【導讀】能源互聯網這一概念興起於2010年(nian)前(qian)後(hou)，是(shi)指(zhi)在(zai)傳(chuan)統(tong)能(neng)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)增(zeng)加(jia)互(hu)聯(lian)網(wang)技(ji)術(shu)，整(zheng)合(he)能(neng)源(yuan)數(shu)據(ju)
，實(shi)現(xian)規(gui)模(mo)電(dian)力(li)消(xiao)耗(hao)預(yu)測(ce)，優(you)化(hua)電(dian)網(wang)運(yun)行(xing)以(yi)節(jie)省(sheng)能(neng)耗(hao)。而(er)今(jin)，我(wo)們(men)提(ti)起(qi)能(neng)源(yuan)互(hu)聯(lian)網(wang)，已(yi)經(jing)遠(yuan)不(bu)止(zhi)這(zhe)麼(me)簡(jian)單(dan)。隨(sui)著(zhe)近(jin)年(nian)來(lai)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)、分布式儲能、人工智能、qukuailiandengjishudexingqi，nengyuanhulianwangjianggaibianchuantongnengyuanxitonggeju，zhenzhengshixiannengyuandeshuangxianganxuchuanshuhedongtaipinghengshiyong，bingxianzhutishengkezaishengnengyuandezhanbiheshiyongxiaoneng。

據埃森哲的預計
，從2018年至2050年
，全球能源互聯網累計總投資規模約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網概念提出到現在，真正的可再生、分布式
、開放式


、智能化的能源網絡將會逐步趨於成熟，支撐起人類的可持續發展未來。

能源互聯網

承托起人類可持續發展的未來

傳統意義上，可以將電力網絡中的能源主體簡單地區分為“源”與“荷”兩大類，但現在隨著電動汽車、分布式儲能係統、微電網和虛擬電廠等新的電力主體的引入，整個電力網絡變得更為複雜。

發電側

可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)比(bi)例(li)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，對(dui)於(yu)能(neng)源(yuan)接(jie)入(ru)提(ti)出(chu)了(le)更(geng)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。分(fen)散(san)在(zai)各(ge)地(di)的(de)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)大(da)規(gui)模(mo)集(ji)群(qun)
，在(zai)能(neng)源(yuan)產(chan)生(sheng)上(shang)具(ju)有(you)強(qiang)波(bo)動(dong)性(xing)和(he)隨(sui)機(ji)性(xing)，需(xu)要(yao)更(geng)高(gao)彈(dan)性(xing)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)電(dian)網(wang)來(lai)消(xiao)除(chu)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)。

用電側

用戶現在也可以通過自有的光伏設備
、電動汽車等反向輸電給中央電網，這就導致了用電側的不確定性增加。總的來看

，當前輸配電係統呈現出多樣化、分散化和差異化的特點，導致整個電力係統的調度工作難度倍增。

接jie下xia來lai，發fa電dian側ce可ke再zai生sheng能neng源yuan比bi例li還hai會hui繼ji續xu提ti升sheng，用yong電dian側ce以yi直zhi接jie用yong電dian來lai取qu代dai傳chuan統tong化hua石shi能neng源yuan的de趨qu勢shi也ye會hui加jia速su推tui進jin，可ke想xiang而er知zhi電dian力li係xi統tong的de整zheng體ti架jia構gou必bi將jiang迎ying來lai新xin的de變bian化hua，以yi適shi應ying日ri益yi複fu雜za的de統tong一yi調tiao度du要yao求qiu。未wei來lai電dian力li係xi統tong還hai要yao和he包bao括kuo冷leng、熱
、電在內的多能源係統耦合在一起，這勢必會讓整個能源互聯網變得更加複雜。

圖1：傳統和新型能源係統對比

（圖源：Energy Atlas）

清華大學能源互聯網創新研究院副院長陳啟鑫在今年年初召開的“2022國家能源互聯網大會”上shang曾zeng分fen享xiang，電dian力li係xi統tong將jiang會hui在zai多duo能neng源yuan係xi統tong中zhong扮ban演yan核he心xin角jiao色se

，為wei了le應ying對dui一yi係xi列lie的de挑tiao戰zhan
，電dian力li係xi統tong要yao從cong以yi電dian力li平ping衡heng為wei核he心xin的de傳chuan統tong運yun行xing機ji製zhi
，轉zhuan變bian到dao以yi靈ling活huo性xing資zi源yuan和he需xu求qiu平ping衡heng為wei核he心xin的de彈dan性xing運yun行xing機ji製zhi。

而在“彈性運行”這一看似簡單的要求背後

，需要來自發電側、儲能側和用電側的底層半導體技術不斷創新。器件層麵上的性能提升、能量密度提高、功耗降低帶來了設備上的降本增效
，最終賦能到能源互聯網的高效彈性運行，才能撐托起可持續發展的未來。

感知技術

奠定能源互聯網的智能基礎

那麼在能源互聯網中，有哪些芯片層麵的底層關鍵技術？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。

#1 感gan知zhi層ceng麵mian是shi奠dian定ding能neng源yuan互hu聯lian網wang的de基ji礎chu
，隻zhi有you精jing準zhun的de數shu據ju捕bu捉zhuo，才cai能neng為wei後hou續xu的de計ji算suan環huan節jie提ti供gong有you價jia值zhi的de數shu據ju輸shu入ru。沒mei有you精jing準zhun的de感gan知zhi，能neng源yuan互hu聯lian網wang的de智zhi能neng化hua也ye就jiu無wu從cong談tan起qi。

