以量熱法測量電動車轉換器的功率損耗
作者 : Maurizio di Paolo Emilio，Power Electronics News & EEWeb主編
為了設計或評估電源轉換器，必須以很高的精度測量其功率損耗。通常用功率表來測量，功率損耗表示為輸入功率值與輸出功率值之差；另一種解決方案是基於量熱法的解決方案，它能夠實現高精準度而無需與轉換器進行任何電氣連接…
氣候變化及隨之而來的減少二氧化碳排放量需求，正在徹底改變整個交通產業，使之日益向電動交通運輸(e-mobility)的方向發展。不過，電動車(EV)需使用高效電源轉換器，其值接近於99%。
為了設計或評估電源轉換器，必須以很高的精度測量其功率損耗。通常用功率表來測量，功率損耗表示為輸入功率值與輸出功率值之差。由於效率高，這一差額很小，因此只有滿量程誤差比較顯著。
與用功率表進行電學測量相比，另一種解決方案是基於量熱法的解決方案，它能夠實現高精準度而無需與轉換器進行任何電氣連接。
本文將介紹的技術使用單個恆溫室、帕爾帖(Peltier)元件和室溫控制系統。帕爾帖元件以反向模式運作，導致塞貝克效應(Seebeck effect)，由於冷側和熱側之間熱量差的影響，其電極上產生電流。
常規量熱儀
由於電子電路中的功率損耗主要是由於散熱造成，因此可以透過測量系統所產生的熱量來予以確定。尤其是量熱法使用某種介質來去除待測設備(DUT)所產生的熱量。在理想的量熱儀中，散發的熱量完全被介質吸收，介質可以是空氣、水或其他類型的冷卻劑。
常規量熱儀分為三種類型：
- 開放式量熱儀：DUT直接放置在測量室內，而冷卻劑則用普通空氣代表。該解決方案的優點是結構簡單和測量速度快，主要缺點是難以測量空氣的熱容量；
- 封閉式單箱量熱儀：它包括一個單獨的冷卻迴路，用於與周圍環境進行熱交換。透過使用水作為冷卻劑，它比開放式量熱儀具有更高的精準度，但是，由於水的熱容大於空氣的熱容，因此測量時間變長；
- 封閉式雙箱量熱儀：它可以主動控制兩個箱子之間間隙中的空氣溫度，從而提高了準確性。
無論哪種類型，誤差的主要來源都是透過量熱儀壁的熱量損失(Pwall)。對於開放式和封閉式單箱量熱儀，Pwall表示為：
其中，Ttest是測試室中的溫度，Tamb是環境溫度，Rth,wall是量熱儀壁的熱阻。
對於封閉式雙箱量熱儀，Pwall可以估算為：
其中，Tgap是兩個箱子之間間隙中的氣溫。
擬定解決方案
擬定解決方案使用了單個腔室和一個帕爾帖元件，後者的表面(腔室內外)有兩個散熱器、溫度感測器，最後是風扇馬達以實現散熱器冷卻(圖1)。
圖1 使用帕爾帖元件的量熱儀方案。
單腔室解決方案的缺點表現為由Pwall引起的誤差或整個牆的熱洩漏。為了提高測量的準確性，由於帕爾帖元件的作用，腔室內的溫度與Tamb保持相等。
以下公式提供所產生的熱量總量：
其中，Sp是塞貝克係數，Tc是冷側溫度，Th是熱側溫度，Rp是帕爾帖元件的熱阻，Ip是流向帕爾帖元件的輸入電流。
當腔室內外的溫度相同時，帕爾帖元件的冷卻能力等於以熱量形式耗散的功率損耗。DUT的功率損耗(Ploss)可以如下計算：
其中，QFc是冷側風扇電機的功耗。
圖2提供擬定的熱量計控制系統。P1是量熱儀的設備，P2是用於電流控制的降壓轉換器，C1是用於溫度追蹤的PI控制器，C2是用於電流追蹤的PI控制器。
圖2 量熱儀回饋控制系統。
C1和C2如下所示：
其中，KPi和KPT是比例增益，而KIi和KIT是積分增益。
實驗結果
最初，在MATLAB和Simulink環境中開發了等效電路模型的模擬。透過這一模擬，可以觀察到Tin隨時間的變化趨勢，觀察到在持續約600s的瞬態之後，腔室內的溫度如何遵循Tamb的趨勢。
利用以相同的方式進行操作，可以得出帕爾帖元件熱側和冷側的溫度趨勢，帕爾帖元件的輸入電流，以及最終的估計功率損耗，估計的功耗與被測轉換器的功耗相吻合。實驗獲得的結果與模擬產生的資料一致，證實了擬定的量熱法有效。
(參考原文：Calorimetric measurement gauges EV converter power losses，by Maurizio Di Paolo Emilio)
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