探索電能計量芯片的跨行業(yè)多元應(yīng)用

1   引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電能計量芯片已不再局限于傳統(tǒng)電表領(lǐng)域，而是擴展到各類智能產(chǎn)品領(lǐng)域，涵蓋WIFI插座、電動汽車充電樁、光伏儲能系統(tǒng)、智能交通信號燈以及火災(zāi)報警系統(tǒng)等。這些智能設(shè)備通過集成電能計量芯片，實現(xiàn)了對電能參數(shù)的精確監(jiān)控，從而提升了能源管理的效率和準確性。

圖1

2   功率計量芯片的應(yīng)用場景

2.1 智能電網(wǎng)

智能電表方案通常配備先進的通信模塊，包括4G、Wi-Fi、ZigBee和RF等技術(shù)，這些模塊使得電能使用數(shù)據(jù)能夠被遠程傳輸至電網(wǎng)運營商，便于進行數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控和管理，實現(xiàn)遠程抄表和數(shù)據(jù)監(jiān)控，電表芯片則可以監(jiān)測電網(wǎng)狀態(tài)，如電壓波動、頻率偏差等，及時發(fā)現(xiàn)并報告電網(wǎng)異常，提高電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖2 HLW8112智能電表應(yīng)用

使用HLW8112的智能電表方案可以實現(xiàn)用戶端的電能、功率、電壓、電流和電網(wǎng)頻率等基本參數(shù)的計算，通過測量50HZ的交流波形數(shù)據(jù)，可以對電網(wǎng)質(zhì)量進行監(jiān)測，了解電網(wǎng)線路的狀態(tài)，采用雙通道測量電流時，還能實現(xiàn)防竊電功能。

2.2 智能家居

電能計量芯片在智能家居行業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，它們可以精確測量和監(jiān)控家庭中的電能消耗，此外，人工智能和機器學習算法的集成，有望進一步提升電能計量系統(tǒng)的預(yù)測分析、異常檢測和能源優(yōu)化等能力，以下是一些具體的應(yīng)用場景。

2.2.1 智能插座

智能插座是一種可以遠程控制家用電器的電源插頭，它通常通過Wi-Fi或藍牙與智能設(shè)備（如智能手機、平板電腦）連接。智能插座使用戶能夠隨時隨地控制插座上的電器，即使不在家也能通過應(yīng)用程序?qū)ζ溥M行開關(guān)、定時和定量控制。

下圖是計量芯片HLW8032在WIFI PLUG的應(yīng)用框路，HLW8032采用的單口UART的傳輸方式，相較于雙口的UART，可以節(jié)省一個光藕，HLW8032還具有免校準功能，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，可以省去復(fù)雜的校準工序，降低成本，簡化應(yīng)用。

圖3 HLW8032 WIFI PLUG應(yīng)用

2.2.2 節(jié)能插座

節(jié)電插座是傳統(tǒng)插座的轉(zhuǎn)型升級，在傳統(tǒng)插座上增加檢測裝置（智能芯片），節(jié)電插座通過智能芯片和程序軟件，對家用電器的運行狀況進行監(jiān)控，當電器處于待機時智能啟動終端關(guān)閉裝置切斷電源，運行時能自動接通相關(guān)電源，給用戶帶來極大的方便和安全，將待機能耗降為零。HLW8012可以應(yīng)用于低成本的節(jié)能插座方案，HLW8012的作用是檢測主控插座的功率，當主控插作的功率低于待機功率時，繼電器會斷開副控插座的供電電源，達到節(jié)省功耗的目的。

2.2.3 智能電熱毯

下圖為HLW8110芯片電熱毯等應(yīng)用設(shè)計，其典型電路簡潔，僅需要少量外圍器件。HLW8110可以測量任意波形，能夠精確監(jiān)測并計算負載設(shè)備的功率、電壓、電流和能耗并，將這些數(shù)據(jù)通過UART傳輸至微控制器單元（MCU）。此外，HLW8110允許用戶在芯片內(nèi)部設(shè)定功率、電壓和電流的過載閾值，以增強系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖4 HLW8110智能電熱毯應(yīng)用

2.3 智慧照明系統(tǒng)

智慧照明系統(tǒng)融合了現(xiàn)代信息技術(shù)，提供了一種創(chuàng)新的照明控制方案。以智慧路燈為例，該系統(tǒng)利用傳感器、控制器和通信技術(shù)，實現(xiàn)了照明設(shè)備的自動化管理和控制，提高了能源效率和系統(tǒng)的整體可靠性，計量芯片HLW8012在系統(tǒng)中的作用有以下兩點：

1、數(shù)據(jù)采集：利用自組網(wǎng)連接電壓或者電流傳感器，通過電能計量芯片實時采集照明系統(tǒng)電流、電壓、功率因素等數(shù)據(jù)變化，實時檢測設(shè)備的運行狀態(tài);

2、電路過載保護：通過計量芯片實時采集到的數(shù)據(jù)進行分析處理，保證負載處于合理范圍內(nèi)，防止由于過高電壓或者電流照成了整個路燈系統(tǒng)故障。

2.4 電動汽車充電槍

隨著新能源汽車的普及，電動汽車充電槍逐漸成為我們生活中不可或缺的一部分，而在這背后，電能計量芯片作為充電槍的智能“心臟”，扮演著至關(guān)重要的角色。

HLW8112芯片配備了兩個電流采集通道和一個電壓采樣通道，這使得它在充電槍的設(shè)計中能夠?qū)崿F(xiàn)多方面的功能。其中一個電流采集通道可以專門用于漏電檢測，增強了充電過程的安全性。

圖5HLW8112電動汽車充電槍應(yīng)用

2.5 通信基站與數(shù)據(jù)中心

基站內(nèi)的通信設(shè)備依賴于直流電源系統(tǒng)來實現(xiàn)穩(wěn)定供電，其中包括電源分配單元（PDU）和直流斷路器等關(guān)鍵組件。通過使用直流計量設(shè)備，可以對不同運營商的通信設(shè)備進行能耗監(jiān)測。HLW8110具備測量直流信號的能力，通過關(guān)閉芯片內(nèi)置的高通濾波器（HPF），HLW8110能夠?qū)χ绷鹘K端設(shè)備的電壓、電流、功率和電量進行精確采樣，因此HLW8110可以用于一些通信設(shè)備的電參數(shù)測量，比如PDU和直流斷路器等設(shè)備。

圖6 HLW8110通訊基站應(yīng)用

2.6 逆變器在光伏儲能的應(yīng)用

逆變器又稱逆變電源，是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，是通過半導體功率開關(guān)的開通和關(guān)斷作用，把直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能，是整流變換的逆過程。逆變器可將12V或24V的直流電轉(zhuǎn)換成240V、50Hz交流電或其它類型的交流電。它輸出的交流電可用于各類設(shè)備，最大限度地滿足移動供電場所或無電地區(qū)用戶對交流電源的需要。由于HLW8110可以測量任意波形信號，因此可以對逆變器之后的正弦波，修正正弦波和方波都可以進行測量，也可以直接測量MPPT電路后的直流信號數(shù)據(jù)。

圖7 HLW8110光伏逆變器應(yīng)用

3 結(jié)語

以上所述僅為功率計量芯片應(yīng)用的冰山一角。事實上，任何涉及電能管理的場景，都有望通過功率計量芯片實現(xiàn)性能的飛躍，從而在能源效率、成本節(jié)約以及環(huán)境可持續(xù)性方面獲得顯著益處。