基于温度场的能耗测试与分析方法与流程

本发明属于能耗测试与分析领域，具体涉及一种基于温度场的磁耦合共振式无线电能传输系统能耗测试与分析方法。
背景技术：
：磁耦合共振式无线能量传输方式与传统电能传输方式相比，具有诸多优势，其应用前景可广泛应用于无线充电汽车、工业机器人、家用电器、医疗器械和航空航天、水下作业等特殊领域。然而，目前磁耦合共振式WPT技术在实际应用中并未得到广泛推广使用。其主要制约因素之一是系统整机效率相对较低，能量在传输过程中通过系统各个模块环节时，由于弱耦合、线圈材质、低效驱动源等因素的影响存在能量损耗，因此无法满足大功率远距离情况下的要求。为提高系统的效率，归纳不同因素在系统损耗中的贡献大小，需对磁耦合共振式WPT系统整机能量损耗进行分析。根据系统拓扑结构，其主要损耗分析有高频逆变损耗、高频整流损耗、高频电感线圈损耗、高频辐射损耗等各部分能量损耗。能量损耗的分析一方面有助于系统结构和参数的优化设计，另一方面有助于电路优化设计与元器件选型，从而提高传输功率和系统传输效率。当前，已有较多对谐振线圈间WPT系统的能效分析的研究，提出了多种计算系统损耗、提高系统能效的措施。然而，针对磁共振式WPT系统整体的损耗的研究较少，特别是对线圈高频效应下损耗分析以及高频驱动源的损耗分析。综合来看，目前的研究多为定性的分析，缺乏对实际应用的磁共振式系统整体的损耗全面定量的测试与分析。技术实现要素：本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于温度场的能耗测试与分析方法，能够对磁共振式系统整体的损耗进行全面定量的测试和分析，并且便捷的测量出系统损耗。本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：本发明提供一种基于温度场的能耗测试与分析方法，用于对磁耦合共振式无线电能传输系统进行能耗测试与分析，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用红外热像仪获取无线能量传输系统处于稳态的红外热像图；步骤2：通过数值分析与提取软件从红外热像图中提取温度场参数数据；步骤3：采用热谱分析方法对温度场参数数据进行处理，并绘制相应偏置条件下的各个模块的热谱图与一维温度分布图，反映各个模块的模块的温度场参数；步骤4：基于上述各个模块的模块的温度场参数，结合周围的环境条件和查阅各个模块出厂资料中的封装材料的导热系数、被封装在内部的各种元器件的型号和具体尺寸，并根据传热学理论中组成模块的各部分元器件的热损耗计算方法，计算出各部分模块的热损耗，得到系统的功率损耗。进一步地，本发明提供的基于温度场的能耗测试与分析方法还可以具有以下特征：在步骤1中，是采用红外成像仪，对无线能量传输系统的稳定运行状态下的各个模块进行拍摄，每间隔一定时间拍摄一次，直到最大温度数据基本稳定，系统达到稳态，然后导出各个模块在稳态时的红外热像图，从而获得无线能量传输系统处于稳态的红外热像图。进一步地，本发明提供的基于温度场的能耗测试与分析方法还可以具有以下特征：步骤2包含以下子步骤：步骤2-1：红外温度拟合，首先通过数值分析与提取软件将红外热像图转化为灰度图，根据红外热像图的最大温度、最小温度对应的灰度值，拟合出每个像素点的温度值对灰度值的函数,并计算出红外热像图内每种灰度值所对应的温度值；步骤2-2：像素点温度分析，任选灰度图上一处区域，结合步骤2-1所得的温度数据，通过数值分析与提取软件获取区域内每个像素点所对应的温度值，以及该选择区域内的最高、最低温度和平均温度。进一步地，本发明提供的基于温度场的能耗测试与分析方法还可以具有以下特征：在步骤二中，数值分析与提取软件是Matlab软件。