DE102015222357A1

DE102015222357A1 - Method and device for measuring and characterizing a thermoelectric module

Info

Publication number: DE102015222357A1
Application number: DE102015222357.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Grünwald; Joachim TREIER; Wenqing Liu
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2017-05-18

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls (5, 101) mittels eines Schaltkreises (98) mit einer Signalquelle (2, 105) und mit einem Messwiderstand (3) mit einer bekannten Impedanz, wobei das zu messende thermoelektrische Modul (5, 101) als Messprobe an den Schaltkreis (98) anzuschließen ist, die Signalquelle (2, 105) ein Spannungssignal erzeugt und das thermoelektrische Modul (5, 101) temperiert wird und an dem Messwiderstand (3) und an der Messprobe eine Spannungsmessung durchgeführt wird, wobei zur Auswertung der Eigenschaften der Messprobe die insbesondere frequenzabhängige Impedanz der Messprobe bestimmt wird. Auch betrifft die Erfindung eine diesbezügliche Vorrichtung.The invention relates to a method for measuring and characterizing a thermoelectric module (5, 101) by means of a circuit (98) having a signal source (2, 105) and a measuring resistor (3) having a known impedance, wherein the thermoelectric module to be measured ( 5, 101) is to be connected as a test sample to the circuit (98), the signal source (2, 105) generates a voltage signal and the thermoelectric module (5, 101) is tempered and a voltage measurement is carried out on the measuring resistor (3) and on the test sample is, for the evaluation of the properties of the sample, the particular frequency-dependent impedance of the sample is determined. Also, the invention relates to a related device.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls gemäß Anspruch 1. Auch betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls.The invention relates to a method for measuring and characterizing a thermoelectric module according to claim 1. The invention also relates to an apparatus for measuring and characterizing a thermoelectric module.

Stand der TechnikState of the art

Ein thermoelektrisches Modul, kurz auch TEM genannt, ist ein Halbleitermodul, mittels welchem ein Wärmestrom elektrisch steuerbar bzw. regelbar ist. Dabei wird ein Wärmestrom durch Einstellung eines elektrischen Stroms vorgenommen. Ein thermoelektrisches Modul hat üblicherweise eine eher kleine Baugröße und reagiert hinsichtlich des einzustellenden Wärmestroms schnell auf die Änderung des elektrischen Stroms. Darüber hinaus weist ein thermoelektrisches Modul oder eine darauf basierende Vorrichtung üblicherweise keine mechanisch beweglichen Teile auf, die auf Dauer verschleißen könnten. Üblicherweise weisen solche thermoelektrischen Module Peltier-Elemente auf und werden zum Kühlen oder zum Heizen von Vorrichtungen eingesetzt.A thermoelectric module, also called TEM for short, is a semiconductor module by means of which a heat flow can be electrically controlled or regulated. In this case, a heat flow is made by adjusting an electric current. A thermoelectric module usually has a rather small size and reacts quickly to the change in the electric current with regard to the heat flow to be set. In addition, a thermoelectric module or a device based thereon usually has no mechanically moving parts that could wear out in the long term. Usually, such thermoelectric modules have Peltier elements and are used for cooling or for heating devices.

Eine genaue Kenntnis der Eigenschaften der thermoelektrischen Module ist insbesondere im Herstellungsprozess für die Auswahl von passenden thermoelektrischen Modulen und deren gezielter Ausnutzung von Bedeutung, insbesondere auch, wenn in einer Vorrichtung eine Mehrzahl solcher thermoelektrischer Module eingesetzt und verbaut werden sollen. So sind Vorrichtungen zum Temperieren bekannt, die eine Vielzahl solcher thermoelektrischer Module aufweisen, die beispielsweise parallel zueinander angeordnet sind.An exact knowledge of the properties of the thermoelectric modules is particularly important in the manufacturing process for the selection of suitable thermoelectric modules and their targeted utilization of importance, especially if a plurality of such thermoelectric modules are to be used and installed in a device. Thus, devices for tempering are known, which have a plurality of such thermoelectric modules, which are arranged for example parallel to each other.

