【導(dǎo)讀】能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念興起于2010年前后，是指在傳統(tǒng)能源系統(tǒng)中增加互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合能源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)規(guī)模電力消耗預(yù)測，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行以節(jié)省能耗。而今，我們提起能源互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)遠(yuǎn)不止這么簡單。隨著近年來可再生能源、分布式儲能、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)的興起，能源互聯(lián)網(wǎng)將改變傳統(tǒng)能源系統(tǒng)格局，真正實(shí)現(xiàn)能源的雙向按需傳輸和動態(tài)平衡使用，并顯著提升可再生能源的占比和使用效能。
據(jù)埃森哲的預(yù)計，從2018年至2050年，全球能源互聯(lián)網(wǎng)累計總投資規(guī)模約38萬億美元，將釋放出巨大的市場價值。從十幾年前能源互聯(lián)網(wǎng)概念提出到現(xiàn)在，真正的可再生、分布式、開放式、智能化的能源網(wǎng)絡(luò)將會逐步趨于成熟，支撐起人類的可持續(xù)發(fā)展未來。
能源互聯(lián)網(wǎng)
承托起人類可持續(xù)發(fā)展的未來
傳統(tǒng)意義上，可以將電力網(wǎng)絡(luò)中的能源主體簡單地區(qū)分為“源”與“荷”兩大類，但現(xiàn)在隨著電動汽車、分布式儲能系統(tǒng)、微電網(wǎng)和虛擬電廠等新的電力主體的引入，整個電力網(wǎng)絡(luò)變得更為復(fù)雜。
發(fā)電側(cè)
可再生能源比例不斷提高，對于能源接入提出了更高的要求。分散在各地的可再生能源大規(guī)模集群，在能源產(chǎn)生上具有強(qiáng)波動性和隨機(jī)性，需要更高彈性的分布式電網(wǎng)來消除這些問題。
用電側(cè)
用戶現(xiàn)在也可以通過自有的光伏設(shè)備、電動汽車等反向輸電給中央電網(wǎng)，這就導(dǎo)致了用電側(cè)的不確定性增加?？偟膩砜?，當(dāng)前輸配電系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣化、分散化和差異化的特點(diǎn)，導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)的調(diào)度工作難度倍增。
接下來，發(fā)電側(cè)可再生能源比例還會繼續(xù)提升，用電側(cè)以直接用電來取代傳統(tǒng)化石能源的趨勢也會加速推進(jìn)，可想而知電力系統(tǒng)的整體架構(gòu)必將迎來新的變化，以適應(yīng)日益復(fù)雜的統(tǒng)一調(diào)度要求。未來電力系統(tǒng)還要和包括冷、熱、電在內(nèi)的多能源系統(tǒng)耦合在一起，這勢必會讓整個能源互聯(lián)網(wǎng)變得更加復(fù)雜。
圖1：傳統(tǒng)和新型能源系統(tǒng)對比
（圖源：Energy Atlas）
清華大學(xué)能源互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新研究院副院長陳啟鑫在今年年初召開的“2022國家能源互聯(lián)網(wǎng)大會”上曾分享，電力系統(tǒng)將會在多能源系統(tǒng)中扮演核心角色，為了應(yīng)對一系列的挑戰(zhàn)，電力系統(tǒng)要從以電力平衡為核心的傳統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制，轉(zhuǎn)變到以靈活性資源和需求平衡為核心的彈性運(yùn)行機(jī)制。
而在“彈性運(yùn)行”這一看似簡單的要求背后，需要來自發(fā)電側(cè)、儲能側(cè)和用電側(cè)的底層半導(dǎo)體技術(shù)不斷創(chuàng)新。器件層面上的性能提升、能量密度提高、功耗降低帶來了設(shè)備上的降本增效，最終賦能到能源互聯(lián)網(wǎng)的高效彈性運(yùn)行，才能撐托起可持續(xù)發(fā)展的未來。
感知技術(shù)