进一步地，本发明提供的基于温度场的能耗测试与分析方法还可以具有以下特征：步骤3包括以下子步骤：步骤3-1：绘制热谱图，在红外热像图上选择模块所位于的区域，该选定区域内分布有不同的温度，设共有n个值，其中第i个温度Ti，对应有mi个像素点；将所有像素点的个数i当作1，则每个温度对应的像素点个数进行归一化处理，可得所选区域每个温度分布的归一化面积；将温度Tj作为横坐标，归一化面积Sei作为纵坐标，可得出相应的模块的热谱柱状曲线图；步骤3-2：绘制一维温度分布图，把选定区域内所有温度相同的像素点整体视为子模块，则选定区域内n个温度对应n个子模块，温度为Ti的子模块，其归一化面积为Sei；将其归一化面积作为一维长度来处理，按照温度高低顺序，以子模块的温度作为纵坐标，将低于该温度的所有温度值的归一化面积进行累加，作为横坐标，可得相应的模块的一维温度分布图。发明的作用与效果本发明提供的基于温度场的能耗测试与分析方法，采用红外热像仪获取热图像，并通过数值分析与提取软件从红外热像图中提取温度场参数数据，接着采用热损耗测试方法来测试系统各部分模块装置的能量损耗，最后根据传热学理论中系统各部分元器件的热损耗计算方法，计算出各部分模块的热损耗，得到系统的功率损耗，从而能够对系统稳定运行过程中，各部分存在着的热损耗进行传热分析，并进行测试，可以得到系统损耗的分布和主要组成部分。并且本发明的方法对这些损耗进行热损耗测试，无需接入其他测试设备或仪器，对系统运行不影响，是一种无损测试。通过运用热损耗仿真软件进行测试，能够便捷的测量出系统损耗。附图说明图1是实施例中的两线圈磁耦合共振式无线电能传输系统的结构示意图；图2是实施例中的两线圈磁耦合共振式无线电能传输系统的能流图；图3是实施例中的两线圈磁耦合共振式无线电能传输系统的等效电路图；图4(a)～(d)是实施例中在不同工作条件下的系统功率损耗分布图；图5是实施例中的高频逆变电路红外热成像图；图6是实施例中的高频整流电路红外热成像图；图7(a)是实施例中发射端谐振线圈的红外热成像图；图7(b)是实施例中接收端谐振线圈的红外热成像图；图8(a)～(d)分别是高频逆变桥路4个MOSFET的热谱图；图9(a)～(d)分别是高频逆变桥路4个MOSFET的一维温度分布图。具体实施方式在磁耦合共振式无线电能传输系统中，能量传输效率是最重要的性能之一。通常，在磁耦合共振式无线电能传输系统稳定运行过程中，各部分存在着不同程度的损耗，主要集中在高频驱动源、谐振回路和高频整流环节。其中高频驱动源损耗包括逆变电路损耗。谐振回路损耗包括发送回路的损耗和接收回路的损耗。高频整流损耗主要为高频整流器损耗。这些损耗通常是以热的形式表现出来。以下结合附图对本发明涉及的基于温度场的能耗测试与分析方法的具体实施方案进行详细地说明。实施例1.系统热损耗分析图1是典型的两线圈磁耦合共振式无线电能传输系统的结构示意图。如图1所示，本实施例中测试和分析的对象为典型的两线圈磁共振式无线能量传输系统100。该两线圈磁共振式无线能量传输系统100(以下简称：WPT100)是由直流电源110(高压取电装置)，高频发射装置120，高频接收装置130，以及负载部分140(在线监测设备)组成，其中高频发射装置120又包括发射端控制模块121、储能模块122、发射端线圈123；高频接收装置130包括接收端整流与检测模块131、储能模块132、接收端线圈133。因此，本发明的具体实施方式包括对系统发射端线圈123与接收端线圈133进行高频线圈损耗分析、发射端控制模块121进行逆变损耗分析和接收端整流与检测模块131进行整流损耗分析。受两个线圈间距离较远(弱耦合)、线圈材质、低效驱动源等因素影响，WPT100在高频驱动源(发射端控制模块121)、谐振回路(发射端与接收端线圈123与133和储能模块122和132)和高频整流环节(接收端整流与检测模块131)都存在着不同程度的损耗，系统的能量流图如图2所示。其等效电路图如图3所示，两个谐振线圈回路参数相同，均由谐振电容,即储能模块C1或C2与谐振线圈,即接收端与发射端线圈L1或L2构成，两线圈之间的耦合系数为k，距离为D。两个谐振回路的等效电阻分别为RP1、RP2。蓄电池模块为Cr，接收端整流与检测模块可等效为图3中接收端整流桥结构。高压感应取电装置可等效为直流电源Vs，其内阻为rs，经过发射端控制模块中的高频逆变模块，成为高频交流电压源，驱动发射线圈回路。两线圈回路达到共振，电能通过磁场耦合传输，经高频整流滤波稳压后供给在线监测设备，即负载RL供电。