在節(jié)能減碳的大趨勢(shì)下，全球能源體系的重構(gòu)一直在進(jìn)行中，其中智能電網(wǎng)是重要一環(huán)。從發(fā)電、輸電、配電等供應(yīng)側(cè)入手，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)置進(jìn)行升級(jí)，是人們?cè)诖蛟熘悄茈娋W(wǎng)時(shí)更直接的切入點(diǎn)；不過，值得注意的是，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，工程師們已經(jīng)有能力也有工具將智能化的觸角延展到高度分散、無(wú)處不在的用電端。特別是數(shù)量龐大的家庭能源消費(fèi)，不再是無(wú)人關(guān)注的“孤島”，而是已經(jīng)被納入到智能電網(wǎng)整體的藍(lán)圖中。由此也就催生了家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）這一創(chuàng)新的應(yīng)用。

所謂HEMS，就是一種通過硬件和軟件部署，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器和能源設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)管理和調(diào)度的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。具體來講，HEMS的工作就是利用傳感器采集室內(nèi)環(huán)境、人員活動(dòng)和設(shè)備工作狀態(tài)信息，通過對(duì)這些信息的洞察和分析，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中設(shè)備的調(diào)度和控制，在滿足用戶舒適度的前提下減少電能消耗，提高用電效率。

隨著家庭能源消費(fèi)模式的變化，三個(gè)趨勢(shì)正在強(qiáng)化HEMS應(yīng)用的重要性和必要性：

隨著智能家居的發(fā)展，家庭中用電設(shè)備數(shù)量和品類也在不斷增加，其中不乏“隨時(shí)在線”的家用電器，對(duì)它們的用電狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)地監(jiān)測(cè)和分析，對(duì)于提高能效、減少隱形的“幽靈能耗”大有裨益。換言之，HEMS已經(jīng)成為全屋智能中重要的一環(huán)。

今天，電動(dòng)汽車已經(jīng)走進(jìn)越來越多家庭。作為一個(gè)不同以往的大功率用電設(shè)備，如何將電動(dòng)汽車接入電網(wǎng)進(jìn)行充電，同時(shí)確保家庭電網(wǎng)安全穩(wěn)健地運(yùn)行，也是需要通過HEMS應(yīng)對(duì)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

未來，越來越多的家庭會(huì)開始利用風(fēng)力、光伏等可再生能源，并且可以將富余的電力接入電網(wǎng)，化身一個(gè)分布式的微型發(fā)電站，同時(shí)需要配置儲(chǔ)能設(shè)備以確保電能的質(zhì)量和安全。這意味著家庭不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的用電單位，而是一個(gè)更為復(fù)雜的小型能源系統(tǒng)，因此必須要有更智能的HEMS來進(jìn)行調(diào)度和管理。

由此可見，HEMS橫跨智能家居、電動(dòng)汽車、新能源三大風(fēng)口行業(yè)，而這些行業(yè)的發(fā)展，也勢(shì)必會(huì)將HEMS托舉到一個(gè)新高度。

根據(jù)Global Market Insights的預(yù)測(cè)，全球HEMS市場(chǎng)規(guī)模2024年為58億美元，預(yù)計(jì)到2034年將達(dá)到217億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率高達(dá)13.8%。一個(gè)新興的市場(chǎng)正在加速崛起。

圖1：HEMS市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)（圖源：Global Market Insights）

HEMS中的賦能技術(shù)

一個(gè)典型的HEMS系統(tǒng)，以一個(gè)中央控制設(shè)備為核心（包括硬件和軟件），連接三類主要的能源設(shè)備——用電負(fù)載、儲(chǔ)能設(shè)備和分布式電源（如光電或風(fēng)能發(fā)電設(shè)備），并基于傳感器和智能電表提供的數(shù)據(jù)，對(duì)家庭電網(wǎng)中的電能進(jìn)行及時(shí)而高效的調(diào)度和管理。

圖2：HEMS系統(tǒng)架構(gòu)（圖源：Murata）

想要搭建起這樣一個(gè)完整而高效的HEMS系統(tǒng)，需要一系列先進(jìn)技術(shù)的加持：

電能檢測(cè)

智能電表作為HEMS的 “感知觸角”，負(fù)責(zé)精準(zhǔn)計(jì)量各類家庭用電負(fù)載的電能消耗，為能源管理提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)。

環(huán)境傳感

分布在家庭各處的多類型傳感器，隨時(shí)捕捉溫度、光強(qiáng)、人員活動(dòng)等環(huán)境信息，將數(shù)據(jù)反饋給HEMS控制中心，以此為據(jù)合理調(diào)整照明、空調(diào)等設(shè)備的運(yùn)行，使其按需工作，避免無(wú)謂的能源消耗。

網(wǎng)絡(luò)通信

這是HEMS作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必不可少的一個(gè)組件，通常采用Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee、LPWAN等無(wú)線互連技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、控制中心，以及云端設(shè)備之間建立起可靠的數(shù)據(jù)通道。

智能主控

所謂HEMS的“大腦”，其作用是依托高性能的數(shù)據(jù)處理硬件和專門優(yōu)化的算法，對(duì)各類信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出正確的“思考”和快速的決策，進(jìn)而完成對(duì)家庭電網(wǎng)中各類能源設(shè)備的合理調(diào)度，在安全舒適的前提下，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的目標(biāo)。

