使用量热法测量EV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彻底改变交通运输行业，并推动其越来越多地转向电动汽车。电动汽车 (EV) 使用高效电源转换器，其值接近 99%。

要设计或评估电源转换器，必须以高精度测量其功率损耗。通常用瓦特表测量，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。

我们现在将描述的技术使用单个恒温室、珀尔帖电池和室温控制系统。珀耳帖电池以反向模式运行，导致塞贝克效应，在其电极上产生电流，这是冷侧和暖侧之间热量差异的影响。

传统热量计

因为电子电路中的功率损耗主要是由于散热，所以可以通过测量系统产生的热量来确定。尤其是量热法，它使用一种介质来去除被测设备 (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。

传统的热量计分为三种类型：

开放式热量计：DUT直接放置在测量室中，而冷却剂则以普通空气为代表。该解决方案的优点是结构简单和测量执行速度快。主要缺点是难以测量空气的热容。

封闭式单壳热量计：这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，它实现了比开放式热量计更高的精度。但是，由于水的热容量比空气大，因此测量时间变长。

封闭式双壳热量计：这允许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

这里，T test是试验箱内的温度，T amb是环境温度，R th,wall是热量计壁的热阻。

对于封闭式双壳量热仪，sub>wall 可估算为：

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

其中T gap为箱间间隙内的空气温度。

建议的解决方案

建议的解决方案使用单个腔室，在其表面(腔室内部和外部)上有一个 Peltier 电池，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：热量计方案使用 Peltier 电池。

单室解决方案的缺点是由sub>wall 引入的误差或跨墙壁的热量泄漏。为了提高测量的准确性，由于 Peltier 电池的作用，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

其中，S p是塞贝克系数，T c是冷端温度，T h是热端温度，R p是珀尔帖电池的热阻，I p是珀尔帖电池的输入电流。

当腔室内外温度相同时，珀尔帖电池的冷却能力等于以热量形式散发的功率损耗。DUT的功率损耗(sub>loss)可以计算如下：

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 是热量计的对象，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： 热量计反馈控制系统

C 1和C 2标注如下：

这里，KP i和KP T是比例增益，而KI i和KI T是积分增益。

实验结果

最初，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作为时间函数的趋势，观察在持续约 600 秒的瞬态之后，腔室中的温度如何跟随T amb的趋势。

通过以相同的方式操作，可以推导出 Peltier 电池热侧和冷侧的温度趋势、Peltier 电池的输入电流和估计的功率损耗。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。

审核编辑：汤梓红