Zur Charakterisierung eines thermoelektrischen Moduls sind Daten von verschiedenen Parametern des thermoelektrischen Moduls festzustellen und Kennfelder davon zu erstellen, wie beispielsweise von dem Ohmschen Innenwiderstand, dem Seebeck-Koeffizienten, der thermischen Leitfähigkeit, wobei optional auch parasitäre Effekte zu messen und zu berücksichtigen sind. Vorteilhaft ist es dabei auch, wenn eine Temperatur- und Frequenzabhängigkeit der Parameter untersucht werden kann und berücksichtigbar ist, wobei optional auch die Bauteiltoleranz und die Langzeitstabilität der thermoelektrischen Module untersucht werden könnten.In order to characterize a thermoelectric module, data from various parameters of the thermoelectric module are to be ascertained and to create characteristic diagrams thereof, such as, for example, the internal ohmic resistance, the Seebeck coefficient, the thermal conductivity, optionally also measuring and taking into account parasitic effects. It is also advantageous if a temperature and frequency dependence of the parameters can be investigated and taken into account, optionally also the component tolerance and the long-term stability of the thermoelectric modules could be investigated.

Derzeit werden zur Materialcharakterisierung von thermoelektrischen Modulen die Harman-Methode und die Steady-State-Methode angewendet. Basierend darauf werden derzeit sämtliche Messvorrichtungen für die thermoelektrischen Module entwickelt:
Dabei beruht die Harman-Methode auf einer Simultanmessung des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der thermoelektrischen Effektivität. Die Harman-Methode bestimmt dabei die thermoelektrische Effektivität aus dem Verhältnis der Thermospannung über der Probe zum Ohmschen Spannungsabfall, wenn sich bei konstantem Probenstrom eine konstante Temperaturdifferenz über der Probe eingestellt hat. Die simultane Messung der ersten drei Größen gleichzeitig mit der thermoelektrischen Effektivität, die aus ihnen nach einer einfachen Formel berechnet werden kann, bietet methodische Redundanz, auf deren Grundlage systematische Messfehler erkannt werden können. Dies macht das Verfahren zu einer besonders zuverlässigen Methode.Currently, the Harman method and the steady-state method are used for material characterization of thermoelectric modules. Based on this, all measuring devices for the thermoelectric modules are currently being developed:
The Harman method is based on a simultaneous measurement of the Seebeck coefficient, electrical and thermal conductivity and thermoelectric efficiency. The Harman method determines the thermoelectric effectiveness of the ratio of the thermal voltage across the sample to the ohmic voltage drop when a constant temperature difference has been established over the sample at a constant sample flow. The simultaneous measurement of the first three quantities simultaneously with the thermoelectric efficiency, which can be calculated from them according to a simple formula, provides methodological redundancy, on the basis of which systematic measurement errors can be detected. This makes the method a particularly reliable method.

Nachteilig an den Verfahren nach dem Stand der Technik ist es, dass keine Frequenzabhängigkeit untersuchbar ist und der Prüfling auch nicht unter realen Betriebsbedingungen getestet wird. Die existierenden Verfahren und Vorrichtungen sind entweder speziell für eine Materialcharakterisierung in Micro- und Nanoskala ausgelegt und nicht geeignet für eine schnelle Charakterisierung von kommerziellen thermoelektrischen Modulen auf der Modulebene oder sie haben einen sehr komplizierten Aufbau, was zu hohen Kosten führt. Auch ist die Genauigkeit der damit durchgeführten Messungen durch parasitäre Effekte, wie beispielsweise serielle Induktivitäten und/oder parasitäre Kapazitäten des Prüflings, stark beeinflusst.A disadvantage of the method according to the prior art is that no frequency dependence can be examined and the test object is not tested under real operating conditions. The existing methods and devices are either specifically designed for micro- and nanoscale material characterization and are not suitable for rapid characterization of commercial module-level thermoelectric modules or have a very complicated structure, resulting in high costs. Also, the accuracy of the measurements made thereby by parasitic effects, such as serial inductances and / or parasitic capacitances of the specimen, heavily influenced.

Dabei ist für den Großserieneinsatz ein schnelles und präzises Testen von verschiedenen thermoelektrischen Modulen nicht nur im Labormaßstab sondern auch unter realen Betriebsbedingungen erwünscht.For large-scale production, rapid and precise testing of various thermoelectric modules is desirable not only on a laboratory scale but also under real operating conditions.

Derzeit liegt kein solches Verfahren und auch keine solche Vorrichtung vor, die ein solches Messen und eine solche Charakterisierung schnell und zuverlässig und dennoch kostengünstig erlaubt.At present, there is no such method, nor any such device, which allows such measurement and characterization to be performed quickly and reliably, yet cost-effectively.

Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile Presentation of the invention, object, solution, advantages

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Messen und Charakterisieren von thermoelektrischen Modulen bereitzustellen, so dass thermoelektrische Module auch bei Betriebsbedingungen schnell und präzise gemessen und charakterisiert werden können.It is the object of the invention to provide an improved method and an improved device for measuring and characterizing thermoelectric modules, so that thermoelectric modules can be measured and characterized quickly and precisely even under operating conditions.

Die Aufgabe zum Verfahren wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.The object of the method is achieved with the features of claim 1.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls mittels eines Schaltkreises mit einer Signalquelle und mit einem Messwiderstand mit einer bekannten Impedanz, wobei das zu messende thermoelektrische Modul als Messprobe an den Schaltkreis anzuschließen ist, die Signalquelle ein Spannungssignal erzeugt und das thermoelektrische Modul temperiert wird und an dem Messwiderstand und an der Messprobe eine Spannungsmessung durchgeführt wird, wobei zur Auswertung der Eigenschaften der Messprobe die insbesondere frequenzabhängige Impedanz der Messprobe bestimmt wird. Dadurch kann aus den vorgenommenen Messungen, beispielsweise auch bei verschiedenen Frequenzen, die entsprechende insbesondere frequenzabhängige Impedanz des thermoelektrischen Moduls bestimmt werden, aus welcher die Eigenschaften des thermoelektrischen Moduls herleitbar sind.An embodiment of the invention relates to a method for measuring and characterizing a thermoelectric module by means of a circuit with a signal source and with a measuring resistor having a known impedance, wherein the thermoelectric module to be measured is to be connected as a test sample to the circuit, the signal source generates a voltage signal and the thermoelectric module is tempered and a voltage measurement is performed on the measuring resistor and the test sample, wherein the particular frequency-dependent impedance of the test sample is determined to evaluate the properties of the test sample. As a result, from the measurements made, for example, at different frequencies, the corresponding, in particular frequency-dependent impedance of the thermoelectric module can be determined, from which the properties of the thermoelectric module can be derived.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mittels einer Temperaturmessung eine Temperatur einer Warmseite der Messprobe bestimmt wird und/oder eine Temperatur einer Kaltseite der Messprobe bestimmt wird und/oder mittels einer Wärmeflussmessung eine Heizleistung und/oder eine Kühlleistung zur Temperierung der Messprobe ermittelt wird. Dadurch kann die Temperierung der Messprobe vorgenommen und überwacht bzw. definiert gesteuert werden und das Ergebnis der Temperierung kann überwacht werden.It is particularly advantageous if a temperature of a hot side of the sample is determined by means of a temperature measurement and / or a temperature of a cold side of the sample is determined and / or by means of a heat flow measurement, a heating power and / or a cooling capacity for temperature control of the sample is determined. As a result, the temperature of the measurement sample can be made and monitored or defined controlled and the result of the temperature control can be monitored.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Signalquelle ein Spannungssignal mit einem Wechselspannungsanteil und mit einem Gleichspannungsanteil erzeugt. So kann die Impedanz der Messprobe breitbandig ermittelt werden.It is particularly advantageous if the signal source generates a voltage signal with an AC voltage component and with a DC component. Thus, the impedance of the test sample can be determined broadband.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Gedanken ist es auch vorteilhaft, wenn der Wechselspannungsanteil in Amplitude und Frequenz einstellbar ist und auch der Gleichspannungsanteil in der Amplitude einstellbar ist. Dadurch kann durch ein Einstellen der jeweiligen Anteile die komplexe Impedanz über einen breiten Amplituden und Frequenzbereich gemessen werden.According to the inventive concept, it is also advantageous if the AC voltage component in amplitude and frequency is adjustable and also the DC component is adjustable in amplitude. As a result, by adjusting the respective proportions, the complex impedance can be measured over a wide amplitude and frequency range.

Dabei ist es gemäß dem erfindungsgemäßen Gedanken auch vorteilhaft, wenn die Impedanz Z_PT der Messprobe bestimmt wird zu:

wobei

der Quotient aus der Amplitude von U_PT ^AC(f) und der Amplitude von

U_M ^AC(f)

ist und

φ AC / PT – φ AC / M

die Phasendifferenz zwischen

U AC / PT(f)

und

U AC / M(f)

ist.It is also advantageous in accordance with the inventive concept if the impedance Z _{PT of} the test sample is determined to be:

in which

the quotient of the amplitude of U _PT ^AC (f) and the amplitude of

U _M ^AC (f)

is and

φ AC / PT - φ AC / M

the phase difference between

U AC / PT (f)

and

U AC / M (f)

