技术参考

能量从何而来

能量由放电谐振工况的耦合电磁场传递至 VENDOR.Max 的输出系综。该场的电场分量对取能回路自身的载流子做功,在其端口上产生可测量的电动势与能量流。

功率 = 电荷流 × 每库仑能量值

页面主题

电能被传递到 VENDOR.Max 输出回路的直接物理机制。

页面阅读规则

“能量从何而来?”这一问题包含两个层级。在工作工况层级,VENDOR.Max 给出直接回答:电池启动工况;启动完成后,内部工况反馈支路维持通过 Frame 1 端口的正向输入功率流;放电谐振变换与耦合场在取能回路中形成具有确定每库仑能量值的新电荷流;在已建立的直流端口上,两者的乘积表现为功率,并在维持下一工作周期与用户侧输出之间进行分配。Frame 0 汇总整机与环境的总体交换,并不替代上述物理机制的说明。能量向输出系综传递的机制与整机最终的能量归属是两个不同的物理问题:前者在工作工况层级上确立,后者只能通过 Frame 0 的完整测量确定,且不能由内部回路的拓扑推导得出。

页面涵盖

载流子的初始状态;每库仑的能量值;电场分量对载流子所做的功;电气隔离的载流子系综之间的能量传递;工作核心与外部边界的划分;接入负载时用户电荷回路的闭合;产品边界与耦合工作拓扑边界之间的区别;不构成能量来源的事项清单。

页面确立

从电荷域描述过渡到已建立电学端口上的能量域量值的原则;局部变换系数分解为电荷流变化与每库仑能量值变化的示意性拆解;已形成功率流在维持工作工况与用户侧输出之间的分配;接入的负载成为耦合拓扑的一个新回路,其阻抗成为工况的内部边界条件,而不通过 Frame 0 形成持续的外部能量输入。

页面不确立

分阶段的传递路径;受保护的内部拓扑;工作核心的定量平衡;电荷流、电压与系数的真实工作数值;整机最终的能量归属;认证参数。

01

简短回答

VENDOR.Max 是一种运行于受控放电谐振工况的非线性电动力学装置。按本项目的功能分类,耦合谐振工况的激励属于阿姆斯特朗型放电谐振激励;该归类仅描述激励级,并非对装置整体的分类。“阿姆斯特朗型”一词在此指激励级的一项拓扑特征——耦合回路之间的受控正反馈——并不意味着 VENDOR.Max 采用经典电子管装置的完整供电方案。

装置不产生电子,也不存在贯穿全部级段的连续载流子流。它组织多个电气隔离的载流子系综之间的电磁耦合。能量由电磁场经耦合区传递;电场分量组织接收侧载流子的运动并对其做功。由此产生的电动势确定定向电荷输运的每库仑能量值。整流与功率变换将交变交换转化为流向负载的受控能量流。

这与其他电气设备处于同一解释层级。

回答的两个层级:过程由什么维持,以及传递如何发生。
系统该过程在能量上由什么维持能量如何到达输出侧载流子
光伏组件被吸收光子的能量内建电场分离载流子并实现其抽取
机电式发电机驱动装置的机械功感应电场对绕组载流子做功
变压器经一次侧端口输入的能量耦合电磁场将能量传递给二次侧系综
VENDOR.Max经 Frame 1 端口输入、并在启动后由内部工况反馈支路维持的正向功率流放电谐振工况的耦合场将能量传递至取能回路;电场分量对其自身载流子做功

该表区分了工作工况的直接维持与能量向输出侧载流子的传递机制。就 VENDOR.Max 而言,经 Frame 1 端口的输入功率流直接供给激励节点;耦合场将能量传递给取能回路的载流子系综;整流之后,已形成的功率流在工况支路与用户支路之间分配。在整机层级上,反馈支路仍属内部转移,并非独立的外部来源。

