fā)揮顯著的效果,保證整體系統(tǒng)功率測(cè)量精度。