【導讀】能源互聯網這一概念興起于2010年前后，是指在傳統能源系統中增加互聯網技術，整合能源數據，實現規模電力消耗預測，優化電網運行以節省能耗。而今，我們提起能源互聯網，已經遠不止這么簡單。隨著近年來可再生能源、分布式儲能、人工智能、區塊鏈等技術的興起，能源互聯網將改變傳統能源系統格局，真正實現能源的雙向按需傳輸和動態平衡使用，并顯著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于成熟，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、分布式儲能系統、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復雜。
發電側
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，在能源產生上具有強波動性和隨機性，需要更高彈性的分布式電網來消除這些問題。
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，當前輸配電系統呈現出多樣化、分散化和差異化的特點，導致整個電力系統的調度工作難度倍增。
接下來，發電側可再生能源比例還會繼續提升，用電側以直接用電來取代傳統化石能源的趨勢也會加速推進，可想而知電力系統的整體架構必將迎來新的變化，以適應日益復雜的統一調度要求。未來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，這勢必會讓整個能源互聯網變得更加復雜。
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”上曾分享，電力系統將會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”這一看似簡單的要求背后，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。器件層面上的性能提升、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
那么在能源互聯網中，有哪些芯片層面的底層關鍵技術？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 感知層面是奠定能源互聯網的基礎，只有精準的數據捕捉，才能為后續的計算環節提供有價值的數據輸入。沒有精準的感知，能源互聯網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 在連接層面，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。
對于新型電力系統而言，電壓、電流、電能質量、溫度、電池內阻等參數的測量尤為關鍵，通過對這些參數的測量，可以計算出整個電力系統不同區域的能源產生和消耗的具體情況。這些參數的測量看似十分基礎，但由于應用場景的特點，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。但在電網中電流感應放大器需要解決溫度漂移、大電流、輸出噪聲高等一系列挑戰，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。而據貝哲斯咨詢預測，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，年復合增長率將達到15.8%。
圖3：智能電網傳感器市場預估
（圖源：KBV Research）
什么樣的芯片能夠滿足
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，那么到底什么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。該器件的亮點在于通過內置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降低方案功耗，或使用更高的數據速率來進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范圍，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
關于電流感應放大器，可以選擇來自TI的INAx290/INAx290-Q1系列產品。該產品的特點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，因此可實現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
能源互聯網將會承托起人類低碳可持續發展的未來。雖然現在各國的架構路線有所差異，但最終目標是一致的。而在能源互聯網的落地過程中，不論采用何種路線，感知技術都將在其中發揮至關重要的作用。
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