通过控制切换信号的频率可以调节交流源的频率以驱动线圈谐振。为便于实施参考起见，提供实施例的详细方案：首先，对磁耦合共振式WPT100各个模块进行电路分析，依据传热学理论和电路理论，分析各部分实际模型的电路原理和在高频工作条件下电路的热损耗和功率损耗机理，得到系统各个模块的热损耗计算方法。其次，采用红外成像仪测温方法进行温度测试。使用红外热成像仪，拍摄装置各个模块的热成像图。并通过Matlab软件从热成像图中提取温度数据。采用热谱分析方法进行分析，即通过数学统计方法，获取各个模块的温度分布，以及平均温度，最大温度最小温度。最后，通过结合周围的环境条件和查阅各个模块出厂资料中的封装材料的导热系数、被封装在内部的各种元器件的型号和具体尺寸。根据传热学理论中系统各部分器件热损耗计算方法，计算各部分模块的热损耗，并得到系统的功率损耗。(1)热谱分析方法假设在热像图上所选择区域内分布不同的温度，共有n个值。其中第i个温度Ti，对应有mi个像素点。若将所有像素点的个数i当作1，那么将每一个温度对应的像素点个数进行归一化处理，可得所选区域每一个温度分布的归一化面积。即温度Ti所对应的归一化面积为：Sei=mi(1/Σi=1nmi)---(1)]]>将温度Ti为横坐标，归一化面积Sei作为纵坐标，可得出相应的热谱图结果。选定区域的平均温度为：T‾=Σi=1nTiSei---(2)]]>假设可以把选定区域内所有温度相同的像素点整体视为一个子模块。则选定区域内n个温度对应n个子模块，温度为Ti的子模块，其归一化面积为Sei。将其归一化面积作为一维长度来处理。按照温度高低顺序，以子模块的温度作为纵坐标，将低于该温度的所有温度值的归一化面积进行累加，作为横坐标Sei_progression。可以抽象地反映出了模块的温度场参数，纵、横坐标的数学表达式如下：Yi=TiXi=Σj=0i-1Sej(1≤i≤n,0≤j≤i-1,Se0=0)---(3)]]>(2)系统各部分器件热损耗计算方法高频逆变电路、高频整流电路的元器件热损耗主要是以固体传热方式进行。根据传热学定理中对固体传热方式的定义，系统高频逆变电路、高频整流电路的元器件在传热过程中温度达到稳态时，芯片元器件发热量按基本公式计算，其中T1和T2分别代表器件外部和内部温度。Q=λA(T2-T1)δ=T2-T1Rth---(4)]]>系统高频逆变电路、高频整流电路的元器件各芯片导热为单层或多层平壁稳态导热，当温度达到稳态时，芯片元器件的封装热阻Rth1Rth1=δλA---(5)]]>其中，δ为传热的平壁厚度，λ为使用封装材料的导热系数，А为热量流过的截面积。系统发射端与接收端的谐振线圈已封装成型，有多层材料。因而谐振线圈的导热可视为多层圆筒壁的热传导，其热阻Rth2按下式计算Rth2=Σi=1ndi+1-diλiAmiAmi=2πLdi+1-diln(di+1di)---(6)]]>其中，di为第i层圆筒壁厚度，λi为第i层使用封装材料的导热系数，Аmi为第i层热量流过的等效截面积，L为发射端和接收端谐振线圈的周长。对于材料的导热系数为λ的型材散热器(存在于发射端高频逆变和接收端整流模块中)，由n块平板组成，平板长度L、宽度l、厚度b。平板一边连在同一块有一定厚度的基板，平板间存在均匀的间隙。功率器件安装在基板上，系统工作时有功率耗散，产生的热量通过器件与散热器接触面传递到散热器，该传热过程属于固体导热。因此，该散热器内部固体导热的热阻Rth3为Rth3=lλLbn---(7)]]>通过查阅相关封装材料的导热系数，以及各器件具体的尺寸大小，则可由以上热阻公式可以计算装置各部分器件的典型封装热阻，见表7。再结合各元器件芯片温度测试的数据及环境温度，代入发热量计算公式中，则可计算出热损耗。即本发明中采用的热损耗计算方法。2.WPT100的电路损耗测试与分析为验证本发明提出的一种基于温度场的磁耦合共振式无线电能传输系统能耗测试与分析方法优势，本实例还对系统进行了对比分析，制作了相关实验样机。通过实验分析，验证本方法在系统热损耗测试与分析中的科学性。在本实施例中，使用的WPT100各项参数如表1所示。