本发明涉及无线电能传输领域,并且更具体地，涉及一种测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法和装置。
背景技术
无线电能传输技术主要是通过磁场来传输电能，供电端和负载端不需要导线的直接连接，将使电能的生产、输配和使用途径更加宽广，方式更加多样化。传输线圈作为无线输电系统中能量转换的关键，决定了系统的传输性能。品质因子作为传输线圈电学参数，能有效表征线圈传输特性，进而定量探究无线输电系统的传输性能。但当无线输电系统工作频率较高时，传输线圈自身的寄生电容无法忽略，其等效电路模型出现了改变。传统利用阻抗分析仪直接测试品质因子的方式，无法准确测试线圈内阻，进而无法得到线圈准确的品质因子。
技术实现要素：
为了解决背景技术中当无线电系统工作频率较高时，无法准确测试线圈内阻并计算线圈准确的品质因子的技术问题，本发明提供了一种测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法和装置。其中，本发明所述的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法包括：
在低频条件下测试传输线圈的自感l；
测试馈电线圈在传输线圈工作频率为f0时的内阻r’,其中，所述馈电线圈的尺寸不大于传输线圈，其圈数小于传输线圈的圈数；
将传输线圈放置于两个完全相同且同轴的馈电线圈正中间，测试两个馈电线圈系统的散射参数，并将所述散射参数峰值对应的频率作为传输线圈的自谐振频率fs；
根据传输线圈的自感l和自谐振频率fs确定传输线圈的寄生电容cs；
将一个馈电线圈与传输线圈同轴隔空放置，并在低频条件下测试两个线圈之间的互感m，以及在所述传输线圈两端并联补偿电容c1后，测试所述馈电线圈的等效电阻，并设置测试的最大等效电阻为rmax，其中，当所述补偿电容c1并联在传输线圈两端时，传输线圈在高频条件下的谐振频率等于其工作频率f0，所述补偿电容c1的值根据传输线圈的自感l、工作频率f0和寄生电容cs确定；
根据所述馈电线圈的最大等效电阻rmax和内阻r’，传输线圈的自感l以及互感m确定传输线圈在工作频率f0时的内阻r和品质因子
进一步地，所述根据传输线圈的自感l和自谐振频率fs确定传输线圈的寄生电容cs的公式为：
进一步地，当所述补偿电容c1根并联在传输线圈两端时，传输线圈在高频条件下的谐振频率等于其工作频率f0，所述补偿电容c1的值根据传输线圈的自感l、工作频率f0和寄生电容cs确定的公式为：
进一步地，根据所述馈电线圈的最大等效电阻rmax和内阻r’，传输线圈的自感l以及互感m确定传输线圈在工作频率f0时的内阻r和品质因子
根据本发明的另一方面，本发明提供一种测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的装置，所述装置包括：
馈电线圈，其与测量单元连接，并与传输线圈隔空同轴放置，其中，所述馈电线圈的尺寸不大于传输线圈，其圈数小于传输线圈的圈数；
测量单元，其用于在不同频率下测试传输线圈和馈电线圈的参数，；
补偿电容，其与传输线圈的两端并联，用于在高频条件下，使传输线圈的谐振频率等于传输线圈的工作频率f0；
数据处理单元，其与测量单元连接，用于根据测量单元传输的参数进行数据处理以确定传输线圈的品质因子。
进一步地，所述测量单元包括：
第一测量单元，其与两个馈电线圈连接，用于在将传输线圈放置于两个完全相同且同轴的馈电线圈正中间时，测试两个馈电线圈系统的散射参数，并将所述散射参数峰值对应的频率作为传输线圈的自谐振频率fs；
第二测量单元，其用于在低频条件直接测试传输线圈的自感l和馈电线圈在传输线圈的工作频率f0时的内阻r’，在将一个馈电线圈与传输线圈同轴隔空放置时，在低频条件下测试两个线圈之间的互感m，以及在所述传输线圈两端并联补偿电容c1后，测试所述馈电线圈的最大等效电阻rmax；
进一步地，所述数据处理单元包括：
