CN115372734B - 一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法，包括如下步骤：S1、测试条件的准备，完成人机控制器测试及整机控制、采样***测试，确认外部电源和试验台架调整完毕；S2、液质量测量和比热容测定，首先测量冷却液箱体的实际重量W1，然后测量装入冷却液后冷却液箱体与冷却液的实际总重量W2，最后计算出所装入的冷却液实际重量G0，选取单位千克质量的冷却液测定单位质量的比热容c液；S3、数据采样；S4、计算工况损耗值。通过本发明实现了在低成本的基础上，提高电力电子功率器件损耗的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子功率器件损耗测量的技术领域，具体来说，涉及一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法。
背景技术
随着新型功率器件(IGBT、SIC MOSFET、GaN MOSFET等)的迅速发展，计算功率器件的损耗值对散热***的设计影响巨大，是散热计算的初始依据。厂家的数据中，很多没有直接的应用类型及具体工况数据，计算数据会受专业能力限制以及对工况具体情况了解的程度而影响结果的准确，必须要依靠实测证实。验证后的数据对散热器定型/升级设计有指导甚至决定意义。
现有方法：
(1)仿真和计算，包括功率器件厂家推出在内的仿真损耗计算。此类计算的缺陷是由于同样受到专业知识能力限制以及对具体工况的了解，而导致计算结果和实际产生较大的偏差。在对安装空间要求限制严格的场合(如车载驱动器)，直接会影响能否满足用户需求。
(2)电力数据功率分析测量***，依靠输入和输出侧的电压及电流测量，计算出变流器输出效率后换算出损耗。这种方法的缺陷是由于变流器输出的(如PWM波)较高电压谐波、输出电压中的高于供电电平的峰值电压等，而直接影响测量结果(测量是按一定周期进行瞬时值采集)，再加上电流的波形畸变，谐波增高，使输出功率的偏差过大，由于测量精度限制，甚至测量结果出现效率大于100％的情况。再有的缺陷是造价过高，不能够被普遍应用。
(3)依靠测量液冷散热器进出口温度差和流量值，按照冷却液比热容推算损耗功率。这种方法的缺陷是测量数据依赖流量测量的精度，导致最终结果的准确性降低；其测量过程没有考虑散热器对环境的传导，而一定功率范围，几十安培的电流，自然冷却被实际采用，因此，精度方面的考虑缺乏重要影响因素的应对手段。
(4)双脉冲损耗测量，可计算单一器件的开关损耗和一定斜率电流变化的平均通态损耗。对于折算成整个电路的损耗，由于无法复现电路结构设计的实际情况(实际的是三相平衡度、杂散电感等)，其测量值存在方法上的缺失，通常用于参考，而不是依据。由于实施层面受线路结构复杂程度的制约，甚至无法实施样机的损耗数据采样，而实际条件的回路杂感，在损耗测量上，影响很大。在其它场合使用普通二极管(恢复较慢)的整流电路时，不适合测量整流二极管的损耗。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提供一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法，能够解决上述问题。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明运用的基本原理：
比热容是指单位质量的某种物质升高(或下降)单位温度所吸收(或放出)的热量。其国际单位制中的单位是焦耳每千克开尔文[J/(kg×K)]，即令 1kg的物质的温度上升1开尔文所需的热量。根据此定理，最基本便可得出以下公式：
即单位质量冷却液m在温升ΔT下，与其输入能量Q呈数学比例关系。能量与功率的换算关系为1焦耳(J)＝1瓦特×1秒(W＊s)，按冷却液比热容计算能量后，除以参考固定输出功率的测量时间，可得出损耗功率，即
本发明的基础方法为：
测量冷却液质量，并测量其前后的温升ΔT并计时，计算得出损耗功率。
自然换热影响的应对策略：