表1磁耦合共振式WPT100参数列表在WPT100正常稳定工作状态下，不同工作频率下，将系统分为直流电源、高频逆变电路、高频整流电路、谐振线线圈回路以及负载部分，则可将高频逆变电路、高频整流电路、发射端谐振线线圈回路、接收端谐振线线圈回路视为双端口网络。各部分损耗即为输入功率减去输出功率。因此对输入输出电流电压进行测量，功率积分运算即可得到各部分损耗。另外，对单个谐振线圈，测量其高频交流电阻，并根据两个线圈的电流，即可计算每个线圈的高频损耗。WPT100各部分总输入输出测试步骤如下：(1)在断电状态下，接入功率测试仪。测试电压的端子并接在被测输入端或输出端，测试电流的端子串接在被测输入端或输出端的一条线路上。启动功率测试仪。(2)打开电源，启动WPT100。设置初始频率，初始电源输出功率。读取功率测试仪显示数据，并做好记录。(3)只改变实验装置工作电源电压，电源电压每次增加5V进行测试。读取功率测试仪显示数据，并做好记录。(4)实验完毕，关闭电源。整理数据。WPT100的传输距离为0.5m，工作频率453KHz±1KHz附近范围内，通过增加输入功率，分别测量和计算系统各部分的损耗。包括逆变电路损耗Pinverter，发射回路的线圈损耗Pcoil_TX和电容寄生电阻损耗PC_TX，接收回路的线圈损耗Pcoil_RX和电容寄生电阻损耗PC_RX，辐射损耗Prad，高频整流损耗Prectifier以及其他损耗Pother。实验测试数据如表2所示。不同工作条件各下的系统损耗分布如图4所示。根据电路理论，其中逆变、发射端与接收端线圈、发射端与接受端电容以及整流模块的计算公式如下：Pinverter＝PMOS+Pd+Pdrive+Pcontorl(8)Pcoil＝I2(RAC+Rrad)(9)PC=IC2RC---(10)]]>Prectifier=2(PD-cond+PD-on+PD-off)=2T1∫0T1|vD(t)iDiode(t)|dt---(11)]]>表2磁耦合共振式WPT100各部分损耗值由图5可知，WPT100在450KHz频率工作条件下，系统中损耗主要发生在高频逆变环节和发送端谐振线圈的内阻损耗上，逆变损耗达40％-45％，发送端谐振线圈的内阻损耗达30％-35％，两者损耗之和占总损耗的75％以上。同时接收端谐振线圈的内阻损耗也不容忽视，达12％左右。整流电路的损耗也占有6％-8％的比重。发射回路谐振电容寄生电阻损耗PC_TX，接收回路谐振电容寄生电阻损耗PC_RX，辐射损耗Prad，其他损耗Pother占比重都较小，不到2％。3.基于传热学的系统热损耗测试分析(1)WPT100温度测试方案首先基于红外热像测温法，获取整个被测模块表面的温度分布。采用红外成像仪，对系统稳定运行状态下的被测模块进行拍摄，每隔5分钟拍摄一次，直到最大温度数据基本稳定，系统达到稳态。导出被测模块在稳态时的红外热像图。第二步，建立被测模块的等效模型。所用被测模块可以看成是由许多微型芯片器件组成，每一个微型芯片器件当作一个子模块。因此，每一个被测模块可以视为由多个子模块并联而成，将各个子模块的温度分布进行累加，即为整个被测模块的温度分布状况。第三步，基于建立的子模块并联模型，通过Matlab处理红外热像图，提取温度参数数据。Matlab处理程序运行流程分为两个部分：1)程序初始化，将红外热像图转化为灰度图，根据红外热像图的最大温度、最小温度对应的灰度值，拟合出每个像素点温度值关于灰度值的函数。从而计算出红外热像图内每种灰度值所对应的温度值。2)任选灰度图上一处区域进行分析。选择一处待分析的区域，结合上一步所得的温度数据，获取该选择区域内每个像素点所对应的温度值，以及该选择区域内的最高、最低温度和平均温度。第四步，采用数学归一化方法，对温度数据进行处理，绘制相应偏置条件下的每个模块的热谱图与一维温度分布图。在热像图上所选择区域(某一模块所在的区域)内分布有不同的温度，共有n个值。其中第i个温度Ti，对应有mi个像素点。若将所有像素点的个数i当作1，那么将每一个温度对应的像素点个数进行归一化处理，可得所选区域每一个温度分布的归一化面积，将温度Tj作为横坐标，归一化面积Sei作为纵坐标，可得出相应的热谱柱状曲线图，即其热谱。