电能到达工作输出端,是场传递与电场分量对载流子做功的结果——而不是产生了新电荷,不是来自频率本身,也不是来自对不可比读数的算术相乘。

电池启动工作工况,但其启动功率流并不依次贯穿整个装置直至用电端。启动完成后,内部工况反馈支路维持 Frame 1 的输入。放电谐振工况组织电荷环流,耦合电磁场的电场分量对取能回路自身的载流子做功,并确定其定向输运的每库仑能量值。在已建立的直流端口上,电荷描述被换算为功率:每秒库仑数乘以每库仑所对应的焦耳数。所得功率流的一部分维持下一个工作周期,其余可用部分送往用电端。

VENDOR.Max 首先改变电荷运动的组织形式、时序与每库仑能量值,随后在已建立的输出端口上将这些量汇合为可测量的功率。因此,不能把该架构理解为电池一次性提供的有限能量储备依次通过一连串效率环节。

02

能量并不存在于电子内部

载流子并非在启动时被送入装置。它们本就在那里。

导体、绕组、触点以及已接入的负载中原本就含有自由载流子。每立方毫米铜中都含有数量极其庞大的自由载流子。即使在宏观静止条件下,其载流子仍作无规则运动:平均速度为零,不向负载传递能量。

启动并不产生载流子。它建立起有组织的电磁场。在其电场分量作用下,载流子的平均速度获得一个微小的定向分量——漂移分量:电流出现,能量传递开始。

电荷不是燃料。电荷是相互作用的载体。能量由场传递,其电场分量对载流子做功。

蓄电池在常规技术中展示了同样的原理:放电时电子沿外电路运动,但能量是通过化学状态的改变释放的。电荷参与输运;来源是电化学系统内能的变化。用电设备并不消耗电子——它接收的是场通过载流子有组织运动所传递的能量。

03

每库仑的能量值

两套描述体系并行存在,彼此不能替代。

库仑
电荷量。
安培
C/s —— 单位时间的电荷输运量。
焦耳
能量量值。
伏特
J/C —— 单位电荷的能量值。
瓦特
J/s —— 单位时间的能量传递量。

两者之间的联系只存在于正确定义的电学端口上:

\[p(t) = u(t)\,i(t) = u(t)\,\frac{dQ}{dt}\] \[E = \int u(t)\,i(t)\,dt = \int u(t)\,dQ(t)\]

同样一库仑电荷在不同的单位电荷输运能量值下可对应截然不同的能量,两者甚至可相差数百倍。因此,“流过了多少电荷”与“传递了多少能量”并不是同一个问题。

角色划分是明确的:

  1. 电荷图确定哪些载流子在运动、属于哪个系综、通过哪个截面、朝哪个方向。
  2. 场图确定是什么对它们做功。
  3. 电压表示每库仑的能量值。
  4. 电流表示每秒输运多少库仑。
  5. 两者在确定端口上的同步组合给出能量流。

电荷核算不是能量核算,也不能替代能量核算。它建立的是测量基础,能量核算在此基础上才成为可能。

开放系统中有功功率的测量方式

电荷描述在何处转化为功率表述

电荷在物理上并不转化为能量,也不像燃料那样被消耗。发生的是另一件事:在每一级上被追踪的是电荷量、输运速率、方向、时间组织形式与每库仑能量值。一旦建立起正确的电学端口,两套描述体系便重新汇合:

\[P = \frac{dE}{dt} = U\,\frac{dQ}{dt} \qquad \mathrm{J/C} \times \mathrm{C/s} = \mathrm{J/s}\]

从物理上看,这一过渡确立于电磁取能阶段:耦合场对接收系综自身的载流子做功并产生电动势。从计量上看,整流之后,结果可以在已建立的直流端口上一致地读作功率——在该端口上,定向电荷流与每库仑能量值同时被定义。

过渡的两个时刻:能量在何处被物理传递,以及结果在何处成为可读的功率。
问题回答
能量的物理传递发生在何处?在电磁取能节点,场在此对接收系综自身的载流子做功
结果在何处成为可读的功率?在整流之后已建立的直流端口上:C/s × J/C = W
纯假设性算例。不构成 VENDOR.Max 的特性参数,也不是测量结果。
平面电荷流每库仑能量值功率
平面 1 —— 工作节点输入10 C/s10 J/C100 W
平面 2 —— 经变换、场传递与整流之后2.5 C/s100 J/C250 W
\(G = \dfrac{2.5}{10} \times \dfrac{100}{10} = 0.25 \times 10 = 2.5\)
(1)