采样***配置保温箱，将散热冷却液容器和被测变流装置放置于保温箱内，减小热量对环境的逸散；配置液风冷却器作为冷却液和保温箱内部空气的热交换装置，从而将变流器散发到环境的热量进行能量收集；配置冷却液温度采集和箱体内环境温度采集，进行后续损耗计算；采样***的动力电缆载流量需配置到无明显发热的条件。选取平稳阶段的冷却液温度差值、环境温度差值和时间间隔，计算功率器件热损耗。
本发明的有益效果：通过本发明实现了在低成本的基础上，提高电力电子功率器件损耗的测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述的一种液冷测量电力电子功率器件损耗的测量***简图；
图2是本发明实施例所述的变流器功率与保温箱内温度、冷却液温度的变化关系曲线图。
图中：
1、保温箱；2、冷却液箱体；3、冷却液；4、循环管道；5、液风冷却器；6、液风冷却器动力线束；7、冷却液箱盖；8、数据采集计算***；9、信号线束；10、箱体环境温度传感器；11、空气空间；12、被测变流器控制线束；13、被测变流器动力线束；14、流量控制线束；15、流量控制装置； 16、冷却液排放阀门；17、冷却液温度传感器；18、变流器输出功率曲线； 19、保温箱内温度变化曲线；20、冷却液温度变化曲线；21、被测变流器； 22、循环管道二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明实施例所述的一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法，包括步骤一：测试条件的准备，完成人机控制器测试及整机控制、采样***测试，确认外部电源和试验台架调整完毕，确认外部电源和试验台架调整完毕，需要测试前，对功率器件整机(功率、控制)按一定标准(国家或行业标准)及工况要求，完成空载、负载及散热温升的试验台架测试，如图1所示，采样***包括保温箱1，保温箱1内设有冷却液箱体2、液风冷却器5(含换热管路、循环泵、换热风机等)、箱体环境温度传感器10(用来采集箱体内环境温度)、被测变流器21，冷却液箱体2设有冷却液3，冷却液3中设有冷却液温度传感器17(用来采集冷却液的温度)，箱体环境温度传感器10和冷却液温度传感器17采集的数值通过信号线束9传输到数据采集计算***被记录，液风冷却器5一端通过循环管道一4与冷却液3连接，另一端连接液风冷却器动力线束6，液风冷却器5作为冷却液3和保温箱1内部空气的热交换装置，从而将被测变流器21散发到环境的热量进行能量收集，冷却液箱体2底端设有冷却液排放阀门16用以排液，上端设有冷却液箱盖7用以注液，冷却液箱体2 还设有循环管道二22与将被测变流器21连接，在循环管道二22一个管道上设有流量控制装置15，流量控制装置15通过流量控制线束14连接人机控制器或手动控制器，被测变流器21通过被测变流器控制线束12连接人机控制器，被测变流器21通过被测变流器动力线束13连接动力电源及试验台架。
步骤二：冷却液3质量测量和比热容测定，首先测量冷却液箱体的实际重量W1，然后测量装入冷却液后冷却液箱体与冷却液的实际总重量W2，最后计算出所装入的冷却液实际重量G0(G0＝W2-W1)，选取单位千克质量的冷却液测定单位质量的比热容c液(比热容的取值受使用环境气压影响；受使用环境温度影响；受冷却液化学构成影响：由于应用环境要求除菌、防结垢、低温等情况，散热液的化学构成配比会导致比热容变化。因此，在取值之间，需要对冷却液的比热容进行重新测定。参考目前较为简便易行的电加热法，受测试工具精度影响，精度约为2％(以某厂家工业型仪表精确度参数举例：交流电压 0.4％，交流电流0.7％，温度1％，电阻0.05％)。)，在测量重量时，可利用电子秤进行称重(精度可达到＜0.1％)，电子秤是测量物体的重力，然后算出质量的，这种结果会受重力加速度的影响。但是由于电子秤有芯片，可以做的比较智能，所以正规的电子秤是能自动测量并适应当地的重力加速度的(很简单，调零时，内部测量的重力是托盘和托盘支架的重力，而托盘和托盘之架的质量是一定的，电子秤就可以据此算出当地的重力加速度，并根据此重力加速度计算所测物体的质量)，所以电子秤不会对冷却液实际重量G0产生影响，如果利用的是弹簧秤称重，则按照1930年国际重力公式，计算出使用地的重力加速度数值g1；以g1除以9.8m/s2，计算出测重调整比例K，将K值乘以弹簧秤测得的数值，即可得出冷却液3实际质量G0的千克值，另外冷却液实际重量G0也可用体积法算出，用冷却液3的体积乘以冷却液3的密度即可。
