电源立项

superstar_gu

电源立项 [复制链接]

 

从项目角度出发，项目开发的第一步是需求分析。从产品的生命周期成本（life cycle cost，简称LCC）出发，立项与论证完备，成本控制有效节约大半份额。详见下图：
 

系统开发，会有多个团队协同进行，有很多角色参与，如：
需求团队——把客户的需要转换为系统需求，编写系统和子系统需求；
架构团队——创建高层级别系统架构，包含软硬件架构；
系统分析团队——性能、物理、可靠性、成本、设计…分析
集成与验证团队——制定验证流程，确保系统符合已定义的需求；
虽然我们电源工程师在开发过程中认为自己很重要，但是从系统角度看我们在整个产品生命周期占比不大。我们在开发过程要有上述思维，一方面驱动我们自己求上进，主动获取外边界的信息并据此需改设计使得产品符合要求；另一方面研发风险通过系统分解而降低，推动项目平稳开展。

 

开始今天的内容：电源立项
首先，从人类用电的历史说起。

电力之争：交流VS直流
19世纪末，爱迪生发明电灯，同时发明了直流电，他认为直流电才是最合适的供电系统。
同时期，另外一位知名的物理学家特斯拉，发明了更适合长距离输送的交流电和交流发电机。
喜欢研究这段历史的的坛友，可以看电影《电力之战》，回顾历史上的交流与直流之战。通过检索资料我们明白，交流在当时历史条件下由于变换与输送的显著优势被市场接纳，并沿用至今。但是，时至今日，“高压直流输电”受到前沿技术人员的追捧。在日常生活中，很多电子电气产品和家电是使用直流电的，比如：手机、笔记本电脑、电动汽车，等等。上述列举设备要么含有电池或者超级电容，用作电源；要么用作BUS电压，用来电源变换中间转换形式。
当今市场之争：直流变换VS交流变换
说起直流变换与交流变换，这里先撇开电力并网应用，这属于电气电力系统范畴。

当太阳能、风能等清洁能源也渐渐走进我们的生活，这些可再生能源在并网前，有的天生就是直流电比如光伏发电，其他的发电形式也普遍有先转换成直流电的过程，或者讲电能存储在蓄电池中。目前电动汽车的研发与应用，也要求我们熟悉并应用DC/DC变换。

本论坛坛友基本上是电力电子变换应用居多。我暂时无法拿出具体数据来说明直流变换或者交流变换，哪种变换代表未来趋势。我只能从市场或者研发项目角度来看，目前电力电子变换成为电源设计师重要职能。直流变换是我们的基本技能。
 

前面说了这么多，主要说明为什么选择DC/DC变换作为本次坛友交流课题。简而言之，基于市场前景和上手的角度，理由如下：
(1) 市场应用广，很多离线设备需要电池这个媒介，且电池容易获得；
(2) 常规Li电池电压4.2V，属于安全电压范围内；
(3) 电池充电过程，包含了恒流与恒压等过程，电池放电为逆变换，兼容了Buck和Boost拓扑， 适合去分析并学习；

项目开始前，需要具备基本的电源基础知识和锂电池特性基本认知。没有这方面的经验的坛友建议先看看《DL-T 5044-2019 电力工程直流系统设计技术规程》该规程主要讲蓄电池，但是对于我们理解电池的特性有所帮助。
建议有兴趣的坛友发表自己的建议并分享电路，尤其是有电池储能、电动汽车的坛友。
Li电池及其特性
我们首先翻看化学元素周期表，Li位于元素周期表的第一列第二行，Li原子最外层1个电子是自由电子，它的相对原子质量却仅仅只有7。换句话说，在相同的质量密度条件下，锂原子所带的电能是最多的。Li标准环境下（25摄氏度，一个标准大气压下）为固体，属于特别活跃金属元素，非常容易释放电子。基于这些条件，推动了锂应用到电池储能。
 

Li电池基本概念大家可以参考百度百科的介绍
https://baike.baidu.com/item/%E9%94%82%E7%94%B5%E6%B1%A0

 

 
锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
充电正极上发生的反应为
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(电子)
充电负极上发生的反应为
6C+xLi++xe- = LixC6
 
锂电池是可充电电池，一般的锂电池充满电是4.2V也有其它电压的电池。锂电池容量是xxxmAh ，比如1000mAh ，即1000mA的供电电流可以用1小时。500mA供电能用2小时。
 

锂电池的等效电路模型
一般电池的简化模型为：V_output=E_0-I×R_T
其中，E_0为开路电压，R_T为电池内部电阻，I为放电电流。
下图为为锂电池的放电电流波形，电池的内阻随着电池的放电电流增大而增大，电池电压达到放电截止电压所需要的时间也相应的减少，故放出的容量也减少。
 

一般地，锂电池充电的四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止。
涓流充电——涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)。
恒流充电——当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V。
恒压充电—— 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。(C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA。)
充电终止。
有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流小于0.02C时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程。

 

本期思考题，请回帖回复：

本次活动，开发双向DC/DC电路，负载为Li电池，大家会提那些需求？希望大家提出自己的技术指标。
 

bqgup

系列好贴，顶起

不亦心

建议换负载，锂电池不安全，不适合新手把玩，也不适合家中存放，把玩完后没有实际使用，丢弃也污染环境。

dianhang

1.要防止锂电池的过充、过放、短路。

2.对充电过程的电压电流进行检测，电压电流值有没有符合涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止这这个四个充电过程对应的指标。

呜呼哀哉

关注一下，看看 大家 怎么做 的，学习学习。

hk386

对锂电池的开发的指标

1.容量问题，需要多大容量或者多大电压的锂电池

2.充放电路的设计

3.安全问题

4.可能是要加一个在关机状态下，锂电池功耗问题也需要思考一下

15913225203

要考虑电池的能量情况，做完好电压电流实的监控，并且要有提示信息和报警信息

1nnocent

没有做过锂电池相关的东西，锂电池好像挺危险的吧，如果这个要用到锂电池的话，这应该是第一次

 

一个小白5

锂电池的作用就是储能作用，在实际的操作中如果电池的电压不高，是否可以考虑使用外部稳压源来替代锂电池，这样安全性也就更高了

damiaa

不错。谢谢分享。双向DC/DC变换！

luck_gfb

楼主功课很用心啊！学到了很多知识，锂电池充电几个阶段内充电电流该如何确定？恒压充电时最高电压怎么确定？如果是多节电池串联呢？再冲电时电压电流应该怎么设定？如何实现？

cjjh2014

请问：

1.涓流充电过程的控制方法及典型的控制电路？典型的控制电路能否具体分析下？

2.为什么单节锂电池的电压设定在3.0-4.2V？是由什么决定其电压的？

3.是什么因素决定了锂电池充电的四个阶段：涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止？这四个阶段中的恒流充电与恒压充电的顺序是否可以互换下顺序？

4.在我们日常生活里的电源主要还是以AC-DC变换器用得多，但在工业设备上则是DC-DC变换器用得多，虽然很多人说AC-DC实际上也和DC-DC一样的，但本人觉得有很多不一样，最起码MOS管的开关频率会差很大，这个还想大家指导下，是什么重要的原因导致开关频率会差别？

sylar^z

锂电池充电的涓流充电、恒流充电、恒压充电、充电终止是必需要。

另外可以考虑快充模式吗？比如5V4A，或则提高电压9V/12V等

zb6157

基本指标：输出电压，最大输出电流，工作模式判定与切换，保护模式，双向效率