奠定能源互聯(lián)網(wǎng)的智能基礎(chǔ)
那么在能源互聯(lián)網(wǎng)中，有哪些芯片層面的底層關(guān)鍵技術(shù)？我們或可將其大致劃分為感知、計算、連接和功率轉(zhuǎn)換幾大類。
#1 感知層面是奠定能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，只有精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)捕捉，才能為后續(xù)的計算環(huán)節(jié)提供有價值的數(shù)據(jù)輸入。沒有精準(zhǔn)的感知，能源互聯(lián)網(wǎng)的智能化也就無從談起。
#2 計算層面則需要對感知層面捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行高效分析和處理，根據(jù)不同設(shè)備的不同算力需求，可以選擇MCU、MPU、SoC、CPU等不同類型。
#3 在連接層面，需要結(jié)合不同場景靈活選擇多種不同的通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的互操作性，例如電力載波通信、低功耗廣域通信、Wi-Fi、以太網(wǎng)通信等。
#4 而在功率轉(zhuǎn)換層面，逆變器的應(yīng)用非常廣泛，其中也涉及到了SiC、GaN和IGBT等功率器件，以及各種不同電路拓?fù)?。此外，由于涉及到了云端存儲和計算，還需要高性能存儲芯片和AI加速芯片的參與。
圖2：智能電網(wǎng)中各種典型應(yīng)用
（圖源：LEM）
要實(shí)現(xiàn)靈活高效的智能能源網(wǎng)絡(luò)，需要將感知、計算、連接和功率轉(zhuǎn)換等技術(shù)結(jié)合起來，而這其中，又以感知技術(shù)最為基礎(chǔ)。
對于新型電力系統(tǒng)而言，電壓、電流、電能質(zhì)量、溫度、電池內(nèi)阻等參數(shù)的測量尤為關(guān)鍵，通過對這些參數(shù)的測量，可以計算出整個電力系統(tǒng)不同區(qū)域的能源產(chǎn)生和消耗的具體情況。這些參數(shù)的測量看似十分基礎(chǔ)，但由于應(yīng)用場景的特點(diǎn)，因此對于芯片的要求極高。
在精準(zhǔn)感知能力的基礎(chǔ)上，還要實(shí)現(xiàn)盡量低的功耗水平，同時還要應(yīng)對來自電網(wǎng)的EMI挑戰(zhàn)，確保其能夠滿足工業(yè)環(huán)境中的高可靠性要求。
以AFE（模擬前端）為例，這類產(chǎn)品在智能電力系統(tǒng)中用途十分廣泛，它既可以和光電二極管組成煙霧傳感器，也可以通過與ADC、DSP等集成實(shí)現(xiàn)計量功能，是構(gòu)成多功能電表、電能質(zhì)量表和PLC數(shù)據(jù)集中器等設(shè)備的核心芯片。
此外對于電流的檢測通常需要使用電流感應(yīng)放大器，這種器件的工作原理較為簡單，就是基于歐姆定律來測算采樣元件（一般是分流電阻）兩端的電壓獲得電流參數(shù)。但在電網(wǎng)中電流感應(yīng)放大器需要解決溫度漂移、大電流、輸出噪聲高等一系列挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)更快的采樣速度和更高的采樣精度。
而像溫濕度傳感器、加速度傳感器、流量傳感器等多種環(huán)境感知類傳感器在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要性也自然不必多說。
數(shù)據(jù)顯示，我國2022年智能電網(wǎng)傳感器的市場規(guī)模達(dá)到了7.11億元人民幣，全球智能電網(wǎng)傳感器市場規(guī)模達(dá)到了25.98億元。而據(jù)貝哲斯咨詢預(yù)測，到2028年，全球智能電網(wǎng)傳感器市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)42.43億元，另來自KBV Research的預(yù)測表示，到2028年全球智能電網(wǎng)的傳感器市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到約9億美元，年復(fù)合增長率將達(dá)到15.8%。
圖3：智能電網(wǎng)傳感器市場預(yù)估
（圖源：KBV Research）
什么樣的芯片能夠滿足
智慧能源互聯(lián)網(wǎng)感知需求？
