有线充电与无线充电优劣对比及测试难点

时间:2020-03-05 09:50来源:ZLG立功科技·致远电子

摘要:人工智能和移动设备不断增加,充电器、适配器、充电桩已经屡见不鲜,而无线充电也已经走进人们的视线,有线充电和无线充电到底谁更优秀呢?

一、有线充电的类型和原理
有线充电的方式大家一定不陌生了,日常生活中的很多场合都用到了有线充电,如手机充电器、电脑适配器、电瓶车充电站、电动车充电桩等等。


 

有线充电的原理并没有什么神秘之处,其基本原理就是一个AC-DC的电源电路,如下图所示,其电路往往由整流桥、滤波电路、开关管和PWM控制器、输出整流滤波等部分组成。针对不同功率、不同电压输出的需求,调整电路中的器件参数,PWM控制,输出变比等。

 

而像汽车充电桩之类较大型的充电设备,其工作原理与普通的适配器类似,但在基本的AC-DC之外,还有计费控制单元、充电控制器、绝缘检测模块、显示、电表、防雷等模块,不同的模块之间,充电桩与BMS之间还要通过CAN总线进行通信,保证整个充电的安全。充电桩的核心模块——充电机电源模块,其原理与上图AC-DC电路类似。

 

二、无线充电的类型和原理
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。


 

对于无线充电,其工作原理又是如何呢?如下图所示,无线充电的核心在于两个线圈,一个供电线圈和一个接收线圈,线圈通过非接触的方式进行电能传输(实现无线传输),供电线圈端由原级电能变换电路、谐波补偿电路组成,接收线圈由谐振补偿电路、次级电能变换电路组成,电能变换后输出信号给储能装置进行充电。两个线圈之间通过耦合磁场进行能量交换。此原理一般用于静止式无线充电,两个线圈不能离得太远,一般在50cm以内,耦合磁场的频率在几十千赫兹到几百千赫兹范围。除此之外还有一种磁谐振方式无线充电,可用于移动式无线充电,其无线距离可以做到50cm~5m,工作频率在几兆赫兹到几十兆赫兹之间。

 

三、两者的优劣对比
上面分析了有线充电和无线充电的原理和应用,那么这两种充电方式有没有优劣之分呢。我们先来对比一下两种充电方式的优缺点。

有线充电:有线充电方式因为充电设备与被充电设备必须接触,所以一定会有插头、插座此类的结构。因此会存在使用不方便,易产生火花、漏电,易磨损,触点可能发热、着火,功率受限等问题。但是有线充电的电能转化效率高,产品生产测试成熟,应用范围广泛,有线充电依旧是当前主要的充电方式。

无线充电:无线充电中充电器与被充电设备无需直接接触,使用方便,环境适应能力强,避免了物理接口所以不会有接口磨损,火花,漏电等问题,此外无线充电还可以实现高压、大电流、大功率充电。但当前无线充电的测试方案不完善,特别是无线部分的电能转化功率、效率测试等。

从未来的发展趋势而言,个人以为无线充电会有更大的前景,但是无线充电需要更好更完善的测试系统和方案,保证无线充电能更好更安全的为人们所用。

四、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

 

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。

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。除了PA8000功率分析仪以外,致远也推出了整套的无线充电测试方案。


 

五、致远无线充电测试方案
致远电子开发的无线充电综合测试系统,能帮助用户高效的对无线充电产品的功能、性能和安全性指标进行高效、快速的测试。整个无线充电测试系统包括XYZ 三轴平台、机械运动控制、电源、负载和测试仪器,可以实现对无线充电产品约50项特性的自动化或者手动测试,对无线充电产品进行全面深入的评估,无线充电测试系统如下图所示。


 
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