左侧因子是电荷流之比,右侧因子是每库仑能量值之比。每秒库仑数降为四分之一,而每个库仑的能量值提高了十倍。电荷既未被创造也未被增殖:改变的是电荷流的组织形式,以及单位电荷定向输运所对应的场做功量。两者在输出端口上的共同结果,已经用瓦特来表示。

该算例的两个平面,是多端口架构中为描述局部变换而选定的确定工作平面。系数 \(G\) 表示在这两个平面之间,电荷流与每库仑能量值共同发生了怎样的变化。它不是效率:效率须依据单一控制体全部端口的完整平衡来定义,而 \(G\) 是两个预先确定的工作平面之间局部变换的特征量。

正因如此,局部系数不能与从启动电池到用电端的整机效率相混淆。启动源属于起始阶段;该系数连接的是稳态工况下两个确定的工作平面。在已建立的直流母线上,可用功率流的一部分返回 Frame 1 的输入并维持下一周期,其余部分在扣除内部需求与损耗后送往用户支路。

我们并不试图把某一个初始库仑或某一个启动焦耳贯穿整个装置。我们追踪的是电荷状态的变换以及各自载流子系综之间的场传递,并在已建立的端口上将结果重新表述为可测量的功率:C/s × J/C = W

04

场如何在隔离的系综之间传递能量

架构的关键事实:没有任何一个载流子走完装置的全部路径。

能量经电磁耦合区传递,而载流子不在电气隔离的各系综之间迁移。变化的场激发接收侧自身载流子系综的运动;激励侧的电子不会进入取能侧。

由此得出三条推论,在解读此类系统时它们常被忽视。

推论 01

两侧电流相等并不是定律。端口分属不同的系综。电荷平衡在每一侧分别闭合,并计入局部积累与位移电流。

推论 02

一个周期内的电荷净输运量为零,并不意味着能量传递为零。只要同一周期内的同步积分 \(\int u(t)\,i(t)\,dt\) 不为零,电流在该周期内的积分为零仍可与非零净能量传递并存。仅有振荡并不能保证净能量传递。

推论 03

对载流子直接做功的是电场分量,而不是导体。导体确定几何结构与边界条件;能量由电磁场传递。

在这一过渡处,场能被传递给取能回路载流子系综的电学自由度,并在其端口上成为可用能量。

05

工作核心边界所展示的内容

Frame 1 是工作核心的边界。它经激励回路的实际输入端口划出。

Frame 1 涵盖激励节点、耦合谐振节点、电磁取能回路、整流节点以及功率输出级,直至受调节的直流输出为止。直流主母线、维持工作工况的 BBMS 支路(Battery Boundary Management System)与反馈通路提供 Frame 1 的输入边界条件;在 Frame 0 层级上,它们位于整机完整边界之内。

在这一边界上存在一个实际的测量平面——激励回路的接线端子。在稳态工况下,经该平面向激励节点方向传递的是正向平均有功功率。该平面显示激励节点由什么直接供给,以及耦合场工况如何得以维持。

启动时序结束、工作工况建立之后,接线端子并未消失。改变的是该边界条件的提供方式:启动完成后,内部工况反馈支路承接外部启动源的职能。激励节点的物理输入依然存在;终止的只是它被归入外部环境的分类。

在稳态工况下,内部工况反馈支路维持通过 Frame 1 端口的正向输入功率流;与此同时,在负载已接入且用户侧输出已使能的条件下,工作核心受调节的输出功率流到达用电端并越过外部边界 Frame 0。