第一计算单元，其用于根据传输线圈的自感l和自谐振频率fs确定传输线圈的寄生电容cs，其中，计算寄生电容cs的公式为：
第二计算单元，其用于根据传输线圈的自感l、工作频率f0和寄生电容cs确定传输线圈补偿电容c1，其中，计算补偿电容c1的公式为：
第三计算单元，其用于根据所述馈电线圈的最大等效电阻rmax和内阻r’，传输线圈的自感l以及互感m确定传输线圈在工作频率f0时的内阻r和品质因子
进一步地，所述第一测量单元是网络分析仪，所述第二测量单元是阻抗分析仪。
进一步地，所述补偿电容是低损耗谐振电容，包括高频薄膜电容、陶瓷电容和瓷片电容。
进一步地，所述传输线圈是平面螺旋方形、平面螺旋圆形、立体螺旋方形或者立体螺旋圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制而成，且其谐振频率大于无线输电系统的工作频率。
进一步地，所述馈电线圈是绕制1-2圈的平面方形或平面圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制而成，其自感小于传输线圈的5％。
本发明技术方案提供的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法和装置针对传输线圈寄生电容无法忽略的情况，克服了直接测试线圈品质因子的弊端，利用馈电线圈和额外的高频谐振电容进行间接测试，准确测试高频条件下传输线圈内阻，并根据内阻确定传输线圈的品质因子，因此，本发明具有间接测试，结果准确的优点。
首先，低频条件下测试线圈自感与互感，排除了线圈寄生参数的影响；其次，利用外接调谐电容作为补偿电容以调节传输线圈自谐振频率，改变其等效电路，便于线圈工作频率时参数测试；最后，利用馈电线圈与传输线圈的耦合作用，间接测试其工作频率时的内阻和品质因子，排除了外界干扰。本发明所述的方法和装置以品质因子测试所需各参数的准确度为前提，以传输线圈的基本等效电路为基础，实质上适用于传输线圈各工种频段条件下的品质因子和内阻测试，方法准确且实用性强。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明优选实施方式的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法的流程图；
图2为根据本发明优选实话方式的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的装置的结构示意图；
图3为根据本发明优选实施方式的测试传输线圈自谐振频率时装置的结构示意图；
图4为根据本发明优选实施方式的测试传输线圈在工作频率的内阻的装置的结构示意图；
图5为根据本发明优选实施方式的测试传输线圈在工作频率的内阻的电路示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
实施例一
图1为根据本发明优选实施方式的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法的流程图。如图1所示，本优选实施方式所述的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的方法100从步骤101开始。
在步骤101，在低频条件下测试传输线圈的自感l；
在步骤102，测试馈电线圈在传输线圈工作频率为f0时的内阻r’,其中，所述馈电线圈的尺寸不大于传输线圈，其圈数小于传输线圈的圈数；
在步骤103，将传输线圈放置于两个完全相同且同轴的馈电线圈正中间，测试两个馈电线圈系统的散射参数，并将所述散射参数峰值对应的频率作为传输线圈的自谐振频率fs；
在步骤104，根据传输线圈的自感l和自谐振频率fs确定传输线圈的寄生电容cs；
在步骤105，将一个馈电线圈与传输线圈同轴隔空放置，并在低频条件下测试两个线圈之间的互感m，以及在所述传输线圈两端并联补偿电容c1后，测试所述馈电线圈的等效电阻，并设置测试的最大等效电阻为rmax，其中，当所述补偿电容c1并联在传输线圈两端时，传输线圈在高频条件下的谐振频率等于其工作频率f0，所述补偿电容c1的值根据传输线圈的自感l、工作频率f0和寄生电容cs确定；