is.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Seebeck-Koeffizient α abgeschätzt wird zu:

mit dem Seebeck-Koeffizienten α(T_h, T_c) als der Quotient aus der Seebeck-Spannung U_α, und der Temperaturdifferenz T_h – T_c, wobei gilt:

wobei f₀ die niedrigste Frequenz der Wechselspannung U₀ ^AC ist und Z_PT(f₀) aus dem Messergebnis Z_PT(f, T) entnehmbar ist. So kann aus den gemessenen Größen, vorteilhaft frequenzabhängig, der Seebeck-Koeffizient des als Messprobe verwendeten thermoelektrischen Moduls abgeschätzt werden.It is particularly advantageous if the Seebeck coefficient α is estimated to be:

with the Seebeck coefficient α (T _h , T _c ) as the quotient of the Seebeck voltage U _α , and the temperature difference T _h - T _c , where:

where f _{0 is} the lowest frequency of the AC voltage U ₀ ^AC and Z _PT (f ₀ ) can be taken from the measurement result Z _PT (f, T). Thus, from the measured quantities, advantageously frequency-dependent, the Seebeck coefficient of the thermoelectric module used as a test sample can be estimated.

Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeleitfähigkeit abgeschätzt wird zu:

mit der Impedanz Z_PT, den Temperaturen T_c, T_h, dem Seebeck-Koeffizienten α, der Heizleistung

Q ._h

bzw. der Kühlleistung

Q ._c

und dem Strom I.It is also advantageous if the thermal conductivity is estimated to be:

with the impedance Z _PT , the temperatures T _c , T _h , the Seebeck coefficient α, the heating power

Q. _H

or the cooling capacity

Q. _c

and the current I.

Die Aufgabe zur Vorrichtung wird mit den Merkmalen von Anspruch 8 gelöst.The object of the device is achieved with the features of claim 8.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls, mit einem Schaltkreis mit einer Signalquelle und mit einem Messwiderstand mit einer bekannten Impedanz, wobei das zu messende thermoelektrische Modul als Messprobe an den Schaltkreis anschließbar ist, ein Spannungssignal von der Signalquelle erzeugbar ist und das thermoelektrische Modul temperiert bar ist, wobei an dem Messwiderstand und an der Messprobe eine Spannungsmessung durchführbar ist, wobei zur Auswertung der Eigenschaften der Messprobe die insbesondere frequenzabhängige Impedanz der Messprobe bestimmbar ist.An embodiment of the invention relates to a device for measuring and characterizing a thermoelectric module, comprising a circuit having a signal source and a measuring resistor having a known impedance, wherein the thermoelectric module to be measured can be connected as a test sample to the circuit, a voltage signal from the signal source generated is and the thermoelectric module tempered bar, wherein on the measuring resistor and the test sample, a voltage measurement is feasible, wherein the particular frequency-dependent impedance of the test sample can be determined to evaluate the properties of the test sample.

Dabei ist es vorteilhaft, wenn Mittel zur Spannungsmessung, Temperaturmessung, Strommessung und/oder Wärmeflussmessung vorgesehen sind. Diese Mittel sind entsprechende Sensoren etc.It is advantageous if means for voltage measurement, temperature measurement, current measurement and / or heat flow measurement are provided. These means are corresponding sensors etc.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mittels der Vorrichtung ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist.Furthermore, it is advantageous if an inventive method by means of the device is feasible.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.Further advantageous embodiments are described by the following description of the figures and by the subclaims.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail on the basis of at least one embodiment with reference to the figures of the drawing. Show it:

1 ein schematisches Schaltbild zur erfindungsgemäßen Vorrichtung, und 1 a schematic diagram of the device according to the invention, and

2 ein Blockdiagramm zur erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 a block diagram of the device according to the invention.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung Preferred embodiment of the invention

Die 1 zeigt ein schematisches Schaltbild 99 einer Vorrichtung 1 zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls. Dabei ist in dem Schaltkreis 98 eine Signalquelle 2 vorgesehen, welche eine sinusförmige elektrische Wechselspannung U₀ ^AC mit einem Gleichspannungsanteil U₀ ^DC erzeugt.The 1 shows a schematic diagram 99 a device 1 for measuring and characterizing a thermoelectric module. It is in the circuit 98 a signal source 2 provided, which produces a sinusoidal alternating voltage U ₀ ^AC with a DC voltage component U ₀ ^DC.

