量热法降低了 EV 转换器的功率损耗

通过使用高效电源转换器来减少二氧化碳排放的电动汽车的全球趋势，随着使用量热法对电气测量进行量化而得到推动。鉴于对电动汽车中的功率损耗进行准确、近乎完美的测量至关重要，因此使用量热装置提供了一种无需与转换器进行任何电气连接即可实现高精度的选项。

使用瓦特计时，热损失是转换器获得的热量和损失的热量各自值之间的差值。

然而，量热技术采用单个恒温室，由珀耳帖电池和房间控制系统提供动力。

当珀尔帖电池设置为反向时，它会在其电极内产生电流，作为对冷侧和暖侧之间的热量差异的反应。这被称为塞贝克效应。量热法使用介质空气、水或任何其他类型的冷却剂来完全去除被测设备 (DUT) 产生的热量。

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共有三种类型的常规热量计。他们是：

开放式量热仪：DUT直接放置在测量室中，而冷却剂由自然空气指示。这种解决方案的优点是结构简单，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，它实现了比开放式热量计更好的精度。然而，由于水的热容比空气大，因此测量时间变长。

封闭式双壳热量计：它允许主动控制两个壳之间的间隙中的空气温度，从而提高准确性。

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 (P wall )。对于敞开式和封闭式单壳热量计，(P wall )表示为：

P wall  = (T test  – T amb ) / R th,wall

这里，T test 是测试室中的温度，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，P wall 可估算为：

P wall  = (T test  – T gap ) / R th,wall

而 T gap 是案例之间的间隙中的空气温度。

建议的解决方案

提议的解决方案使用单个腔室，一个珀尔帖电池，其表面（内部和外部）有两个散热器、温度传感器，最后是风扇电机来冷却散热器（图 1）。

图 1：热量计方案使用 Peltier 池。

单间解决方案的缺点是 P墙或跨墙热泄漏引入的误差。室中的温度保持等于T amb，以提高测量的准确性。珀尔帖细胞活动鼓励了这一点。 

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，而 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，珀耳帖电池的冷却能力等于作为热量散失的功率损耗。DUT 的功率损耗 (P loss ) 使用以下公式计算：

P损失 = S p T c I p  – (T h  – T c )/R p  – 0.5 R p I p 2  – Q Fc

而 Q Fc是冷侧风扇电机的功耗。

图 2 显示了建议的热量计控制系统。P 1  是热量计的设备，P 2  是用于电流控制的降压转换器，P 1  是用于温度跟踪的P 1控制器，而C 2是用于当代跟踪的P 1控制器。

图 2：这是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，Kl i和KI T是积分增益。

实验结果

最初，热等效电路模型的仿真在 Matlab 和 Simulink 环境中技术先进。通过该模拟，可以推导出 T in作为时间的函数的趋势，观察在持续约 600 秒的瞬态之后，腔室中的温度如何遵循 T amb的模式。

通过以相同的方式运行，可以推导出珀尔帖电池热侧和冷侧的温度趋势、珀尔帖电池的输入电流，以及最终的估计功率损耗。预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。

毫无疑问，电动汽车 (EV) 已证明它们比汽油动力汽车更高效。EV 电力驱动系统仅负责 15% 至 20% 的能量损失，而汽油发动机则为 64% 至 75%，这说明了这一点。电动汽车还使用再生制动来回收和再利用制动过程中会损失的能量，并且不会浪费能量空转。

气候变化和减少二氧化碳排放的需要正在彻底改变整个运输部门，越来越倾向于电动汽车或电动汽车。电动汽车 (EV) 使用高效电源转换器，其值接近 99%。

审核编辑 黄昊宇