在步骤106，根据所述馈电线圈的最大等效电阻rmax和内阻r’，传输线圈的自感l以及互感m确定传输线圈在工作频率f0时的内阻r和品质因子
优选地，所述根据传输线圈的自感l和自谐振频率fs确定传输线圈的寄生电容cs的公式为：
优选地，当所述补偿电容c1根并联在传输线圈两端时，传输线圈在高频条件下的谐振频率等于其工作频率f0，所述补偿电容c1的值根据传输线圈的自感l、工作频率f0和寄生电容cs确定的公式为：
优选地，根据所述馈电线圈的最大等效电阻rmax和内阻r’，传输线圈的自感l以及互感m确定传输线圈在工作频率f0时的内阻r和品质因子
图2为根据本发明优选实话方式的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的装置的结构图。如图2所示，本优选实施方式所述的测试高频无线输电系统中传输线圈品质因子的装置200包括：
馈电线圈201，其与测量单元202连接，并与传输线圈隔空同轴放置，其中，所述馈电线圈的尺寸不大于传输线圈，其圈数小于传输线圈的圈数；
测量单元202，其用于在不同频率下测试传输线圈和馈电线圈的参数，；
补偿电容203，其与传输线圈的两端并联，用于在高频条件下，使传输线圈的谐振频率等于传输线圈的工作频率f0；
数据处理单元204，其与测量单元202连接，用于根据测量单元202传输的参数进行数据处理以确定传输线圈的品质因子。
优选地，所述测量单元202包括：
第一测量单元221，其与两个馈电线圈201连接，用于在将传输线圈放置于两个完全相同且同轴的馈电线圈201正中间时，测试两个馈电线圈系统的散射参数，并将所述散射参数峰值对应的频率作为传输线圈的自谐振频率fs。
图3为根据本发明优选实施方式的测试传输线圈自谐振频率时装置的结构示意图。如图3所示，在测试传输线圈自谐振频率时，所述装置200的第一测量单元221与两个馈电线圈201连接，且传输线圈在两个馈电线圈中间隔空同轴放置。
第二测量单元222，其用于在低频条件直接测试传输线圈的自感l和馈电线圈在传输线圈的工作频率f0时的内阻r’，在将一个馈电线圈201与传输线圈同轴隔空放置时，在低频条件下测试两个线圈之间的互感m，以及在所述传输线圈两端并联补偿电容c1后，测试所述馈电线圈的最大等效电阻rmax。
图4为根据本发明优选实施方式的测试传输线圈在工作频率的内阻的装置的结构示意图。如图4所示，在测试传输线圈在工作频率的内阻时，所述装置200的第二测量单元222与单个馈电线圈201连接，并且馈电线圈201与传输线圈隔空同轴放置，所述传输线圈两端并联补偿电容c1。
图5为根据本发明优选实施方式的测试传输线圈在工作频率的内阻的电路示意图。如图5所示，馈电线圈201的等效电路为电感与电阻串联，并与第二测量单元222串联，而传输线圈的等效电路为线圈自感与电阻串联后，再与寄生电容并联，并且所述寄生电容cs与补偿电容c1也并联。
优选地，所述数据处理单元204包括：
第一计算单元241，其用于根据传输线圈的自感l和自谐振频率fs确定传输线圈的寄生电容cs，其中，计算寄生电容cs的公式为：
第二计算单元242，其用于根据传输线圈的自感l、工作频率f0和寄生电容cs确定传输线圈补偿电容c1，其中，计算补偿电容c1的公式为：
第三计算单元243，其用于根据所述馈电线圈的最大等效电阻rmax和内阻r’，传输线圈的自感l以及互感m确定传输线圈在工作频率f0时的内阻r和品质因子
优选地，所述第一测量单元221是网络分析仪，所述第二测量单元222是阻抗分析仪。
优选地，所述补偿电容203是低损耗谐振电容，包括高频薄膜电容、陶瓷电容和瓷片电容。
优选地，所述传输线圈是平面螺旋方形、平面螺旋圆形、立体螺旋方形或者立体螺旋圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制而成，且其谐振频率大于无线输电系统的工作频率。