Im Schaltkreis 98 ist ein Messwiderstand 3 verschaltet angeordnet, welcher eine bekannte komplexe Impedanz Z_M aufweist.In the circuit 98 is a measuring resistor 3 arranged interconnected, which has a known complex impedance Z _M.

Über Anschlusskontakte 4 ist ein thermoelektrisches Modul 5 als Messprobe an den Schaltkreis 98 angeschlossen. Dabei bezeichnet Z_PT die zu bestimmende komplexe Impedanz des thermoelektrischen Moduls 5. U_M ist die elektrische Spannung, die über den Messwiderstand 3 abfällt. Sie besteht aus einem Wechselstromanteil U_M ^AC und aus einem Gleichstromanteil U_M ^DC. bezeichnet den elektrischen Strom durch das thermoelektrische Modul 5 als Messprobe und durch den Messwiderstand 3.Via connection contacts 4 is a thermoelectric module 5 as a test sample to the circuit 98 connected. Z _{PT designates} the complex impedance of the thermoelectric module to be determined 5 , U _M is the electrical voltage across the measuring resistor 3 drops. It consists of an alternating current component U _M ^AC and a DC component U _M ^DC. denotes the electric current through the thermoelectric module 5 as a test sample and through the measuring resistor 3 ,

Die Vorrichtung 1 zum Messen und Charakterisieren von thermoelektrischen Modulen ist vorteilhaft mit einem Verfahren zum Messen und Charakterisieren von thermoelektrischen Modulen betreibbar. Dabei ist die Vorrichtung 1 vorteilhaft preiswert aufgebaut und sie ist dennoch in der Lage, die für die Anwendung eines thermoelektrischen Moduls, wie eines Peltierelements, interessanten bzw. relevanten Eigenschaften insbesondere unter realistischen Betriebsbedingungen effizient und mit ausreichend hoher Genauigkeit zu ermitteln.The device 1 for measuring and characterizing thermoelectric modules is advantageously operable with a method for measuring and characterizing thermoelectric modules. Here is the device 1 Advantageously constructed inexpensive and it is still able to determine the for the application of a thermoelectric module, such as a Peltier element, interesting or relevant properties, especially under realistic operating conditions efficiently and with sufficiently high accuracy.

Dabei weist die Vorrichtung vorteilhaft zumindest eine Schnittstelle oder mehrere Schnittstellen auf, über welche Daten übertragen werden können und/oder über welche die Vorrichtung 1 ferngesteuert werden kann.In this case, the device advantageously has at least one interface or a plurality of interfaces via which data can be transmitted and / or via which the device 1 can be remotely controlled.

Dabei kann das thermoelektrische Modul als Prüfling vorteilhaft und optional beheizt werden, wobei der Prüfling sich nach Wahl temperieren lässt, um eine erwünschte Betriebstemperatur zu erreichen. Die Vorrichtung 1 führt seine Messungen an dem Prüfling vorteilhafterweise jedoch unabhängig von der Art der Temperierung des Prüflings durch.In this case, the thermoelectric module can be heated as a test specimen advantageous and optional, the test specimen can be tempered at will to achieve a desired operating temperature. The device 1 however, advantageously performs its measurements on the test piece irrespective of the type of temperature control of the test piece.

Schaltungstechnisch weist die Vorrichtung neben der Signalquelle 2 und dem Messwiderstand 3 und dem zu testenden Prüfling vorteilhaft weiterhin Sensoren für die Temperaturmessung und für die Wärmeflussmessungen auf.Circuit technology, the device has the signal source 2 and the measuring resistor 3 and the test specimen to be tested further advantageously include sensors for the temperature measurement and for the heat flow measurements.

Die Signalquelle 2 erzeugt eine sinusförmige elektrische Wechselspannung U₀ ^AC mit einem Gleichspannungsanteil U₀ ^DC, wie bereits oben erwähnt. Der Messwiderstand 3 weist eine bekannte komplexe Impedanz Z_M auf. Z_PT bezeichnet die zu bestimmende komplexe Impedanz des thermoelektrischen Moduls.The signal source 2 generates a sinusoidal AC electrical voltage U ₀ ^AC with a DC voltage component U ₀ ^DC , as already mentioned above. The measuring resistor 3 has a known complex impedance Z _M. Z denotes the _PT to be determined complex impedance of the thermoelectric module.

