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      用量热法测量电动汽车转换器的功率损耗

      2020-09-02 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
      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。

      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%。NMcednc

      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。NMcednc

      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。NMcednc

      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。NMcednc

      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。NMcednc

      常规量热仪分为三种类型:NMcednc

      • 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。
      • 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。
      • 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。

      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:NMcednc

      Pwall=(Ttest–Tamb)/Rth,wallNMcednc

      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。NMcednc

      对于封闭式双箱量热仪,Pwall可以估算为:NMcednc

      Pwall=(Ttest–Tgap)/Rth,wallNMcednc

      其中,Tgap是两个箱子之间间隙中的气温。NMcednc

      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)。NMcednc

      NMcednc

      图1:使用珀耳帖元件的量热仪方案。NMcednc

      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。NMcednc

      下式给出了所产生的热量总量:NMcednc

      uc=SpTcIp–(Th–Tc)/Rp–0.5RpIp2NMcednc

      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。NMcednc

      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:NMcednc

      Ploss=SpTcIp–(Th–Tc)/Rp–0.5RpIp2–QFcNMcednc

      其中,QFc是冷侧风扇电机的功耗。NMcednc

      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。NMcednc

      NMcednc

      图2:量热仪反馈控制系统。NMcednc

      C1和C2如下所示:NMcednc

      NMcednc

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

      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。NMcednc

      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。NMcednc

      参考资料

      1. K. Mitsugi, Y. Noge and M. Deng, “Simple Calorimetric Power Loss Measurement System Using Single Chamber and Peltier Device with Ambient Temperature Tracking Control,” IEEE 2020.

      (原文刊登于EDN美国版,参考链接:Calorimetric measurement gauges EV converter power lossesNMcednc

      本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里NMcednc

      本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
      Maurizio Di Paolo Emilio
      Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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