電源管理

HEMS是一個(gè)包含了發(fā)電、配電、儲(chǔ)能和用電設(shè)備的微型能源系統(tǒng)，電能在其中的高效傳輸和轉(zhuǎn)換，需要逆變器、AC/DC、DC/DC等多種電源管理技術(shù)的支撐。

令人興奮的是，上述這些技術(shù)的發(fā)展，勢(shì)必會(huì)推動(dòng)相關(guān)HEMS設(shè)備的升級(jí)，進(jìn)而拉動(dòng)上下游配套產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同增長(zhǎng)，這對(duì)于每個(gè)置身HEMS市場(chǎng)的玩家，都是難得的商機(jī)。

HEMS市場(chǎng)盛宴的“入場(chǎng)券”

對(duì)于HEMS帶來的這場(chǎng)“市場(chǎng)盛宴”，元器件廠商當(dāng)然不會(huì)缺席。Murata憑借自身豐富的產(chǎn)品組合，做足了準(zhǔn)備，不少元器件產(chǎn)品已經(jīng)手握參與這場(chǎng)HEMS市場(chǎng)盛宴的“入場(chǎng)券”。

NXE1 1W隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器

上文提到過，HEMS的興起為電源管理器件提供了一個(gè)巨大的市場(chǎng)空間。Murata的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品恰好可以在其中找到施展拳腳的天地。

Murata的NXE1 1W隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器具有4.5V至5.5V輸入、5V的輸出，輸出紋波噪聲的典型值為30mV，當(dāng)配合推薦濾波電路時(shí)，可將其輸出紋波噪聲降為5mVpp，同時(shí)支持3kV的隔離電壓。

值得一提的是，NXE1系列隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器不僅實(shí)現(xiàn)變壓器與基板一體化，而且采用了薄型表面貼裝封裝，這種無(wú)鹵素iLGA封裝通過自動(dòng)化工藝生產(chǎn)，提升了產(chǎn)品的可靠性，并提供穩(wěn)定的性能，MTTF高達(dá)500萬(wàn)小時(shí)。其具有2級(jí)濕氣敏感性等級(jí)和-40°C至+85°C的工作溫度范圍，兼容峰值回流焊溫度為260℃，符合J-STD-020標(biāo)準(zhǔn)。小型化、高可靠的特性，使得NXE1系列適合于HEMS中的多種電源管理應(yīng)用。

圖3：NXE1 1W隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器（圖源：Murata）

NCU NTC熱敏電阻

由于HEMS中集成了不少功率電子設(shè)備，如光伏面板、電池儲(chǔ)能、EV充電器等，因此防止過溫、過流、過壓等極端事件，確保這些設(shè)備安全可靠運(yùn)行是一個(gè)必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

Murata的NCU NTC熱敏電阻為這些高可靠應(yīng)用提供了一種理想的溫度傳感解決方案。NCU系列是一種片式溫度傳感器，可用于各種溫度檢測(cè)和補(bǔ)償，具有高精度和B常數(shù)，同時(shí)還具有出眾的可焊性和高穩(wěn)定性，以及出色的抗老化穩(wěn)定性，與流焊/回流焊工藝兼容。這種兼具高性能和高可靠性的特點(diǎn)，適用于HEMS中的電池儲(chǔ)能設(shè)備。

圖4：NCU NTC熱敏電阻（圖源：Murata）

1XK型Wi-Fi+藍(lán)牙模塊

無(wú)線通信是HEMS中不可或缺的技術(shù)。為了支持多樣化的通信需求，多模無(wú)線通信解決方案漸成主流。

Murata的1XK型無(wú)線模塊是一款小型、高性能的雙頻解決方案，其基于恩智浦的IW416 Wi-Fi 4和藍(lán)牙5.2無(wú)線SoC，同時(shí)支持Wi-Fi和藍(lán)牙兩種主流的無(wú)線協(xié)議。該模塊WLAN部分支持SDIO 3.0接口，Wi-Fi的PHY數(shù)據(jù)速率高達(dá)150Mbps；藍(lán)牙部分支持高速4線UART接口和音頻數(shù)據(jù)用PCM，藍(lán)牙的PHY數(shù)據(jù)速率可達(dá)3Mbps。

IW416采用Wi-Fi和藍(lán)牙共存硬件，以優(yōu)化的算法，實(shí)現(xiàn)了高性能的雙模無(wú)線通信協(xié)同工作。加之Type 1XK模塊小型化的外形封裝，使其更便于集成到HEMS中對(duì)空間和功率敏感的各類物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

圖5：1XK型Wi-Fi+藍(lán)牙模塊（圖源：Murata）

本文小結(jié)

有數(shù)據(jù)表明，居民家庭用電在全球總用電量中的占比大約在三成左右，而且隨著人們消費(fèi)水平的提升，這一比率還在不斷增加。這也意味著能源管理在家庭中的重要性越來越高。

在未來的十年間，HEMS將受到產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、市場(chǎng)需求、技術(shù)升級(jí)等多重力量的推動(dòng)，進(jìn)入一個(gè)發(fā)展的快車道。

對(duì)于元器件行業(yè)來講，這是一次難得的市場(chǎng)機(jī)遇。根據(jù)HEMS的技術(shù)需求，打造出高性能、高可靠的元器件產(chǎn)品，才有機(jī)會(huì)坐享市場(chǎng)紅利。

HEMS這場(chǎng)市場(chǎng)盛宴，誰(shuí)能“入席”？本文介紹的幾款Murata的產(chǎn)品已經(jīng)給出了答案。不過，其中蘊(yùn)含的更多技術(shù)奧妙，還需要你細(xì)細(xì)琢磨。