U_PT ist die elektrische Spannung zwischen den Anschlüssen des Prüflings, bestehend aus einem Wechselspannungsanteil U_PT ^AC und aus einem Gleichspannungsanteil U_PT ^DC. Das thermoelektrische Modul 5 wird temperiert. Dabei ist T_h die Temperatur der Warmseite und T_c die Temperatur der Kaltseite des thermoelektrischen Moduls. Dabei bezeichnet die Q ._h die Heizleistung und die Q ._c bezeichnet die Kühlleistung.U _PT is the electrical voltage between the terminals of the test specimen, consisting of an AC voltage component U _PT ^AC and a DC voltage component U _PT ^DC . The thermoelectric module 5 is tempered. Here, T _{h is} the temperature of the hot side and T _{c is} the temperature of the cold side of the thermoelectric module. This designates the Q. _H the heating power and the Q. _c indicates the cooling capacity.

Der Prüfling wird mittels Temperiermitteln temperiert, damit T_h und T_c die erwünschten Werte erreichen. Die Temperiermittel sind in 1 jedoch nicht dargestellt. Die Heizleistung und die Kühlleistung werden vorteilhaft jeweils mittels eines nicht dargestellten Wärmeflusssensors erfasst.The test specimen is tempered by means of tempering, so that T _h and T _{c reach} the desired values. The temperature control agents are in 1 but not shown. The heating power and the cooling power are advantageously detected in each case by means of a heat flow sensor, not shown.

Die 2 zeigt ein Blockdiagramm zur erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Messen und Charakterisieren eines thermoelektrischen Moduls 101. Dabei wird das thermoelektrische Modul 101 an die Vorrichtung 100 über Kontakte elektrisch angeschlossen und thermisch gekoppelt, wobei verschiedenen Sensoren vorgesehen sind zum Messen jeweiliger Größen.The 2 shows a block diagram of the device according to the invention 100 for measuring and characterizing a thermoelectric module 101 , This is the thermoelectric module 101 to the device 100 electrically connected via contacts and thermally coupled, wherein various sensors are provided for measuring respective sizes.

Die Vorrichtung 100 weist eine Spannungsversorgungseinrichtung 102 auf, mittels welcher die Betriebsspannungen für die einzelnen Funktionseinheiten der Vorrichtung 100 bereitgestellt wird. Weiterhin ist eine Speichereinrichtung 103 vorgesehen, mittels welcher Daten speicherbar bzw. wieder aus der Speichereinrichtung abrufbar sind, wie beispielsweise Messabläufe, Zwischenergebnisse, Kennfelder eines Messwiderstands etc. Weiterhin ist eine Schnittstelle 104 vorgesehen, mittels welcher die Vorrichtung 100 mit anderen Vorrichtungen und/oder Steuereinheiten in Signalverbindung stehen kann. Dabei können über die Schnittstelle 104 beispielsweise Messergebnisse, Befehle oder der Status des Messablaufs übertragen werden.The device 100 has a power supply device 102 on, by means of which the operating voltages for the individual functional units of the device 100 provided. Furthermore, a memory device 103 provided, by means of which data can be stored or retrieved from the memory device, such as measurement procedures, intermediate results, maps of a measuring resistor, etc. Furthermore, an interface 104 provided by means of which the device 100 can be in signal communication with other devices and / or control units. It can over the interface 104 For example, measurement results, commands or the status of the measurement process are transmitted.

Der Signalgenerator 105 als Signalquelle erzeugt die Wechselspannung U₀ ^AC mit einstellbarer Frequenz und Amplitude sowie die Gleichspannung mit dem Gleichspannungsanteil U₀ ^DC mit einstellbarem Spannungspegel als Amplitude. The signal generator 105 as the signal source generates the AC voltage U ₀ ^AC with adjustable frequency and amplitude and the DC voltage with the DC voltage component U ₀ ^DC with adjustable voltage level as amplitude.

Die Treiberstufe 106 speist den hohen Strom ins das thermoelektrische Modul 101, das als Prüfling angeschlossen ist.The driver stage 106 feeds the high current into the thermoelectric module 101 , which is connected as a test object.

Die Einrichtung zur Spannungsmessung 107 ist für die Ermittlung von U_PT zuständig.The device for voltage measurement 107 is responsible for the investigation of U _PT .

Die Einrichtung zur Strommessung 108 ist für die Ermittlung von I zuständig. Diese Ermittlung erfolgt dabei vorteilhaft indirekt durch die Bestimmung des Quotienten aus U_M und Z_M.The device for current measurement 108 is responsible for the identification of I. This determination is advantageously carried out indirectly by determining the quotient of U _M and Z _M.

Die Einrichtung zur Temperaturmessung 109 ist für die Ermittlung von T_h und T_c zuständig.The device for temperature measurement 109 is responsible for determining T _h and T _c .