在主母线上形成的功率流发生分配:一部分覆盖下一工作周期的激励与内部需求,另一部分经功率输出级送往用电端。

对 Frame 1 而言,通过输入平面的功率流是经工作核心端口的输入流。它代表主母线上已形成功率流中被返回用于维持下一工作周期的那一部分。

而对 Frame 0 而言,它仍是整机的内部功率流,并不构成额外的能量输入:工况支路与主母线的相应功率流属于同一条内部回路。在汇总整机平衡时,同一内部功率流的两次账面计入相互抵消。禁止把该功率流同时计作母线的内部输出、Frame 1 的输入以及 Frame 0 的外部输入。

Frame 1 展示的是:哪种场传递能量、传递给哪个系综、在哪个端口到达输出回路。

在 Frame 0 层级上,同一条工况支路被计作内部转移;汇总时其内部账面项相互抵消,而用户侧输出越过外部边界
06

在外壳之外——但在工作拓扑之内

常见的线性示意图把电源画成一个盒子:能量必须从一侧进入、从另一侧流向用电端。正是这种图示几何造成了对持续外部能量输入的预期。

VENDOR.Max 并不是从输入到负载的线性传递链条。它是一个由耦合电荷回路构成的系统,其中每一个电气隔离的系综都拥有自身的载流子,而系综之间的相互作用由场承担。

在接入负载之前,内部工况电荷通路已经闭合:主母线的功率流在内部需求与工况反馈支路之间分配,后者把边界条件送回 Frame 1 的输入。用户端口此时已经存在,但用户电荷回路尚未闭合,也不存在经由负载的定向电荷流。

接入用电设备并不只是线性链条末端取用量的增加。工作拓扑本身发生了改变:输出导线、负载与回流导线闭合出另一条电荷回路

输出回路 → 输出导线 → 负载 → 回流导线 → 输出回路

  • 导电通路与电荷环流
  • 内部工况反馈
  • 场耦合
(a)反馈开启 · 负载断开

内部工况通路闭合 · 用户回路断开。

反馈开启,负载断开 在固定的 Frame 0 整机边界之内,模块 3 为闭合的激励回路,模块 5 为通过场耦合相连的两个耦合谐振回路,模块 12 为二极管整流桥,模块 13 为隔离输出级。工况反馈由模块 13 经 BBMS 返回模块 3。用户支路两次穿过整机边界,并在边界之外保持断开。 FRAME 0 · 整机边界 模块 3 激励回路 模块 5 耦合谐振系统 场耦合 模块 12 ~ → DC 二极管整流桥 模块 13 隔离输出 BBMS 内部工况反馈 用户回路 断开 启动后不设持续的外部功率输入端口
(b)反馈开启 · 负载接入

负载闭合了耦合拓扑的又一条回路。

反馈开启,负载接入 整机边界与内部配置保持不变。在边界之外,负载接在输出导线与回流导线之间,因此用户电荷回路通过两次穿越边界而闭合。电荷在该回路中环流,平均有功功率经用户端口向外传递,而负载阻抗则作为边界条件反作用于耦合系统,而非作为能量输入。 FRAME 0 · 整机边界 模块 3 激励回路 模块 5 耦合谐振系统 场耦合 模块 12 ~ → DC 二极管整流桥 模块 13 隔离输出 BBMS 内部工况反馈 负载 · Zload 新的闭合 电荷回路 边界条件——而非能量输入 启动后不设持续的外部功率输入端口
在外壳之外 ≠ 在工作拓扑之外。接入负载闭合了又一条耦合电荷回路;它并不形成外部功率输入端口。电荷回路的闭合本身并不构成能量上封闭系统的证明。

接入负载闭合了一条新的电荷回路,并改变了整个耦合系统的工作拓扑。那么,在其确定的工作平面之间,局部增量出现在何处?

