【導讀】能源互聯(lián)網(wǎng)這一概念興起于2010年前后，是指在傳統能源系統中增加互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，整合能源數據，實(shí)現規模電力消耗預測，優(yōu)化電網(wǎng)運行以節省能耗。而今，我們提起能源互聯(lián)網(wǎng)，已經(jīng)遠不止這么簡(jiǎn)單。隨著(zhù)近年來(lái)可再生能源、分布式儲能、人工智能、區塊鏈等技術(shù)的興起，能源互聯(lián)網(wǎng)將改變傳統能源系統格局，真正實(shí)現能源的雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用，并顯著(zhù)提升可再生能源的占比和使用效能。
據埃森哲的預計，從2018年至2050年，全球能源互聯(lián)網(wǎng)累計總投資規模約38萬(wàn)億美元，將釋放出巨大的市場(chǎng)價(jià)值。從十幾年前能源互聯(lián)網(wǎng)概念提出到現在，真正的可再生、分布式、開(kāi)放式、智能化的能源網(wǎng)絡(luò )將會(huì )逐步趨于成熟，支撐起人類(lèi)的可持續發(fā)展未來(lái)。
能源互聯(lián)網(wǎng)
承托起人類(lèi)可持續發(fā)展的未來(lái)
傳統意義上，可以將電力網(wǎng)絡(luò )中的能源主體簡(jiǎn)單地區分為“源”與“荷”兩大類(lèi)，但現在隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)、分布式儲能系統、微電網(wǎng)和虛擬電廠(chǎng)等新的電力主體的引入，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò )變得更為復雜。
發(fā)電側
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模集群，在能源產(chǎn)生上具有強波動(dòng)性和隨機性，需要更高彈性的分布式電網(wǎng)來(lái)消除這些問(wèn)題。
用電側
用戶(hù)現在也可以通過(guò)自有的光伏設備、電動(dòng)汽車(chē)等反向輸電給中央電網(wǎng)，這就導致了用電側的不確定性增加?？偟膩?lái)看，當前輸配電系統呈現出多樣化、分散化和差異化的特點(diǎn)，導致整個(gè)電力系統的調度工作難度倍增。
接下來(lái)，發(fā)電側可再生能源比例還會(huì )繼續提升，用電側以直接用電來(lái)取代傳統化石能源的趨勢也會(huì )加速推進(jìn)，可想而知電力系統的整體架構必將迎來(lái)新的變化，以適應日益復雜的統一調度要求。未來(lái)電力系統還要和包括冷、熱、電在內的多能源系統耦合在一起，這勢必會(huì )讓整個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)變得更加復雜。
圖1：傳統和新型能源系統對比
（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(cháng)陳啟鑫在今年年初召開(kāi)的“2022國家能源互聯(lián)網(wǎng)大會(huì )”上曾分享，電力系統將會(huì )在多能源系統中扮演核心角色，為了應對一系列的挑戰，電力系統要從以電力平衡為核心的傳統運行機制，轉變到以靈活性資源和需求平衡為核心的彈性運行機制。
而在“彈性運行”這一看似簡(jiǎn)單的要求背后，需要來(lái)自發(fā)電側、儲能側和用電側的底層半導體技術(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(lái)了設備上的降本增效，最終賦能到能源互聯(lián)網(wǎng)的高效彈性運行，才能撐托起可持續發(fā)展的未來(lái)。
感知技術(shù)
奠定能源互聯(lián)網(wǎng)的智能基礎
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、連接和功率轉換幾大類(lèi)。
#1 感知層面是奠定能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎，只有精準的數據捕捉，才能為后續的計算環(huán)節提供有價(jià)值的數據輸入。沒(méi)有精準的感知，能源互聯(lián)網(wǎng)的智能化也就無(wú)從談起。
#2 計算層面則需要對感知層面捕獲的數據進(jìn)行高效分析和處理，根據不同設備的不同算力需求，可以選擇MCU、MPU、SoC、CPU等不同類(lèi)型。
#3 在連接層面，需要結合不同場(chǎng)景靈活選擇多種不同的通信技術(shù)，從而實(shí)現智能電網(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 而在功率轉換層面，逆變器的應用非常廣泛，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撲。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)中各種典型應用
（圖源：LEM）
要實(shí)現靈活高效的智能能源網(wǎng)絡(luò )，需要將感知、計算、連接和功率轉換等技術(shù)結合起來(lái)，而這其中，又以感知技術(shù)最為基礎。
對于新型電力系統而言，電壓、電流、電能質(zhì)量、溫度、電池內阻等參數的測量尤為關(guān)鍵，通過(guò)對這些參數的測量，可以計算出整個(gè)電力系統不同區域的能源產(chǎn)生和消耗的具體情況。這些參數的測量看似十分基礎，但由于應用場(chǎng)景的特點(diǎn)，因此對于芯片的要求極高。
