用量热法测量电动汽车转换器的功率损耗

shuszhao

气候变化，以及随之而来减少二氧化碳排放量的需求，正在彻底改变整个交通行业，使之日益向电动交通的方向发展。电动汽车（EV）要使用高效电源转换器，其值接近于99%。
为了设计或评估电源转换器，必须以很高的精度测量其功率损耗。通常用功率表来测量，功率损耗表示为输入功率值与输出功率值之差。由于效率高，这一差额很小，因此只有满量程误差比较显著。
与用功率表进行电学测量相比，另一种解决方案是基于量热法的解决方案，它能够实现高精度而无需与转换器进行任何电气连接。

本文将要介绍的技术使用单个恒温室、珀耳帖元件和室温控制系统。珀耳帖元件以反向模式运行，导致塞贝克效应，由于冷侧和热侧之间热量差的影响，其电极上产生电流。


常规量热仪

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所产生的热量来予以确定。尤其是量热法使用某种介质来去除被测设备（DUT）所产生的热量。在理想的量热仪中，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。
常规量热仪分为三种类型：

[li]开放式量热仪：DUT直接放置在测量室内，而冷却剂则用普通空气代表。该解决方案的优点是结构简单和测量速度快，主要缺点是难以测量空气的热容量。[/li][li]封闭式单箱量热仪：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，它比开放式量热仪具有更高的精度。但是，由于水的热容大于空气的热容，因此测量时间变长。[/li][li]封闭式双箱量热仪：它可以主动控制两个箱子之间间隙中的空气温度，从而提高了准确性。[/li]

无论哪种类型，误差的主要来源都是通过量热仪壁的热量损失（Pwall）。对于开放式和封闭式单箱量热仪，Pwall表示为：

Pwall=(Ttest–Tamb)/Rth,wall

其中，Ttest是测试室中的温度，Tamb是环境温度，Rth,wall是量热仪壁的热阻。
对于封闭式双箱量热仪，Pwall可以估算为：

Pwall=(Ttest–Tgap)/Rth,wall

其中，Tgap是两个箱子之间间隙中的气温。


拟定解决方案

拟定解决方案使用了单个腔室和一个珀耳帖元件，后者的表面（腔室内外）有两个散热器、温度传感器，最后是风扇电动机以实现散热器冷却（图1）。

                               
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图1：使用珀耳帖元件的量热仪方案。

单室解决方案的缺点表现为由Pwall引入的误差或整个墙的热泄漏。为了提高测量的准确性，由于珀耳帖元件的作用，腔室内的温度与Tamb保持相等。
下式给出了所产生的热量总量：

uc=SpTcIp–(Th–Tc)/Rp–0.5RpIp2

其中，Sp是塞贝克系数，Tc是冷侧温度，Th是热侧温度，Rp是珀耳帖元件的热阻，Ip是流向珀耳帖元件的输入电流。
当腔室内外的温度相同时，珀耳帖元件的冷却能力等于以热量形式耗散的功率损耗。DUT的功率损耗（Ploss）可以如下计算：

Ploss=SpTcIp–(Th–Tc)/Rp–0.5RpIp2–QFc

其中，QFc是冷侧风扇电机的功耗。
图2给出了拟定的热量计控制系统。P1是量热仪的设备，P2是用于电流控制的降压转换器，C1是用于温度跟踪的PI控制器，C2是用于电流跟踪的PI控制器。

                               
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图2：量热仪反馈控制系统。

C1和C2如下所示：

                               
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其中，KPi和KPT是比例增益，而KIi和KIT是积分增益。


实验结果

最初，我们在MATLAB和Simulink环境中开发了等效电路模型的仿真。通过这一仿真，可以观察到Tin随时间的变化趋势，观察到在持续约600s的瞬态之后，腔室内的温度如何遵循Tamb的趋势。
通过以相同的方式进行操作，可以得出珀耳帖元件热侧和冷侧的温度趋势，珀耳帖元件的输入电流以及最终的估计功率损耗。估计的功耗与被测转换器的功耗相吻合。实验获得的结果与仿真产生的数据一致，证实了拟定的量热法有效。

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