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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