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助力能源互联网全面监测,这些感知芯片必不可少

关键词:能源互联网 感知芯片

时间:2023-09-11 10:43:05      来源:贸泽电子

能源互联网将会承托起人类低碳可持续发展的未来。虽然现在各国的架构路线有所差异,但最终目标是一致的。而在能源互联网的落地过程中,不论采用何种路线,感知技术都将在其中发挥至关重要的作用。

能源互联网这一概念兴起于2010年前后,是指在传统能源系统中增加互联网技术,整合能源数据,实现规模电力消耗预测,优化电网运行以节省能耗。而今,我们提起能源互联网,已经远不止这么简单。随着近年来可再生能源、分布式储能、人工智能、区块链等技术的兴起,能源互联网将改变传统能源系统格局,真正实现能源的双向按需传输和动态平衡使用,并显著提升可再生能源的占比和使用效能。

据埃森哲的预计,从2018年至2050年,全球能源互联网累计总投资规模约38万亿美元,将释放出巨大的市场价值。从十几年前能源互联网概念提出到现在,真正的可再生、分布式、开放式、智能化的能源网络将会逐步趋于成熟,支撑起人类的可持续发展未来。

能源互联网
承托起人类可持续发展的未来

传统意义上,可以将电力网络中的能源主体简单地区分为“源”与“荷”两大类,但现在随着电动汽车、分布式储能系统、微电网和虚拟电厂等新的电力主体的引入,整个电力网络变得更为复杂。

发电侧

可再生能源比例不断提高,对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规模集群,在能源产生上具有强波动性和随机性,需要更高弹性的分布式电网来消除这些问题。

用电侧

用户现在也可以通过自有的光伏设备、电动汽车等反向输电给中央电网,这就导致了用电侧的不确定性增加。总的来看,当前输配电系统呈现出多样化、分散化和差异化的特点,导致整个电力系统的调度工作难度倍增。

接下来,发电侧可再生能源比例还会继续提升,用电侧以直接用电来取代传统化石能源的趋势也会加速推进,可想而知电力系统的整体架构必将迎来新的变化,以适应日益复杂的统一调度要求。未来电力系统还要和包括冷、热、电在内的多能源系统耦合在一起,这势必会让整个能源互联网变得更加复杂。


图1:传统和新型能源系统对比(图源:Energy Atlas)

清华大学能源互联网创新研究院副院长陈启鑫在今年年初召开的“2022国家能源互联网大会”上曾分享,电力系统将会在多能源系统中扮演核心角色,为了应对一系列的挑战,电力系统要从以电力平衡为核心的传统运行机制,转变到以灵活性资源和需求平衡为核心的弹性运行机制。

而在“弹性运行”这一看似简单的要求背后,需要来自发电侧、储能侧和用电侧的底层半导体技术不断创新。器件层面上的性能提升、能量密度提高、功耗降低带来了设备上的降本增效,最终赋能到能源互联网的高效弹性运行,才能撑托起可持续发展的未来。

感知技术
奠定能源互联网的智能基础

那么在能源互联网中,有哪些芯片层面的底层关键技术?我们或可将其大致划分为感知、计算、连接和功率转换几大类。

1 感知层面是奠定能源互联网的基础,只有精准的数据捕捉,才能为后续的计算环节提供有价值的数据输入。没有精准的感知,能源互联网的智能化也就无从谈起。

2 计算层面则需要对感知层面捕获的数据进行高效分析和处理,根据不同设备的不同算力需求,可以选择MCU、MPU、SoC、CPU等不同类型。

3 连接层面,需要结合不同场景灵活选择多种不同的通信技术,从而实现智能电网的互操作性,例如电力载波通信、低功耗广域通信、Wi-Fi、以太网通信等。

4 在功率转换层面,逆变器的应用非常广泛,其中也涉及到了SiC、GaN和IGBT等功率器件,以及各种不同电路拓扑。此外,由于涉及到了云端存储和计算,还需要高性能存储芯片和AI加速芯片的参与。


图2:智能电网中各种典型应用(图源:LEM)

要实现灵活高效的智能能源网络,需要将感知、计算、连接和功率转换等技术结合起来,而这其中,又以感知技术最为基础。

对于新型电力系统而言,电压、电流、电能质量、温度、电池内阻等参数的测量尤为关键,通过对这些参数的测量,可以计算出整个电力系统不同区域的能源产生和消耗的具体情况。这些参数的测量看似十分基础,但由于应用场景的特点,因此对于芯片的要求极高。