假设可以把选定区域内所有温度相同的像素点整体视为一个子模块。则选定区域内n个温度对应n个子模块，温度为Ti的子模块，其归一化面积为Sei。将其归一化面积作为一维长度来处理。按照温度高低顺序，以子模块的温度作为纵坐标，将低于该温度的所有温度值的归一化面积进行累加，作为横坐标。可以反映出模块的温度场参数。(2)WPT100温度测试按照温度测试方法进行实验，实验条件：传输距离0.5m，输入功率107W，工作频率453.740KHz。高频逆变电路、整流电路和谐振线圈各元器件芯片温度测试数据如表3、表4和表5所示，高频逆变电路、整流电路和谐振线圈的红外热成像分别如图5、6和7所示。表3高频逆变电路各元器件芯片温度测试数据表4高频整流电路各元器件芯片温度测试数据表5谐振线圈温度测试数据由上表3数据可知，实验条件下，高频逆变电路高温的区域有死区电路部分，以及各个功率MOSFET。死区电路部分温度最高达74摄氏度，各个功率MOSFET也都在60摄氏度以上，而且各个MOSFET管温度各不相同。它们是高频逆变电路主要的热源。由上表4数据可知，实验条件下，高频逆变电路高温的区域在滤波电感上，高达116摄氏度。而整流二极管等其他器件温度均相对较低，22～36摄氏度。滤波电感是高频整流电路主要的热源。由上表5数据可知，实验条件下，谐振线圈表面温度温度均相对较低，22～26摄氏度。发射端线圈表面平均温度稍高于接收端线圈。在线圈表面绝大部分温度分布较为均匀，但在线圈底座用来安装的铁质螺丝和螺母处，温度偏高且不均匀，为最高温度区域。按照热谱分析方法得到四个MOSFET的热谱图、一维温度分布图分别如图8和9所示。在高频逆变桥路中四个MOSFET器件型号是一样的，但是因为4个MOSFET驱动电路在工作时存在不平衡导致各MOSFET功耗不一致，因此热谱图和一维温度分布图存在差异。(3)热损耗计算与分析根据理论分析，高频逆变电路、高频整流电路的元器件热损耗主要是以固体传热方式进行，其中各芯片导热为单层或多层平壁稳态导热。功率器件IRF740与MBR1545CT(直接接触散热板)使用散热架为型材散热器，材料为铝。该散热器是由n＝6块铝质平板组成，平板长度L＝55mm、宽度l＝12.5mm、厚度b＝1mm。经计算散热器热阻为0.4667℃/W。谐振线圈使用多层材料进行封装成型，环氧树脂复合材料层厚25mm，ABS塑料厚0.4mm线圈的导热可视为多层圆筒壁的热传导。经计算其热阻为0.336℃/W。常见材料导热系数如表6所示。从各芯片资料查阅到以及计算得到的封装热阻如表7所示。表6常见材料导热系数表7封装典型热阻芯片器件功耗是导致热量产生的直接原因。功耗大的芯片，发热量也一定大。散热量的计算按照公式4计算，采用热阻参数计算，装置各芯片器件热损耗测试数据与测试功耗数据对比如表8所示。按照装置各主要组成部分，综合各芯片器件热损耗测试数据，装置各部分热损耗测试数据如表9所示。表8芯片器件热损耗与测试功耗对比表9装置各部分损耗与测试功耗对比如损耗测试数据所示，主要芯片元器件计算的热损耗与实测功耗误差均在8-17％范围内。热损耗误差产生原因主要有以下几点：一是未计入PCB电路板散热以及非主要热源的元件发热，二是测量芯片外壳的温度虽接近芯片真实结温，但仍有偏差。三是参考计算的封装热阻值，与工作情况下的封装热阻值有偏差。四是芯片元器件热辐射散失的热量(10-6至10-5数量级)。但总体来说，热损耗仍然可以科学的反映出芯片元器件的功耗分布。因此，通过红外热成像方法测量系统各部分芯片器件温度，再根据传热学中固体稳态传热理论公式计算发热量，可以得到各部分芯片器件热损耗分布。而且相同封装芯片器件热阻相同，温升即可反映发热量，在这样情况下，从热像图上可直观判断发热量大致分布。以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于温度场的能耗测试与分析方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。当前第1页1 2 3