既然感知技術(shù)是奠定能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，那么到底什么樣的感知芯片才能滿足其應(yīng)用需求？在此我們分別從AFE、電流感應(yīng)放大器和溫度傳感器三個熱門分類中，各自挑選一款芯片來推薦給大家。
AFE器件
在AFE的器件選型上，來自Microchip的MCP3914是不錯的選擇。這是一款八通道的計量ADC芯片。該器件的亮點(diǎn)在于通過內(nèi)置8個同步采樣ADC和8個PGA，實(shí)現(xiàn)了單一芯片的多通道數(shù)據(jù)監(jiān)控，能夠幫助客戶顯著降低產(chǎn)品成本和縮小設(shè)計尺寸。
此外，高達(dá)125ksps的可編程數(shù)據(jù)速率及多種低功耗模式使得設(shè)計人員可以顯著降低方案功耗，或使用更高的數(shù)據(jù)速率來進(jìn)行諸如計算諧波分量等高級信號分析。同時，MCP3914還具有CRC-16校驗(yàn)和寄存器映射鎖存功能，大大提高了產(chǎn)品的穩(wěn)健性。
圖4：MCP3014的多相級連電表應(yīng)用框圖
（圖源：Microchip）
MCP3914在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的具體產(chǎn)品料號為“MCP3914A1T-E/MV”，該型號具有拓展的溫度范圍，更適合嚴(yán)苛工業(yè)中應(yīng)用。可以在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上直接搜索該料號獲取更多信息。
電流感應(yīng)放大器
關(guān)于電流感應(yīng)放大器，可以選擇來自TI的INAx290/INAx290-Q1系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品的特點(diǎn)在于極小的占板面積、超精密的檢測精度和極低的功耗表現(xiàn)。
INAx290/INAx290-Q1能夠在2.7V至120V寬共模范圍內(nèi)測量分流電阻器上的壓降。該系列器件具有±12μV超低失調(diào)電壓、±0.1%小增益誤差以及160dB高直流CMRR，因此可實(shí)現(xiàn)超高精度的電流測量。同時該器件的SC-70封裝占板面積僅2.0mm×2.1mm，可采用2.7V至20V單電源供電，電源電流消耗僅為370μA（典型值）。
此外，INAx290/INAx290-Q1不僅設(shè)計用于直流電流測量，還可用于帶寬高達(dá)1MHz和85dB AC CMRR的高速應(yīng)用（例如快速過流保護(hù)等）。
圖5：INAx290典型應(yīng)用框圖
（圖源：TI）
這款芯片在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的具體產(chǎn)品料號為“INA290A5QDCKRQ1”，該型號能夠滿足車規(guī)級AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)可以通過貿(mào)澤電子官網(wǎng)查詢獲得更多信息。
溫度傳感器
而針對溫度傳感器，不妨看看同樣是來自TI的TMP114數(shù)字溫度傳感器。這是一款高精度且與I2C兼容的數(shù)字溫度傳感器，采用了0.15mm超薄4引腳封裝。
TMP114的精度達(dá)±0.3°C，片內(nèi)集成了一個16位ADC，可提供0.0078°C的溫度分辨率。為了盡可能延長電池續(xù)航時間，TMP114設(shè)計為可在1.08V至1.98V的電源電壓范圍內(nèi)運(yùn)行，平均電源電流低至不到0.7μA。
TMP114在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的具體料號為“TMP114CIYMTR”，可以直接進(jìn)入貿(mào)澤電子官網(wǎng)進(jìn)行搜索，獲取這款器件的更多詳情介紹。
圖6：TMP114數(shù)字溫度傳感器框圖
（圖源：TI）
結(jié)語
能源互聯(lián)網(wǎng)將會承托起人類低碳可持續(xù)發(fā)展的未來。雖然現(xiàn)在各國的架構(gòu)路線有所差異，但最終目標(biāo)是一致的。而在能源互聯(lián)網(wǎng)的落地過程中，不論采用何種路線，感知技術(shù)都將在其中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。
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