#2 計算層麵則需要對感知層麵捕獲的數據進行高效分析和處理
，根據不同設備的不同算力需求，可以選擇MCU、MPU
、SoC、CPU等不同類型。

#3 在連接層麵，需要結合不同場景靈活選擇多種不同的通信技術，從而實現智能電網的互操作性
，例如電力載波通信、低功耗廣域通信、Wi-Fi、以太網通信等。

#4 而在功率轉換層麵，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，由於涉及到了雲端存儲和計算
，還需要高性能存儲芯片和AI加速芯片的參與。

圖2：智能電網中各種典型應用

（圖源：LEM）

要實現靈活高效的智能能源網絡，需要將感知、計算、連接和功率轉換等技術結合起來
，而這其中
，又以感知技術最為基礎。

對於新型電力係統而言，電壓、電流
、電能質量、溫度、電dian池chi內nei阻zu等deng參can數shu的de測ce量liang尤you為wei關guan鍵jian，通tong過guo對dui這zhe些xie參can數shu的de測ce量liang，可ke以yi計ji算suan出chu整zheng個ge電dian力li係xi統tong不bu同tong區qu域yu的de能neng源yuan產chan生sheng和he消xiao耗hao的de具ju體ti情qing況kuang。這zhe些xie參can數shu的de測ce量liang看kan似si十shi分fen基ji礎chu，但dan由you於yu應ying用yong場chang景jing的de特te點dian
，因yin此ci對dui於yu芯xin片pian的de要yao求qiu極ji高gao。

在精準感知能力的基礎上，還要實現盡量低的功耗水平，同時還要應對來自電網的EMI挑戰
，確保其能夠滿足工業環境中的高可靠性要求。

以AFE（模擬前端）為例
，這類產品在智能電力係統中用途十分廣泛，它既可以和光電二極管組成煙霧傳感器，也可以通過與ADC、DSP等集成實現計量功能，是構成多功能電表
、電能質量表和PLC數據集中器等設備的核心芯片。

此外對於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單，就是基於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。但在電網中電流感應放大器需要解決溫度漂移

、大電流
、輸出噪聲高等一係列挑戰，實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境感知類傳感器在能源互聯網中的重要性也自然不必多說。

數據顯示，我國2022年智能電網傳感器的市場規模達到了7.11億元人民幣，全球智能電網傳感器市場規模達到了25.98億元。而據貝哲斯谘詢預測，到2028年
，全球智能電網傳感器市場規模預計將達42.43億元，另來自KBV Research的預測表示，到2028年全球智能電網的傳感器市場規模預計將達到約9億美元
，年複合增長率將達到15.8%。

圖3：智能電網傳感器市場預估

（圖源：KBV Research）

什麼樣的芯片能夠滿足

智慧能源互聯網感知需求？

既然感知技術是奠定能源互聯網的基礎，那麼到底什麼樣的感知芯片才能滿足其應用需求？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。該器件的亮點在於通過內置8個同步采樣ADC和8個PGA，實現了單一芯片的多通道數據監控，能夠幫助客戶顯著降低產品成本和縮小設計尺寸。

此外，高達125ksps的(de)可(ke)編(bian)程(cheng)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)及(ji)多(duo)種(zhong)低(di)功(gong)耗(hao)模(mo)式(shi)使(shi)得(de)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)可(ke)以(yi)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)方(fang)案(an)功(gong)耗(hao)，或(huo)使(shi)用(yong)更(geng)高(gao)的(de)數(shu)據(ju)速(su)率(lv)來(lai)進(jin)行(xing)諸(zhu)如(ru)計(ji)算(suan)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)等(deng)高(gao)級(ji)信(xin)號(hao)分(fen)析(xi)。同(tong)時(shi)，MCP3914還具有CRC-16校驗和寄存器映射鎖存功能，大大提高了產品的穩健性。

圖4：MCP3014的多相級連電表應用框圖

（圖源：Microchip）

MCP3914在貿澤電子官網上的具體產品料號為“MCP3914A1T-E/MV”，該型號具有拓展的溫度範圍，更適合嚴苛工業中應用。可以在貿澤電子官網上直接搜索該料號獲取更多信息。

電流感應放大器

關於電流感應放大器，可以選擇來自TI的INAx290/INAx290-Q1係列產品。該產品的特點在於極小的占板麵積
、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寬共模範圍內測量分流電阻器上的壓降。該係列器件具有±12µV超低失調電壓
、±0.1%小增益誤差以及160dB高直流CMRR，因此可實現超高精度的電流測量。同時該器件的SC-70封裝占板麵積僅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不僅設計用於直流電流測量，還可用於帶寬高達1MHz和85dB AC CMRR的高速應用（例如快速過流保護等）。

圖5：INAx290典型應用框圖

（圖源：TI）

這款芯片在貿澤電子官網上的具體產品料號為“INA290A5QDCKRQ1”，該型號能夠滿足車規級AEC-Q100標準可以通過貿澤電子官網查詢獲得更多信息。

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航時間
，TMP114設計為可在1.08V至1.98V的電源電壓範圍內運行，平均電源電流低至不到0.7μA。

TMP114在貿澤電子官網上的具體料號為“TMP114CIYMTR”，可以直接進入貿澤電子官網進行搜索，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

能neng源yuan互hu聯lian網wang將jiang會hui承cheng托tuo起qi人ren類lei低di碳tan可ke持chi續xu發fa展zhan的de未wei來lai。雖sui然ran現xian在zai各ge國guo的de架jia構gou路lu線xian有you所suo差cha異yi，但dan最zui終zhong目mu標biao是shi一yi致zhi的de。而er在zai能neng源yuan互hu聯lian網wang的de落luo地di過guo程cheng中zhong，不bu論lun采cai用yong何he種zhong路lu線xian，感gan知zhi技ji術shu都dou將jiang在zai其qi中zhong發fa揮hui至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong。

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