使用量热法测量电动汽车电源转换器损耗

气候变化以及减少二氧化碳排放的需求正在给交通运输行业带来革命性的变化，并推动其日益向电动交通方向发展。电动汽车 (EV) 使用高效电源转换器，其值接近 99%。

为了设计或评估电源转换器，必须高精度地测量其功率损耗。通常通过瓦特表测量，功率损耗表示为输入功率值与输出功率值之间的差。由于效率高，这种差异非常小，因此只能突出显示满量程误差。

使用瓦特计进行电气测量的另一种解决方案是基于量热法，无需与转换器进行任何电气连接即可实现高精度。

我们现在描述的技术使用单个恒温室、珀耳帖元件和室温控制系统。珀耳帖电池以反向模式运行，导致塞贝克效应，由于冷侧和暖侧之间的热量差异的影响，在其电极处产生电流。

传统热量计

由于电子电路中的功率损耗主要是由于散热造成的，因此可以通过测量系统产生的热量来确定功率损耗。特别是量热法，它使用介质来消除被测设备 (DUT) 产生的热量。在理想的热量计中，散发的热量完全被介质吸收，介质可以是空气、水或其他类型的冷却剂。

常规热量计分为三种类型：

开放式热量计：被测件直接放置在测量室内，冷却剂以普通空气为代表。该解决方案的优点是结构简单且测量执行速度快。主要缺点是难以测量空气的热容。

封闭式单壳热量计：它包括一个单独的冷却回路，用于与周围环境进行热交换。通过使用水作为冷却剂，它比开放式热量计具有更高的精度。然而，由于水的热容大于空气的热容，因此测量时间会变长。

封闭式双壳热量计：可以主动控制两个壳之间的空气温度，从而提高精度。

无论哪种类型，误差的主要来源是通过热量计壁的热量损失（子>壁）。对于开放式和封闭式单壳热量计，sub>wall 表示为：

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

其中，T test是测试室内的温度，T amb是环境温度，R th,wall是热量计壁的热阻。

对于封闭式双壳热量计，sub>wall 可以估计为：

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

其中T gap是箱体之间间隙中的空气温度。

提议的解决方案 提议的解决

方案使用单个腔室、珀耳帖元件，其表面（腔室内部和外部）有两个散热器、温度传感器和用于冷却散热器的风扇电机（图 1 ）。

图 1：量热计方案使用珀耳帖元件。

单房间解决方案的缺点是由子>墙引入的误差，或跨墙的热泄漏。为了提高测量精度，由于珀耳帖元件的作用，腔室中的温度保持等于T amb 。

产生的总热量如下式所示：

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

这里，S p是塞贝克系数，T c是冷端温度，Th是热端温度，R p是珀尔帖单元的热阻，I p是珀尔帖单元的输入电流。

当腔室内外温度相同时，珀耳帖元件的冷却能力等于以热量形式耗散的功率损失。DUT 的功率损耗 ( sub>loss) 可计算如下：

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是冷侧风扇电机的功耗。

图 2显示了所提出的热量计控制系统。sub>1是热量计的设备，sub>2是用于电流控制的降压转换器，C 1是用于温度跟踪的PI控制器，C 2是用于电流跟踪的PI控制器。

图2： 量热仪反馈控制系统

C 1和C 2注释如下：

这里，KP i和KP T是比例增益，KI i和KI T是积分增益。

实验结果

初，在 MATLAB 和 Simulink 环境中开发了热等效电路模型的仿真。通过该模拟，可以得出T in随时间变化的趋势，观察在持续约 600 秒的瞬态后，室内温度如何遵循T amb的趋势。

通过以相同的方式操作，可以得出珀尔帖单元热端和冷端的温度趋势、珀尔帖单元的输入电流以及估计的功率损耗。估计的功率损耗与被测转换器的功率耗散一致。实验获得的结果与模拟产生的数据一致，证实了所提出的量热方法的有效性。