正向增量在哪里:面向尽职调查的回答

该回路的载流子并非来自 VENDOR.Max,也不会在用电端被消耗。它们原本就存在于导体和负载之中。回路闭合之后,电场分量对这些载流子做功,并确定其定向输运的每库仑能量值。由此产生的电荷流大小,取决于整个闭合回路的状态,其中包括负载的阻抗。

新回路并不是外壳之外一个独立的附属物。负载阻抗成为输出回路的边界条件。通过一系列耦合的电磁过渡,其反作用传播到整个系统,并使系统进入一个新的自洽工作点。负载的需求是在这一扩展后的拓扑内部被满足的,而不是从外部输入其中。

负载并不是加在系统之后。接入之时,它就成为系统的又一条回路。

在此过程中 Frame 0 并不移动。用电设备在物理上仍处于外壳之外,向其输出的功率仍然是整机的输出。但外壳边界在两处穿过闭合的用户回路——输出导线与回流导线——因此它并不是电动力学拓扑的终点。

用户回路的电荷平衡是闭合的:经输出导线离开多少电荷,就经回流导线返回多少电荷。

\[\left|\frac{dQ_\text{out}}{dt}\right| = \left|\frac{dQ_\text{ret}}{dt}\right|\]

与此同时,经用户端口向外传递的是正的平均有功功率:

\[P_\text{customer,0} = \langle u_\text{port}(t)\,i_\text{port}(t)\rangle_{\Delta t} > 0\]

经过 Frame 0,输出导线与回流导线所载电荷流在数值上相等,因此电荷回路是闭合的。但这两条导线的电位并不相同:定向输运的能量值由它们之间的电压确定,因此二者的能量贡献并不相互抵消。

这两个陈述并不矛盾,因为它们分属两套不同的描述体系:前者属于回路的电荷核算,后者属于端口的能量核算。电荷返回,能量被交付给负载。电荷回路的闭合并不把输出变成能量输入,也不要求在外壳另一侧画出对称的输入箭头。

接入的用电设备并不通过 Frame 0 形成持续的外部功率输入。它形成的是一条新的闭合电荷回路,其需求成为耦合工作拓扑的内部条件。若假定存在另一条外部能量通道,就必须在物理上指明、定位并在 Frame 0 上加以测量——它不能由负载存在这一事实本身推导出来。

整机的外部边界并不是工作回路的外部边界。

用电设备位于外壳之外——但一旦接入,它就处于耦合拓扑之内
07

为什么外部边界回答的是另一个问题

Frame 0 确定的是整机与环境的总体交换——仅此而已。

这是另一个问题,而不是第一个问题的更深版本。这一点在熟知的系统上同样可以检验。

  • 若问能量如何到达光伏组件的输出侧载流子,物理学家的回答是:由被吸收的光子传递能量,并由内建电场分离载流子。若问什么在能量上支撑这一传递,回答则是穿过组件表面的太阳辐射流。两个不同的回答,都是正确的。
  • 若问能量如何到达变压器的二次侧,工程师的回答是感应场对二次侧系综做功。若问什么在能量上支撑这一传递,回答是经一次侧端口输入的功率流。

第一个问题属于工作核心的边界。第二个属于整机的边界。

Frame 1 揭示的是能量传递至输出系综的直接机制、电荷流的局部变换以及维持工况的内部路径。Frame 0 汇总整机与环境的总体交换。这两条边界共同给出同一架构的两种彼此一致的描述:工作层面的描述与系统层面的描述。

混淆这两条边界,是围绕此类架构产生表面矛盾的主要根源之一。工作核心的量值只属于该边界;外部边界的量值只属于外部边界。

每条边界各自的用途。
Frame 1Frame 0
工作核心的维持整机的汇总交换
经端口的真实输入功率流同一条工况支路——内部转移
工作平面之间的局部变换越过外壳的用户侧输出