Die Einrichtung zur Wärmeflussmessung 110 ist für die Ermittlung der Heizleitung Q ._h und der Kühlleistung Q ._c zuständig.The device for heat flow measurement 110 is for the determination of the heating pipe Q. _H and the cooling capacity Q. _c responsible.

Die Signalverarbeitungseinrichtung 111 ist in der Lage, die jeweiligen DC- und AC-Anteile voneinander zu trennen für die Messgrößen U_PT und U_M. Sie steuert die Signalerzeugung durch den Signalgenerator 105 und wertet die Messungen der jeweiligen Messeinrichtungen 107, 108, 109, 110 aus.The signal processing device 111 is able to separate the respective DC and AC components from one another for the measured quantities U _PT and U _M. It controls the signal generation by the signal generator 105 and evaluates the measurements of the respective measuring devices 107 . 108 . 109 . 110 out.

Die Datenerfassung findet nach einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel erst nach der Stabilisierung von T_h und T_c statt. Alternativ sind auch dynamische Messverfahren möglich, die auch in dynamischen Situationen eine Datenerfassung durchführen. Dabei können die Signalverläufe von U_PT und U_M zeitsynchron abgetastet werden. Die Messwerte von T_h, T_c, Q ._h und Q ._c werden ebenfalls abgetastet. Dabei kann die Abtastrate jedoch auch geringer sein als bei den Spannungswerten von U_PT und U_M. Die abgetasteten Daten können anschließend aufgezeichnet bzw. gespeichert werden.The data acquisition takes place according to an advantageous embodiment only after the stabilization of T _h and T _c . Alternatively, dynamic measuring methods are also possible, which perform data acquisition even in dynamic situations. In this case, the signal curves of U _PT and U _{M can} be sampled time synchronously. The measured values of T _h , T _c , Q. _H and Q. _c are also sampled. However, the sampling rate may also be lower than at the voltage values of U _PT and U _M. The scanned data can then be recorded or stored.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Bestimmung der frequenzabhängigen Impedanz Z_PT(f, T) vor. Dies erfolgt vorteilhaft bei definierten Temperaturen T_c und T_h, die optional auch stabil gehalten werden können.The inventive method provides for the determination of the frequency-dependent impedance Z _PT (f, T). This is advantageously carried out at defined temperatures T _c and T _h , which can optionally also be kept stable.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Schritt 1 ein Ansteuersignal für eine Frequenz f erzeugt, so dass gilt: U_PT(f) = U_PT ^AC(f) + U_PT ^DC For carrying out the method according to the invention, a drive signal for a frequency f is generated in step 1, so that the following applies: U _PT (f) = U _PT ^AC (f) + U _PT ^DC

Dabei gilt, dass die Spannung U_PT(f) einen frequenzabhängigen Wechselspannungsanteil U_PT ^AC(f) und einen nicht frequenzabhängigen Gleichspannungsanteil U_PT ^DC aufweist.That the voltage U _PT (f) has a frequency-dependent alternating current component U ^AC _PT (f) and a non-frequency-dependent DC voltage component U ^DC Where _PT.

Dabei ist die Amplitude von U_PT ^AC(f) ca. 10% von U_PT ^DC. Dabei wird U_PT ^DC vorteilhaft so eingestellt, dass der DC-Anteil von I einen Wert aufweist, welcher insbesondere repräsentativ ist und unter realistischen Betriebsbedingungen durch den Prüfling fließen kann.The amplitude of U _PT ^AC (f) is about 10% of U _PT ^DC . In this case, U _PT ^{DC is} advantageously set so that the DC component of I has a value which is particularly representative and can flow under realistic operating conditions through the test object.

Zur Durchführung des Verfahrens werden vorteilhaft ganzzahlige mehrfache Perioden von U_PT und U_M als Schritt 2 aufgezeichnet.To carry out the method, integer multiple periods of U _PT and U _M are advantageously recorded as step 2.

Die komplexe Impedanz wird in Schritt 3 bei der Frequenz f bestimmt durch:

wobei

der Quotient aus der Amplitude von U_PT ^AC(f) und der Amplitude von U_M ^AC(f) ist
und

φ AC / PT – φ AC / M

die Phasendifferenz zwischen

U AC / PT(f)

und

U AC / M(f)

ist.The complex impedance is determined in step 3 at the frequency f by:

in which

is the quotient of the amplitude of U _PT ^AC (f) and the amplitude of ^AC U _M (f)
and

φ AC / PT - φ AC / M

the phase difference between

U AC / PT (f)

and

U AC / M (f)

is.

