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使用量熱法測量EV電源轉換器損耗

李微波 ? 來源:夜貓煮茶 ? 作者:夜貓煮茶 ? 2022-07-27 11:27 ? 次閱讀

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,并推動其越來越多地轉向電動汽車。電動汽車 (EV) 使用高效電源轉換器,其值接近 99%。

要設計或評估電源轉換器,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。

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

我們現在將描述的技術使用單個恒溫室、珀爾帖電池和室溫控制系統。珀耳帖電池以反向模式運行,導致塞貝克效應,在其電極上產生電流,這是冷側和暖側之間熱量差異的影響。

傳統熱量計

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產生的熱量來確定。尤其是量熱法,它使用一種介質來去除被測設備 (DUT) 產生的熱量。在理想的熱量計中,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。

傳統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。該解決方案的優點是結構簡單和測量執行速度快。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,用于與周圍環境進行熱交換。通過使用水作為冷卻劑,它實現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是試驗箱內的溫度,T amb是環境溫度,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扇電機(圖 1)。

pYYBAGLeMg2AMz_HAAExidbMU1U653.png

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。為了提高測量的準確性,由于 Peltier 電池的作用,腔室中的溫度保持等于T amb 。

產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,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。

當腔室內外溫度相同時,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是冷側風扇電機的功耗。

圖 2顯示了所提出的熱量計控制系統。sub>1 是熱量計的對象,sub>2 是用于電流控制的降壓轉換器,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。

pYYBAGLeMiGAaQzwAADTZ8M58o8359.png

圖 2: 熱量計反饋控制系統

C 1和C 2標注如下:

poYBAGLeMi-AK_7WAAAnq2ztj2k511.png

這里,KP i和KP T是比例增益,而KI i和KI T是積分增益。

實驗結果

最初,在 MATLABSimulink 環境中開發了熱等效電路模型的仿真。通過該模擬,可以得出T in作為時間函數的趨勢,觀察在持續約 600 秒的瞬態之后,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,可以推導出 Peltier 電池熱側和冷側的溫度趨勢、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換器的功率耗散一致。實驗獲得的結果與模擬產生的數據一致,證實了所提出的量熱方法的有效性。

審核編輯:湯梓紅

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