整机完整边界如何被核验

08

什么不是能量来源

下列每一项都因其自身的理由被排除,而不是靠声明排除。

不是电荷。它是相互作用的载体,而非能量储备;它不像燃料那样被消耗。

不是电压。它表示每库仑的能量值,而非储备的存在:容量很小的储能元件即使处于数千伏,所含能量也可以很少。

不是场本身。场传递能量并对载流子做功——这是传递机制。至于场工况本身由什么维持,场并不作出说明:那是另一条边界的问题。

不是谐振本身。谐振形成的是内部环流与幅值的量级。较大的电荷环流表征的是内部运动的强度,而非有功功率。

不是频率。它规定事件重复的节奏,并把单个事件与平均过程联系起来——但并不决定每个事件在能量上由什么支撑。

不是反馈本身。反馈回路是一条传递路径,而不是能量储备。它重新分配已形成的功率流并维持 Frame 1 的输入;在整机层级上,它属于内部转移,汇总到 Frame 0 时其相应的内部账面项相互抵消。

不是缓冲元件。工况支路中的储能元件缓冲瞬态交换,但并不是能量来源:在足够长的稳态窗口上,其来源中性条件 \(\Delta E_{\text{battery}} \approx 0\) 可由直接测量确定。

不是放电事件本身。它压缩的是先前已建立的电荷分离的释放时间。脉冲瞬时功率的提高并不是事件能量的增加。

不是大气。本项目不把周围空气视为工作能量通道。

谐振环流与能量来源

09

VENDOR.Max 实际做的事

三项功能——其中没有任何一项是创造能量或电荷。

功能 01

组织场工况

脉冲激励形成具有高幅值场状态和稳定事件重复节奏的耦合谐振工况。

功能 02

确定每库仑的能量值

电磁耦合在取能回路中感生电动势,由此确定在该处输运的每个库仑所对应的焦耳数。

功能 03

把交变交换转化为定向功率流

整流将各个电荷包汇集到稳定的分离电荷储集区中;功率级将功率流调节为用户所需的形式。

整个架构由经典电动力学与常规电力电子学描述。受保护的结构方案涉及激励节点,并载于专利 ES2950176B2 (Granted) 的独立权利要求 1。

传递路径与各节点的功能耦合 专利族与司法辖区

10

公开披露的边界

本页面公开确立的内容,以及仍属受保护工程专有技术的内容。

本页面确立 VENDOR.Max 的公开物理模型:工作工况的启动;由工况支路维持 Frame 1 的输入;放电谐振工况对电荷运动的组织;电气隔离的载流子系综之间的场传递;输出端每库仑能量值的形成;在直流端口上把电荷描述的结果换算为功率;已形成功率流在维持工作工况与向用电端供能之间的分配;接入负载时用户电荷回路的闭合,以及负载阻抗作为耦合拓扑的内部边界条件。

假设性数值算例说明的是这一换算的算术关系,并不是 VENDOR.Max 的运行特性参数。内部系数、相位关系、控制参数以及各回路之间流动量的真实数值,属于受保护的工程专有技术(know-how)。独立核验所需的定量数据,将在受控条件下提供给授权实验室、认证机构与工业合作伙伴。

11

常见问题

对读者查阅本页面时最常提出的问题作简短回答。

启动后,启动电池是否为用电端供电?

不会。它仅用于启动工况;启动后,Frame 1 的输入由内部工况反馈支路维持。

电荷描述在哪一阶段成为功率?

物理能量传递发生在电磁取能阶段;在直流端口上,功率按 C/s × J/C 计算。

库仑会转化为能量吗?

不会。库仑表示被输运的电荷量;电压给出每库仑对应的焦耳数,将该数值与 C/s 相乘即可得到瓦特。

为什么不能从启动电池起计算整机效率?

因为启动与稳态工况分属不同阶段,而局部系数 \(G\) 连接的是两个工作平面,并不是整机的效率。

局部系数 G 表示什么?

表示在两个确定的工作平面之间,电荷流与每库仑能量值的共同变化。

所得功率如何既维持工作工况又供给用户?

在直流主母线上,已建立的功率流被分配:一部分返回 Frame 1 的输入,另一部分经功率级送往用户侧输出。

接入用电设备是否会形成外部能量输入?

不会。在用户侧输出已使能的条件下,接入负载会闭合另一条电荷回路,它在电气上延续输出系综。负载阻抗成为整个耦合拓扑的边界条件,而通过用户端口的平均有功功率流则由 VENDOR.Max 指向负载。