关于功率密度的11个神话

本文是其中的一部分电源管理系列：探究功率密度

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你将学习:

• 明确功率密度测量的记录。
• 锂离子电池的功率密度方面。
• 无线电力传输，风力发电密度，电动汽车车载充电器和直流微电网的真相是什么?

功率密度是一个往往混乱和误解的概念。这是一个关于电力密度的11个神话，其次是揭穿他们的事实。

1。大电池具有比小电容更高的功率密度。

错误的：一个小的电容器可能与一个大的电池有相同的功率输出，但小的物理尺寸使它成为一个更高的功率密度的设备。

例如，微小电容器可以具有与大电池相同的功率输出。但是，因为电容器的体积如此小，所以它具有更高的功率密度。

为什么？：电池能够储存更多的能量，但电容器可以更快地释放能量!由于高功率密度系统释放其能量迅速，他们也可以快速充电。

2。将电源晶体管安装到其包装的一侧进行冷却的散热器将导致功率密度的最佳改善。

错误的：如果设计人员选择电源晶体管，在其包装的两侧也可以具有良好的热连接，那么这将进一步提高整体系统功率密度并降低系统成本。

为什么？：首先确定散热铜垫的正确尺寸以及在印刷电路板（PCB）的热焊盘下需要多少通孔。如果散热器可以连接到功率晶体管封装的另一侧，则将优化冷却并导致更好的功率密度。

3.天线功率密度在各向同性天线是直接和简单的计算。

错误的：各向同性天线/散热器是全方向的全向量，各方面的功率密度均匀。通过雷达，我们现在需要在来自变送器的各个距离处确定功率密度。我们必须将球体的表面区域图像（4πr²）在特定的距离R（来自作为球体的半径的天线的范围）。由于球体的表面积将增加其半径的平方，因此功率密度（P_D.），在w / m中²，将通过半径的平方减小。

因此，来自各向同性天线的功率密度是：

P._D.= P._T.（发射机电源）/4πr²

为什么？：来自各向同性天线的功率密度足够复杂，但是设计人员也可能希望看看雷达，这是各向同性天线的子集。利用雷达，我们将希望从各向同性天线看一下在某个远端的功率密度，乘以天线增益（g_T.的）（图。1）．

雷达功率密度p_D.= P._T.G_T./4πr.²．

4.功率密度测量是基于功率设计的面积或体积。看看功率设计的体积，功率密度就是输出功率处理后(V_O.×I._O.）除以PCB（W）的矩形区域形成的区域，并乘以所有组件的平均高度在那个板上。在区域的功率密度仅仅是加工的电源（v_O.×I._O.)由板的矩形面积(长×宽)。

错误的：看着功率设计的音量，功率密度是输出功率（V_O.×I._O.)除以PCB的矩形面积(W)所形成的面积，再乘以最高那块板上的组件。

5.照明功率密度(LPD)的测量单位是每平方英尺瓦特，或能量消耗除以空间大小。瓦数是单位时间(焦耳/秒)消耗的能量的量度;洛杉矶警察局在计算中使用了这一事实。

错误的：LPD实际上忽略了这个事实——它没有时间成分。LPD在今天是一个不精确的测量，因为它不使用瓦数。

6.锂离子电池具有非常高的功率密度。

错误的：锂离子电池实际上功率密度相对较低，小于1 kW/kg，通常为0.15 ~ 0.2/kg。超级电容器提供15千瓦/公斤。甚至还有一种更新的碳离子电池技术，其功率为1.5 kW/kg。

7.风力密度估计，用于基于特定区域的风流数据历史的发电，是不够精确的确定在该区域中使用的风力涡轮机的尺寸和高度。

错误的：在地面地面站上方约10个左右的40米的所选地区海拔多年的风数据将允许相当准确检查这些特定位置的能量潜力。这些研究，使用威布尔特点，确定最佳的能量大小和风力涡轮机所需的最大空气能量转换成电力。

8.无线电力传输(WPT)不能增加其电力传输超出现有的标准设计架构。

错误的：堆叠接收器线圈的经过验证的技术实际上存在用于无线Megahertz动力传输系统的。多层线圈用于改善接收器线圈的等效电感和Q因子。接下来，可以使用相应的补偿方法用于堆叠的线圈的电力接收器，以在变化的耦合和负载条件下实现交叉耦合补偿和完全谐振。

9。电动汽车(ev)配备单独的大功率车载充电器，为驾驶员和乘客提供舒适，并增加续航能力。目前，这是加速采用电动汽车的最佳途径。

错误的：加速电动汽车普及的最佳途径是实现更轻的重量和更高的效率，在驱动链中采用大功率车载电动汽车充电器。复合升压dc-dc变换器位于驱动系统中，位于电动汽车电池和电机驱动之间。该变换器由多个电源模块组成:降压模块、升压模块和DCX (dc transformer)模块（图2）．

这种设计概念将通过控制策略实现整个转换器的效率和功率密度优化，该控制策略最大化转换器在各种操作条件下处理的转换器的直接电源量。这些因素使得复合升压转换器使得具有比传统的升压转换器架构更高的效率和功率密度。

10.储能系统设计最适用于锂离子电池。

错误的：锂离子电池的能量密度高达250 Wh/kg，而功率密度小于1 kW/kg。然而，这些电池表现出很高的可燃性;随着时间的推移，他们的表现很快就会消失;与储存的能量相比，它们的成本相当高;如果发生过度收费，会非常不安全。

超级电容器对储能器有点更好。它们可以提供比电池更快的能量，并且寿命远远多于锂离子电池，但它们也易燃。另一方面，使用纳米碳和离子电解质的碳离子（C离子）电池，允许在较高电压下安全操作，没有火灾风险。C离子电池具有高寿命和高功率密度能力。

11.由于在输电线路中没有交流电阻和较少的电力转换阶段，直流微电网提供了高效率。这些微电网连接不同的能源，高度依赖于天气条件。由于气候变化，电力供应不稳定，因此需要储能系统(ESS)。传统的双端口dc-dc变换器结构将一个直流单元连接到一个dc-dc变换器与电网相连;电力转换器之间需要通信。这是关于系统大小的最佳架构。

错误的：具有三端口DC-DC转换器的DC微电网可以将两个直流单元与一个转换器互连到电网，只有少量组件，只能使用单个电源转换级（图3）．该系统将更小、更简单、组件更少，从而实现更高的功率密度和更低的成本。在双端口dc-dc变换器体系结构中，电力变换器之间需要的通信可以被取消。

结论

功率密度是衡量给定空间或区域能处理多少功率的指标，是现代电源的一个必要方面，因为效率是最重要的——功率密度和效率是紧密联系在一起的。功率密度使微型化能够促进新的应用和新的市场。经济优势还来自于更好的功率密度。

仍然，许多设计人员仍然无法清楚地理解功率密度，不应与能量密度混淆。

参考

电子战和雷达系统工程手册 - 电源密度 - 射频咖啡馆．

一种高功率密度动力传动一体化电动汽车充电器， Usama Anwar, hyejin Kim, Hua Chen, Robert Erickson, Dragan Maksimovic和Khurram K. Afridi。

用于DC微电池的电池应用的高功率密度双向三端口DC-DC转换器，Juyoung Sim，Junyoung Lee，Hyunjun Choi和Jee-Hoon Jung