随着5G网络、新能源汽车、无人驾驶等行业的快速发展,无线充电作为一种新型充电技术具有广阔应用前景,但其在研发测试中仍存在高频功率测试等难点,本文结合当前行业现状、实测难题以及对应解决方案进行综述。

 无线充电现状

图1 有线充电和无线充电的对比

有线充电和无线充电的对比如图1所示,由于无线充电存在着多种优势,整体的发展速度非常迅猛。

图2

无线充电的方式也已经越来越多的被应用在各个领域,例如我们熟知的手机无线充电,手表无线充电,电动汽车无线充电,无人机无线充电等等。未来还会有更多的设备会应用到无线充电的技术。

 无线充电测试原理

目前主流的无线充电方法仍然是电磁感应式,其研究最早,最深,研究者也最多,标准也在逐步普及,形成了发射和接收端两大产业链,无线充电行业正在蓬勃发展,但是目前测试方面,由于无线充电采用频率较高,例如,汽车无线充电目前普遍采用85KHz,所以其测试难点在于功耗,效率测试,如图3,一般要求测试的是DC-DC端效率和发射与接收端的AC-AC效率,DC-DC端很容易测试,难点在于AC-AC端的效率测试。

图3

无线充电测试难点

无线充电越来越多的被应用在各个场合,无线充电的测试要求也越来越高。

无线充电的测试项目包括:

输入特性:输入电压和频率测试、输入功率测试、输入功率因数测试、输入电流谐波限值测试等;

输出特性:直流输出电压误差测试、直流输出电流电流测试、输出电压响应测试等;

互操作特性:WPT系统无偏移条件下的效率测试、WPT系统有偏移条件下的效率测试等;

保护特性:输入过压、欠压保护、过温保护、输出过压、欠压保护、输出短路等;

高频特性:电压响应、输出波形上升、下降时间测试、线圈参数、线圈电压等;

安全特性:接触电流、绝缘电阻、绝缘强度、长期稳定性测试等。

在众多的测试项目中,最难测试的是无线部分的功率传输,我们先来看一个表格:

图4

我们可以发现,频率相同情况下,功率因数越低,延时误差要求越高;功率因数相同的情况下,频率越高,延时误差要求越高。如85KHz情况下,功率因数为0．2时,1%精度的延时误差为3．59ns,而我们常用的电流传感器在测试85KHz信号时,原边信号与副边信号相位差可能都大于3．59ns,所以测试设备必须具备相位校准功能,否则根本无法准确测试无线端的功率和效率。

图5

对于汽车无线充电,充电模块的功率范围较大,从几千瓦,到几十千瓦,特殊的大功率充电对象可达几百千瓦,甚至兆瓦级别,单独模块的电流可达到几百安培甚至上千安培,而罗氏线圈本身电流测试范围大,延时小,是目前进行无线充电测试比较好的解决方案。但其在传输时功率因数较低,接近于90°,此时电压、电流的延迟将会严重影响到功率因数,出现效率过百的情况。

无线充电测试方案

高频段的延时对效率的影响非常大,实际测试时,ns的延时就可能会造成效率误差在1%级别,所以测试对于仪器通道延时要求极高,目前功耗分析仪器均无法将延时控制在ps级别,PA8000功率分析仪可以针对于无线充电频段做专门的延时校准,将延时数据输入到仪器内,保证无线充电测试时间相位的精度。

图6

目前针对无线充电高频测试中,电流传感器成为了影响测试结果的重要因素,为减少由传感器引入的误差,致远电子专项引入了面向无线充电的高频电流传感器。

图7

测量范围:最大200A

输出类型:电压或者电流输出

适用基波频率范围:50kHz-100kHz

电流测量误差:1mA/A～5mA/A

延时:1ns～15ns(可给出修正值)

传感器尺寸:外径100mm ,通孔内径27mm

主要特点:

1、无源,电源干扰及测量通道耦合。

2、可靠溯源、稳定性好

为了保证传感器的精度,由专业计量院针对电流传感器的宽频电压/电流/相位/功率进行校准。

精确的功率测量不仅对幅值测量精度要求高,对相位测量精度要求更高。在使用电流传感器作为输入时,由于传感器本身存在的延时,会增加电压电流的相位误差,致远电子的功率分析仪和记录仪的相位补偿功能则可以修正传感器带来的相位误差,能够提升高频及低功率因数下的功率测量精度。此功能在匹配传感器时可发挥显著的效果,保证整体系统功率测量精度。

总结

致远电子研发生产的PA8000功率分析仪,其基本精度可达0．01%,带宽高达5MHz,支持电压电流的相位校准,非常适合用于高频下的电功率测试,目前已经成功应用在多个无线充电环境当中。

未来已来,0．3%功率精度!85KHz无线充电效率一次性测准!