步骤三：数据采样，在被测变流器21输出功率上升至平稳阶段的t1时刻开始计时，并采集记录t1时刻保温箱1内温度T1和冷却液3的温度Th1，保持被测变流器21输出功率不变在被测变流器21输出功率平稳阶段的t2时刻结束计时，并采集记录t2时刻保温箱1内温度T2和冷却液3的温度Th2(工况的测试过程是逐步增加负载到要求工作点且撤除负载时渐变，以便不给测试关联设备造成大幅快速的负荷冲击。因此，测试过程的计时，跟工况测试的要求时间(如长时间额定负荷)，会出现一定的偏差。计时时数据采集应采用输出的平稳工作状态，如图2所示t1应选取为tU加载上升阶段之后，t2应选取为 tD加载下降阶段之前，t1、t2在tU与tD之间的平稳阶段进行选取，在计时时，可采用手持或集成的石英时钟计时装置，参考《GB/T 22778液晶数字式石英秒表》的4.5瞬时日差(s/d)中的非专用型要求，限值为0.1s/d(专用型为0.05s/d)。远远小于0.01％，考虑到读数的舍入，计算可按0.01％计算)；测量流量控制装置15的工作电压和工作电流，将该电压值与电流值相乘计算出流量控制装置15的损耗功率Pl；测量液风冷却器动力线束6的工作电压和工作电流，将该电压值与电流值相乘计算出液风冷却器5的损耗功率Py；测量被测变流器控制线束12中的各控制电源电压和电流，将电压值和电流值相乘并按控制电源路数累加，计算出被测控制损耗Pk，若控制电源从动力电源侧或关联侧取电，需要离线测量总控制的损耗Pk值。
步骤四：计算工况损耗值，变流器整体损耗计算公式：
功率器件损耗计算公式：
因保温箱1内空气比重很小，测试过程的液风冷却器5又进行了热量交换，因此预估环境耗散功率Ph的关联参数可以为：空气密度取值ρ空气＝1.29kg/m3，空气比热容取值c空气＝1020J/(kg*K)，Vh(单位m3)为保温箱体内空余的环境空气空间11的体积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、测试条件的准备，完成人机控制器测试及整机控制、采样***测试，确认外部电源和试验台架调整完毕，采样***配置有保温箱，保温箱中设有液风冷区器、冷却液箱体、箱体环境温度传感器，冷却液箱体设有冷却液温度传感器；
S2、冷却液质量测量和比热容测定，首先测量冷却液箱体的实际重量W1，然后测量装入冷却液后冷却液箱体与冷却液的实际总重量W2，最后计算出所装入的冷却液实际重量G0，选取单位千克质量的冷却液，测定单位质量冷却液的比热容c液；
S3、数据采样，在被测变流器的输出功率上升至平稳阶段的t1时刻开始计时，并采集记录t1时刻保温箱内温度T1和冷却液的温度Th1，保持被测变流器的输出功率不变，在被测变流器的输出功率平稳阶段的t2时刻结束计时，并采集记录t2时刻保温箱内温度T2和冷却液的温度Th2；
S31、测量流量控制装置的工作电压和工作电流，将该电压值与电流值相乘计算出流量控制装置的损耗功率Pl；
S32、测量液风冷却器动力线束的工作电压和工作电流，将该电压值与电流值相乘计算出液风冷却器的损耗功率Py；
S33、测量被测变流器控制线束中的各控制电源电压和电流，将电压值和电流值相乘并按控制电源路数累加，计算出被测控制损耗Pk；
S4、计算工况损耗值，变流器整体损耗计算公式：
功率器件损耗计算公式：
其中空气密度取值ρ空气＝1.29kg/m3，空气比热容取值c空气＝1020J/(kg*K)，Vh为保温箱体内空余的环境空气空间体积。
2.根据权利要求1所述的一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法，其特征在于，所述步骤S2中采用能自动测量并适应当地重力加速度的电子秤进行称重。
3.根据权利要求1所述的一种液冷电力电子功率器件损耗的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中采用手持或集成的石英时钟计时装置进行计时。
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