优选地，所述馈电线圈201是绕制1-2圈的平面方形或平面圆形线圈，由利兹线、铜管或铝管绕制而成，其自感小于传输线圈的5％。
实施例二
在本优选实施方式中，利用线径4mm的铜线绕制圈数为5圈、线间距为1cm，半径为10cm的圆形螺旋传输线圈，需测试其在工作频率f0＝5mhz时的品质因子。
在步骤1中，利用阻抗分析仪测试频率为1khz时传输线圈自感为l＝20uh。
在步骤2中，利用线径4mm的铜线绕制圈数为1圈，半径为10cm的两个相同馈电线圈，通过阻抗分析仪直接测试其在工作频率f0＝5mhz时内阻为r’＝0.2ω。
在步骤3中，将圆形螺旋传输线圈放置于两同轴馈电线圈的正中间，利用网络分析仪测试两馈电线圈系统的散射参数，令散射参数最大值对应的频率20mhz为传输线圈的自谐振频率fs，即fs＝20mhz，则传输线圈的寄生电容为
在步骤4中，利用高频低损耗电容组合成外接补偿电容
在步骤5中，将一个馈电线圈与未连接补偿电容c1的传输线圈隔空放置，利用阻抗分析仪测试频率为1khz时两线圈之间的互感为m＝1uh。固定两线圈之间的相对位置，将补偿电容c1并联于传输线圈，利用阻抗分析仪扫频测试馈电线圈的等效电阻，并且测试得到的最大等效电阻为rmax＝200ω，则传输线圈在工作频率f0＝5mhz对应的内阻
传输线圈在工作频率f0＝5mhz时对应的品质因子
实施例三
在本优选实施方式中，利用线径8mm的铜线绕制圈数为8圈、线间距为1cm，半径为20cm的方形螺旋传输线圈，需测试其在工作频率f0＝2mhz时的品质因子。
在步骤1中，利用阻抗分析仪测试频率为5khz时，传输线圈自感为l＝50uh。
在步骤2中，利用线径8mm的铜线绕制圈数为1圈，半径为20cm的两个相同的馈电线圈。通过阻抗分析仪直接测试其在工作频率f0＝2mhz时内阻为r’＝0.3ω。
在步骤3中，将方形螺旋传输线圈放置于两同轴馈电线圈的正中间，利用网络分析仪测试两馈电线圈系统的散射参数，令散射参数最大值对应的频率8mhz为传输线圈的自谐振频率fs，即fs＝8mhz，则传输线圈的寄生电容为
在步骤4中，利用高频低损耗电容组合成外接补偿电容
在步骤5中，将一个馈电线圈与未连接补偿电容c1的传输线圈隔空放置，利用阻抗分析仪测试频率为5khz时两线圈之间的互感为m＝2uh。固定两线圈之间的相对位置，将补偿电容c1并联于传输线圈，利用阻抗分析仪扫频测试馈电线圈的等效电阻，并且测试得到的最大等效电阻为rmax＝150ω，则传输线圈在工作频率f0＝2mhz对应的内阻
传输线圈在工作频率f0＝2mhz时对应的品质因子
实施例四
在本优选实施方式中，利用股数为500、线径为4mm的利兹线绕制圈数为20圈，边长为50cm的密绕平面方形传输线圈，需测试其在工作频率f0＝800khz时的品质因子。
在步骤1中，利用阻抗分析仪测试频率为2khz时传输线圈自感为l＝200uh。
在步骤2中，利用线径2mm的铜线绕制圈数为1圈，边长为40cm的两个相同的馈电线圈。通过阻抗分析仪直接测试其在工作频率f0＝800khz时内阻为r’＝0.2ω。
在步骤3中，将平面方形螺旋传输线圈放置于两同轴馈电线圈的正中间，利用网络分析仪测试两馈电线圈系统的散射参数，令散射参数最大值对应的频率1.5mhz为传输线圈的自谐振频率fs，即fs＝1.5mhz，则传输线圈的寄生电容为
在步骤4中，利用高频低损耗电容组合成外接补偿电容
在步骤5中，将一个馈电线圈与未连接补偿电容c1的传输线圈隔空放置，利用阻抗分析仪测试频率为2khz时两线圈之间的互感为m＝1.5uh。固定两线圈之间的相对位置，将补偿电容c1并联于传输线圈，利用阻抗分析仪扫频测试馈电线圈的等效电阻，并且测试得到的最大等效电阻为rmax＝20ω，则传输线圈在工作频率f0＝800khz对应的内阻
传输线圈在工作频率f0＝2mhz时对应的品质因子
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。