Murata元器件产品在家庭能源管理系统的应用-电子发烧友网

在节能减碳的大趋势下，全球能源体系的重构一直在进行中，其中智能电网是重要一环。从发电、输电、配电等供应侧入手，对基础设置进行升级，是人们在打造智能电网时更直接的切入点；不过，值得注意的是，随着物联网技术的发展，工程师们已经有能力也有工具将智能化的触角延展到高度分散、无处不在的用电端。特别是数量庞大的家庭能源消费，不再是无人关注的“孤岛”，而是已经被纳入到智能电网整体的蓝图中。由此也就催生了家庭能源管理系统（HEMS）这一创新的应用。

所谓HEMS，就是一种通过硬件和软件部署，实现对家用电器和能源设备进行自动管理和调度的自动化控制系统。具体来讲，HEMS的工作就是利用传感器采集室内环境、人员活动和设备工作状态信息，通过对这些信息的洞察和分析，实现系统中设备的调度和控制，在满足用户舒适度的前提下减少电能消耗，提高用电效率。

随着家庭能源消费模式的变化，三个趋势正在强化HEMS应用的重要性和必要性：

随着智能家居的发展，家庭中用电设备数量和品类也在不断增加，其中不乏“随时在线”的家用电器，对它们的用电状况进行实时、持续地监测和分析，对于提高能效、减少隐形的“幽灵能耗”大有裨益。换言之，HEMS已经成为全屋智能中重要的一环。

今天，电动汽车已经走进越来越多家庭。作为一个不同以往的大功率用电设备，如何将电动汽车接入电网进行充电，同时确保家庭电网安全稳健地运行，也是需要通过HEMS应对的一个挑战。

未来，越来越多的家庭会开始利用风力、光伏等可再生能源，并且可以将富余的电力接入电网，化身一个分布式的微型发电站，同时需要配置储能设备以确保电能的质量和安全。这意味着家庭不再是一个简单的用电单位，而是一个更为复杂的小型能源系统，因此必须要有更智能的HEMS来进行调度和管理。

由此可见，HEMS横跨智能家居、电动汽车、新能源三大风口行业，而这些行业的发展，也势必会将HEMS托举到一个新高度。

根据Global Market Insights的预测，全球HEMS市场规模2024年为58亿美元，预计到2034年将达到217亿美元，复合年增长率高达13.8%。一个新兴的市场正在加速崛起。

图1：HEMS市场规模不断增长（图源：Global Market Insights）

HEMS中的赋能技术

一个典型的HEMS系统，以一个中央控制设备为核心（包括硬件和软件），连接三类主要的能源设备——用电负载、储能设备和分布式电源（如光电或风能发电设备），并基于传感器和智能电表提供的数据，对家庭电网中的电能进行及时而高效的调度和管理。

图2：HEMS系统架构（图源：Murata）

想要搭建起这样一个完整而高效的HEMS系统，需要一系列先进技术的加持：

电能检测

智能电表作为HEMS的 “感知触角”，负责精准计量各类家庭用电负载的电能消耗，为能源管理提供基础性的数据。

环境传感

分布在家庭各处的多类型传感器，随时捕捉温度、光强、人员活动等环境信息，将数据反馈给HEMS控制中心，以此为据合理调整照明、空调等设备的运行，使其按需工作，避免无谓的能源消耗。

网络通信

这是HEMS作为物联网系统必不可少的一个组件，通常采用Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、LPWAN等无线互连技术，在网络端点、网关、控制中心，以及云端设备之间建立起可靠的数据通道。

智能主控

所谓HEMS的“大脑”，其作用是依托高性能的数据处理硬件和专门优化的算法，对各类信息和数据进行分析，做出正确的“思考”和快速的决策，进而完成对家庭电网中各类能源设备的合理调度，在安全舒适的前提下，实现节能减碳的目标。

电源管理

HEMS是一个包含了发电、配电、储能和用电设备的微型能源系统，电能在其中的高效传输和转换，需要逆变器、AC/DC、DC/DC等多种电源管理技术的支撑。

令人兴奋的是，上述这些技术的发展，势必会推动相关HEMS设备的升级，进而拉动上下游配套产业链的协同增长，这对于每个置身HEMS市场的玩家，都是难得的商机。

HEMS市场盛宴的“入场券”

对于HEMS带来的这场“市场盛宴”，元器件厂商当然不会缺席。Murata凭借自身丰富的产品组合，做足了准备，不少元器件产品已经手握参与这场HEMS市场盛宴的“入场券”。

NXE1 1W隔离型DC/DC转换器

上文提到过，HEMS的兴起为电源管理器件提供了一个巨大的市场空间。Murata的DC/DC转换器产品恰好可以在其中找到施展拳脚的天地。

Murata的NXE1 1W隔离型DC/DC转换器具有4.5V至5.5V输入、5V的输出，输出纹波噪声的典型值为30mV，当配合推荐滤波电路时，可将其输出纹波噪声降为5mVpp，同时支持3kV的隔离电压。

值得一提的是，NXE1系列隔离型DC/DC转换器不仅实现变压器与基板一体化，而且采用了薄型表面贴装封装，这种无卤素iLGA封装通过自动化工艺生产，提升了产品的可靠性，并提供稳定的性能，MTTF高达500万小时。其具有2级湿气敏感性等级和-40°C至+85°C的工作温度范围，兼容峰值回流焊温度为260℃，符合J-STD-020标准。小型化、高可靠的特性，使得NXE1系列适合于HEMS中的多种电源管理应用。

图3：NXE1 1W隔离型DC/DC转换器（图源：Murata）

NCU NTC热敏电阻

由于HEMS中集成了不少功率电子设备，如光伏面板、电池储能、EV充电器等，因此防止过温、过流、过压等极端事件，确保这些设备安全可靠运行是一个必须面对的挑战。

Murata的NCU NTC热敏电阻为这些高可靠应用提供了一种理想的温度传感解决方案。NCU系列是一种片式温度传感器，可用于各种温度检测和补偿，具有高精度和B常数，同时还具有出众的可焊性和高稳定性，以及出色的抗老化稳定性，与流焊/回流焊工艺兼容。这种兼具高性能和高可靠性的特点，适用于HEMS中的电池储能设备。

图4：NCU NTC热敏电阻（图源：Murata）

1XK型Wi-Fi+蓝牙模块

无线通信是HEMS中不可或缺的技术。为了支持多样化的通信需求，多模无线通信解决方案渐成主流。

Murata的1XK型无线模块是一款小型、高性能的双频解决方案，其基于恩智浦的IW416 Wi-Fi 4和蓝牙5.2无线SoC，同时支持Wi-Fi和蓝牙两种主流的无线协议。该模块WLAN部分支持SDIO 3.0接口，Wi-Fi的PHY数据速率高达150Mbps；蓝牙部分支持高速4线UART接口和音频数据用PCM，蓝牙的PHY数据速率可达3Mbps。

IW416采用Wi-Fi和蓝牙共存硬件，以优化的算法，实现了高性能的双模无线通信协同工作。加之Type 1XK模块小型化的外形封装，使其更便于集成到HEMS中对空间和功率敏感的各类物联网应用。