在精准感知能力的基础上,还要实现尽量低的功耗水平,同时还要应对来自电网的EMI挑战,确保其能够满足工业环境中的高可靠性要求。

以AFE(模拟前端)为例,这类产品在智能电力系统中用途十分广泛,它既可以和光电二极管组成烟雾传感器,也可以通过与ADC、DSP等集成实现计量功能,是构成多功能电表、电能质量表和PLC数据集中器等设备的核心芯片。

此外对于电流的检测通常需要使用电流感应放大器,这种器件的工作原理较为简单,就是基于欧姆定律来测算采样元件(一般是分流电阻)两端的电压获得电流参数。但在电网中电流感应放大器需要解决温度漂移、大电流、输出噪声高等一系列挑战,实现更快的采样速度和更高的采样精度。

而像温湿度传感器、加速度传感器、流量传感器等多种环境感知类传感器在能源互联网中的重要性也自然不必多说。

数据显示,我国2022年智能电网传感器的市场规模达到了7.11亿元人民币,全球智能电网传感器市场规模达到了25.98亿元。而据贝哲斯咨询预测,到2028年,全球智能电网传感器市场规模预计将达42.43亿元,另来自KBV Research的预测表示,到2028年全球智能电网的传感器市场规模预计将达到约9亿美元,年复合增长率将达到15.8%。


图3:智能电网传感器市场预估(图源:KBV Research)
什么样的芯片能够满足智慧能源互联网感知需求?

既然感知技术是奠定能源互联网的基础,那么到底什么样的感知芯片才能满足其应用需求?在此我们分别从AFE、电流感应放大器和温度传感器三个热门分类中,各自挑选一款芯片来推荐给大家。

AFE器件

在AFE的器件选型上,来自 Microchip的MCP3914 是不错的选择。这是一款八通道的计量ADC芯片。该器件的亮点在于通过内置8个同步采样ADC和8个PGA,实现了单一芯片的多通道数据监控,能够帮助客户显著降低产品成本和缩小设计尺寸。

此外,高达125ksps的可编程数据速率及多种低功耗模式使得设计人员可以显著降低方案功耗,或使用更高的数据速率来进行诸如计算谐波分量等高级信号分析。同时,MCP3914还具有CRC-16校验和寄存器映射锁存功能,大大提高了产品的稳健性。


图4:MCP3014的多相级连电表应用框图
(图源:Microchip)

MCP3914在贸泽电子官网上的具体产品料号为“ MCP3914A1T-E/MV ”,该型号具有拓展的温度范围,更适合严苛工业中应用。可以在贸泽电子官网上直接搜索该料号获取更多信息。

电流感应放大器

关于电流感应放大器,可以选择来自 TI的INAx290/INAx290-Q1 系列产品。该产品的特点在于极小的占板面积、超精密的检测精度和极低的功耗表现。

INAx290/INAx290-Q1能够在2.7V至120V宽共模范围内测量分流电阻器上的压降。该系列器件具有±12µV超低失调电压、±0.1%小增益误差以及160dB高直流CMRR,因此可实现超高精度的电流测量。同时该器件的SC-70封装占板面积仅2.0mm×2.1mm,可采用2.7V至20V单电源供电,电源电流消耗仅为370µA(典型值)。

此外,INAx290/INAx290-Q1不仅设计用于直流电流测量,还可用于带宽高达1MHz和85dB AC CMRR的高速应用(例如快速过流保护等)。


图5:INAx290典型应用框图
(图源:TI)

这款芯片在贸泽电子官网上的具体产品料号为“ INA290A5QDCKRQ1 ”,该型号能够满足车规级AEC-Q100标准可以通过贸泽电子官网查询获得更多信息。

温度传感器

而针对温度传感器,不妨看看同样是来自TI的TMP114数字温度传感器。这是一款高精度且与I  ² C兼容的数字温度传感器,采用了0.15mm超薄4引脚封装。

TMP114的精度达±0.3°C,片内集成了一个16位ADC,可提供0.0078°C的温度分辨率。为了尽可能延长电池续航时间,TMP114设计为可在1.08V至1.98V的电源电压范围内运行,平均电源电流低至不到0.7μA。

TMP114在贸泽电子官网上的具体料号为“TMP114CIYMTR”,可以直接进入贸泽电子官网进行搜索,获取这款器件的更多详情介绍。


图6:TMP114数字温度传感器框图(图源:TI)

结语

能源互联网将会承托起人类低碳可持续发展的未来。虽然现在各国的架构路线有所差异,但最终目标是一致的。而在能源互联网的落地过程中,不论采用何种路线,感知技术都将在其中发挥至关重要的作用。

关于贸泽电子

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