Die vorbeschriebenen Schritte 1 bis 3 werden bei verschiedenen vorgebbaren Frequenzen durchgeführt bis der erwünschte Frequenzbereich abgedeckt wird. The above-described steps 1 to 3 are performed at different predetermined frequencies until the desired frequency range is covered.

Zur Abschätzung des Seebeck-Koeffizienten kann die Seebeck-Spannung approximiert werden durch:

To estimate the Seebeck coefficient, the Seebeck stress can be approximated by:

Dabei ist f₀ die niedrigste Frequenz der Wechselspannung U₀ ^AC und Z_PT(f₀), welche aus dem Messergebnis Z_PT(f, T) entnommen werden kann.Here, f _{0 is} the lowest frequency of the AC voltage U ₀ ^AC and Z _PT (f ₀ ), which can be taken from the measurement result Z _PT (f, T).

Der Seebeck-Koeffizient α(T_h, T_c) ist der Quotient aus der Seebeck-Spannung U_α, und der Temperaturdifferenz T_h – T_c:

The Seebeck coefficient α (T _h , T _c ) is the quotient of the Seebeck voltage U _α , and the temperature difference T _h -T _c :

Die Abschätzung der Wärmeleitfähigkeit k(T_h, T_c) kann wie folgt vorgenommen werden:

The estimation of the thermal conductivity k (T _h , T _c ) can be made as follows:

Eine Abschätzung der elektrischen Leistung kann erfolgen durch: P_e = α(T_h – T_c)I + I²·Z_PT(f₀) An estimate of the electrical power can be made by: P _e = α (T _h -T _c ) I + I ² * Z _PT (f ₀ )

Eine Ermittlung von Leistungszahlen COP_h und COP_c kann erfolgen durch:

A determination of COP _h and COP _c can be made by:

Claims

Method for measuring and characterizing a thermoelectric module ( 5 . 101 ) by means of a circuit ( 98 ) with a signal source ( 2 . 105 ) and with a measuring resistor ( 3 ) having a known impedance, wherein the thermoelectric module to be measured ( 5 . 101 ) as a test sample to the circuit ( 98 ), the signal source ( 2 . 105 ) generates a voltage signal and the thermoelectric module ( 5 . 101 ) and at the measuring resistor ( 3 ) and a voltage measurement is carried out on the test sample, the particular frequency-dependent impedance of the test sample being determined for evaluating the properties of the test sample.

A method according to claim 1, characterized in that by means of a temperature measurement, a temperature of a hot side of the sample is determined and / or a temperature of a cold side of the sample is determined and / or by means of a heat flow measurement, a heating power and / or a cooling power for temperature control of the sample is determined ,

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the signal source ( 2 . 105 ) generates a voltage signal having an AC voltage component and a DC component.

A method according to claim 3, characterized in that the AC voltage component in amplitude and frequency is adjustable and also the DC component in the amplitude is adjustable.

Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the impedance Z _{PT of} the test sample is determined to:

in which

the quotient of the amplitude of U _PT ^AC (f) and the amplitude of U _M ^AC (f) is and

φ AC / PT - φ AC / M

the phase difference between

U AC / PT (f)

and

U AC / M (f)

is.

Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the Seebeck coefficient α is estimated to:

where f _{0 is} the lowest frequency of the AC voltage U ₀ ^AC and Z _PT (f ₀ ) can be taken from the measurement result Z _PT (f, T).

Method according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the thermal conductivity is estimated to:

Q. _H

or the cooling capacity

Q. _c

and the current I.

Device for measuring and characterizing a thermoelectric module ( 5 . 101 ), with a circuit ( 98 ) with a signal source ( 2 . 105 ) and with a measuring resistor ( 3 ) having a known impedance, wherein the thermoelectric module to be measured ( 5 . 101 ) as a test sample to the circuit ( 98 ) is connectable, a voltage signal from the signal source can be generated and the thermoelectric module ( 5 . 101 ) tempered bar, wherein at the measuring resistor ( 3 ) and a voltage measurement can be carried out on the test sample, it being possible to determine the particular frequency-dependent impedance of the test sample in order to evaluate the properties of the test sample.

Apparatus according to claim 8, characterized in that means for voltage measurement, temperature measurement, current measurement and / or heat flow measurement are provided.

Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that by means of the device, a method according to any one of the preceding claims 1 to 7 is feasible.