在精準感知能力的基礎上，還要實(shí)現盡量低的功耗水平，同時(shí)還要應對來(lái)自電網(wǎng)的EMI挑戰，確保其能夠滿(mǎn)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(lèi)產(chǎn)品在智能電力系統中用途十分廣泛，它既可以和光電二極管組成煙霧傳感器，也可以通過(guò)與ADC、DSP等集成實(shí)現計量功能，是構成多功能電表、電能質(zhì)量表和PLC數據集中器等設備的核心芯片。
此外對于電流的檢測通常需要使用電流感應放大器，這種器件的工作原理較為簡(jiǎn)單，就是基于歐姆定律來(lái)測算采樣元件（一般是分流電阻）兩端的電壓獲得電流參數。但在電網(wǎng)中電流感應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，實(shí)現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(lèi)傳感器在能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要性也自然不必多說(shuō)。
數據顯示，我國2022年智能電網(wǎng)傳感器的市場(chǎng)規模達到了7.11億元人民幣，全球智能電網(wǎng)傳感器市場(chǎng)規模達到了25.98億元。而據貝哲斯咨詢(xún)預測，到2028年，全球智能電網(wǎng)傳感器市場(chǎng)規模預計將達42.43億元，另來(lái)自KBV Research的預測表示，到2028年全球智能電網(wǎng)的傳感器市場(chǎng)規模預計將達到約9億美元，年復合增長(cháng)率將達到15.8%。
圖3：智能電網(wǎng)傳感器市場(chǎng)預估
（圖源：KBV Research）
什么樣的芯片能夠滿(mǎn)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，那么到底什么樣的感知芯片才能滿(mǎn)足其應用需求？在此我們分別從AFE、電流感應放大器和溫度傳感器三個(gè)熱門(mén)分類(lèi)中，各自挑選一款芯片來(lái)推薦給大家。
AFE器件
在A(yíng)FE的器件選型上，來(lái)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(guò)內置8個(gè)同步采樣ADC和8個(gè)PGA，實(shí)現了單一芯片的多通道數據監控，能夠幫助客戶(hù)顯著(zhù)降低產(chǎn)品成本和縮小設計尺寸。
此外，高達125ksps的可編程數據速率及多種低功耗模式使得設計人員可以顯著(zhù)降低方案功耗，或使用更高的數據速率來(lái)進(jìn)行諸如計算諧波分量等高級信號分析。同時(shí)，MCP3914還具有CRC-16校驗和寄存器映射鎖存功能，大大提高了產(chǎn)品的穩健性。
圖4：MCP3014的多相級連電表應用框圖
（圖源：Microchip）
MCP3914在貿澤電子官網(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，更適合嚴苛工業(yè)中應用?？梢栽谫Q澤電子官網(wǎng)上直接搜索該料號獲取更多信息。
電流感應放大器
關(guān)于電流感應放大器，可以選擇來(lái)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。
INAx290/INAx290-Q1能夠在2.7V至120V寬共模范圍內測量分流電阻器上的壓降。該系列器件具有±12μV超低失調電壓、±0.1%小增益誤差以及160dB高直流CMRR，因此可實(shí)現超高精度的電流測量。同時(shí)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不僅設計用于直流電流測量，還可用于帶寬高達1MHz和85dB AC CMRR的高速應用（例如快速過(guò)流保護等）。
圖5：INAx290典型應用框圖
（圖源：TI）
這款芯片在貿澤電子官網(wǎng)上的具體產(chǎn)品料號為“INA290A5QDCKRQ1”，該型號能夠滿(mǎn)足車(chē)規級AEC-Q100標準可以通過(guò)貿澤電子官網(wǎng)查詢(xún)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(lái)自TI的TMP114數字溫度傳感器。這是一款高精度且與I2C兼容的數字溫度傳感器，采用了0.15mm超薄4引腳封裝。
TMP114的精度達±0.3°C，片內集成了一個(gè)16位ADC，可提供0.0078°C的溫度分辨率。為了盡可能延長(cháng)電池續航時(shí)間，TMP114設計為可在1.08V至1.98V的電源電壓范圍內運行，平均電源電流低至不到0.7μA。
TMP114在貿澤電子官網(wǎng)上的具體料號為“TMP114CIYMTR”，可以直接進(jìn)入貿澤電子官網(wǎng)進(jìn)行搜索，獲取這款器件的更多詳情介紹。
圖6：TMP114數字溫度傳感器框圖
（圖源：TI）
結語(yǔ)
能源互聯(lián)網(wǎng)將會(huì )承托起人類(lèi)低碳可持續發(fā)展的未來(lái)。雖然現在各國的架構路線(xiàn)有所差異，但最終目標是一致的。而在能源互聯(lián)網(wǎng)的落地過(guò)程中，不論采用何種路線(xiàn)，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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