使用量熱法測量EV電源轉(zhuǎn)換器損耗

氣候變化以及減少二氧化碳排放的需求正在徹底改變交通運輸行業(yè)，并推動其越來越多地轉(zhuǎn)向電動汽車。電動汽車 (EV) 使用高效電源轉(zhuǎn)換器，其值接近 99%。

要設(shè)計或評估電源轉(zhuǎn)換器，必須以高精度測量其功率損耗。通常用瓦特表測量，功率損耗表示為輸入功率值與輸出功率值之差。由于效率高，這種差異非常小，因此只能突出顯示滿量程誤差。

使用瓦特計進(jìn)行電氣測量的另一種解決方案是基于量熱法，無需與轉(zhuǎn)換器進(jìn)行任何電氣連接即可實現(xiàn)高精度。

我們現(xiàn)在將描述的技術(shù)使用單個恒溫室、珀爾帖電池和室溫控制系統(tǒng)。珀耳帖電池以反向模式運行，導(dǎo)致塞貝克效應(yīng)，在其電極上產(chǎn)生電流，這是冷側(cè)和暖側(cè)之間熱量差異的影響。

傳統(tǒng)熱量計

因為電子電路中的功率損耗主要是由于散熱，所以可以通過測量系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量來確定。尤其是量熱法，它使用一種介質(zhì)來去除被測設(shè)備 (DUT) 產(chǎn)生的熱量。在理想的熱量計中，散發(fā)的熱量完全被介質(zhì)吸收，介質(zhì)可以是空氣、水或其他類型的冷卻劑。

傳統(tǒng)的熱量計分為三種類型：

開放式熱量計：DUT直接放置在測量室中，而冷卻劑則以普通空氣為代表。該解決方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單和測量執(zhí)行速度快。主要缺點是難以測量空氣的熱容。

封閉式單殼熱量計：這包括一個單獨的冷卻回路，用于與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換。通過使用水作為冷卻劑，它實現(xiàn)了比開放式熱量計更高的精度。但是，由于水的熱容量比空氣大，因此測量時間變長。

封閉式雙殼熱量計：這允許主動控制兩個殼之間的空氣溫度，從而提高精度。

無論哪種類型，誤差的主要來源是熱量計壁的熱量損失(子>壁)。對于開放式和封閉式單殼熱量計，sub>wall 表示為：

sub>wall = (T test – T amb ) ÷ R th,wall

這里，T test是試驗箱內(nèi)的溫度，T amb是環(huán)境溫度，R th,wall是熱量計壁的熱阻。

對于封閉式雙殼量熱儀，sub>wall 可估算為：

sub>wall = (T test – T gap ) ÷ R th,wall

其中T gap為箱間間隙內(nèi)的空氣溫度。

建議的解決方案

建議的解決方案使用單個腔室，在其表面(腔室內(nèi)部和外部)上有一個 Peltier 電池，有兩個散熱器、溫度傳感器和用于冷卻散熱器的風(fēng)扇電機(jī)(圖 1)。

圖 1：熱量計方案使用 Peltier 電池。

單室解決方案的缺點是由sub>wall 引入的誤差或跨墻壁的熱量泄漏。為了提高測量的準(zhǔn)確性，由于 Peltier 電池的作用，腔室中的溫度保持等于T amb 。

產(chǎn)生的總熱量如下式所示：

u c = S p T c I p – (T h – T c ) ÷ R p – 0.5 R p I p 2

其中，S p是塞貝克系數(shù)，T c是冷端溫度，T h是熱端溫度，R p是珀爾帖電池的熱阻，I p是珀爾帖電池的輸入電流。

當(dāng)腔室內(nèi)外溫度相同時，珀爾帖電池的冷卻能力等于以熱量形式散發(fā)的功率損耗。DUT的功率損耗(sub>loss)可以計算如下：

sub>loss = S p T c I p – (T h – T c ) ÷ R p – 0.5 R p I p 2 – Q Fc

其中Q Fc是冷側(cè)風(fēng)扇電機(jī)的功耗。

圖 2顯示了所提出的熱量計控制系統(tǒng)。sub>1 是熱量計的對象，sub>2 是用于電流控制的降壓轉(zhuǎn)換器，C 1是用于溫度跟蹤的 PI 控制器，C 2是用于電流跟蹤的 PI 控制器。

圖 2： 熱量計反饋控制系統(tǒng)

C 1和C 2標(biāo)注如下：

這里，KP i和KP T是比例增益，而KI i和KI T是積分增益。

實驗結(jié)果

最初，在 MATLAB 和 Simulink 環(huán)境中開發(fā)了熱等效電路模型的仿真。通過該模擬，可以得出T in作為時間函數(shù)的趨勢，觀察在持續(xù)約 600 秒的瞬態(tài)之后，腔室中的溫度如何跟隨T amb的趨勢。

通過以相同的方式操作，可以推導(dǎo)出 Peltier 電池?zé)醾?cè)和冷側(cè)的溫度趨勢、Peltier 電池的輸入電流和估計的功率損耗。估計的功率損耗與被測轉(zhuǎn)換器的功率耗散一致。實驗獲得的結(jié)果與模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一致，證實了所提出的量熱方法的有效性。

審核編輯：湯梓紅