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【分享】节能智能插座方案“芯”动向

菜鸟
2015-11-04 09:44:41    评分
节能智能插座“芯”动向.pdf

这段时间在网上看到很热的智能插座单品,也大致搜索了解一下,后来找到一篇这样的文章,跟大家分享一下,也算是俺的新人贴。

摘要:电器使用越来越多,能源消耗越来越大,尤其是由于人为习惯造成的待机功耗浪费更大。面对生活更加便利,电器更加智能,电器更加节能的要求,节能智能插座成为现在最有效提高人们生活品质、解决节能问题的方法之一。

关键词:电能计量芯片、节能智能插座、计量插座、主副孔插座、无线智能插座、待机功耗、智能家居

一、节能背景

随着科技进步,越来越多的数码产品、电器已进入家庭,如电视机、空调、冰箱、热水器等高能耗电器,为人类的生活创造了非常多的便利,但同时也造成家庭能源消耗的急剧增长,尤其是待机功耗的浪费,与全球范围开始倡导的低碳地球背道而驰。根据国际经济合作组织的一项调查称,各国因待机而消耗的能量约占能耗总数的3%~13%。统计数据为:澳大利12%左右,韩国11%左右,德国10%左右,英国8%左右,日本7%左右,美国5%左右,芬兰5%左右。目前我国城市家庭的平均待机能耗已经占到了家庭总能耗的10%左右,相当于每个家庭使用着一盏15~30W的“长明灯”。待机能耗像一只隐形的吸血虫,在浪费能源的同时形成了巨大的环保压力。

“待机能耗”是指具有待机功能的电器设备在不使用的时候,没有断开电源所发生的电能消耗。具有待机能耗的电器设备主要有空调、电脑与通讯系统(包括电脑主机、显示屏、电脑音响、打印机、扫描仪、充电器、路由器等)、家庭视频与音频系统(包括电视机、DVDVCD、音响、功放、机顶盒、卫星接收器等)。为了避免频繁插拔电器插头的麻烦,许多用户很习惯地采用不断开电源,使电器长期处于待机状态。待机功能在为居民用户提供便利的同时,也造成了大量的能源浪费。同时不断开电器电源,电器长期处于待机或工作状态,还可能会引起灾难性事件。

下面是常见电器的待机功耗:


电器

待机功耗(W)

月损耗电量(度)

年损耗电量(度)

1

电视机

2.5

1.8

21.6

2

饮水机

20

14.4

172.8

3

空调

3.47

2.5

30.0

4

洗衣机

2.46

1.8

21.3

5

电脑主机+显示器

6.2

4.5

53.6

6

音箱

7.25

5.2

62.6

7

音响功放

12.35

8.9

106.7

8

机顶盒

7

5.0

60.5

9

热水器

6

4.3

51.8

10

微波炉

2.78

2.0

24.0

11

抽油烟机

6.06

4.4

52.4

12

电饭煲

19.8

14.3

171.1

13

打印机

9.08

6.5

78.5

14

传真机

5.71

4.1

49.3

总计

79.7

956.1

如上表,一个家庭中电器齐全,若用户全年不关闭电器,电器处于待机状态,待机功耗浪费956.1度电。若一个城市有50万户家庭,一年的能源浪费可达到4.8亿度电。这不单关系到居民的利益浪费,还造成国家能源的极大浪费,所以降低电器功耗、解决电器待机功耗势在必行;面对强烈的低能耗需求,家电企业不断改善产品,降低工作功耗,尤其是待机功耗,虽然已有明显效果,但电器的更新换代却是一个漫长的时间。随着物联网的兴起,各种节能方案的提出,使家庭的节能需求看到了解决的希望,家电企业或智能家居企业推出各类智能家居系统,在为生活提供便利的同时,也节省能耗,但是今下,一整套智能家居系统的价格居高不下,很难得到普及,所以现在的家庭电器节能仍是一大难题,于是许多企业在配件方面寻找解决方案,针对现有家用电器普及状况推出配件产品,在不改变用户使用习惯或提高体验性前提下,对家用电器进行节能。

节能智能插座——现在最有效的节能产品之一,是一种转接装置,经过此插座的转接,再将家用电器接到此插座上,此产品可以主动切断电器电源以节省大量用户,用户也不需要时刻记得关闭电器。节能智能插座的工作功耗基本<0.2W,相当于家电有待机功耗的二十分之一,甚至百分之一。

二、节能智能插座实现方式

现在市场上大多数节能智能插座的结构主要包括几个部分:电能采集模块、控制器、继电器、人机界面或无线通讯模块。



用户通过人机界面或无线通讯模块设置断开的电源条件,可以设置定时断开电器的电源,在设定的时间段内断开电源;设置家用电器耗电阈值,在电器用电低于阈值时,断开电源。控制器通过电能采集模块对电器的电能及功率进行采集,判断电器用电情况,对继电器进行操作以控制电源的开关。此产品可以记录电器的总用电量,显示当前用前功耗等功能,方便用户了解各电器的耗电情况。电能及功率采集模块是节能智能插座的核心部分,若采集到的数据不正确可能会导致误操作,影响平时的正常使用。

电能采集模块实现方式主要有3种:

1、采用比较器

采用这种方式一般只检测电器的电流信号,电压为固定值,将切断功率阈值折算为电流有效值。通过采样电路将电器的电流信号进行采样,与硬件设定的切断阈值进行比较,MCU根据比较器的输出,判断电流与切断阈值的大小关系,控制电器电源的开关。比较器一般使用LM358进行设计。电流信号为交流信号,比较器的参考电压值为固定正向值,电流信号必须使用互感器进行传输,经过整流、滤波,才能连接到比较器的输入端。若电网中存在较大的容性或感性谐波,功率因数(PF)<1,采样到的电流信号有效值误差大,可能导致误操作。由于这种插座内部比较器的参考电压为固定值,切断功率阈值不能改变,所以一般只适用于特定的电器;有些产品可以通过手动调整功率旋钮,改变切断功率阈值,但手动调整准确度低,用户使用不方便。所以这种实现方式一般只适用于特定电器,且电网质量较好的场合。



2、采用控制器集成的ADC

通过采样电路,配合集成ADCMCU进行测量。采用这种方式一般只测量电器的电流信号,电压为固定值,根据电流信号大小折算成功率。电流信号为交流信号,而MCUADC一般只能单端输入,电流采样电路中必须使用互感器进行传输,经过整流再进行积分,才能被MCUADC较准确的测量。MCU集成的ADC一般是10bit,电流测量范围小,有效动态范围一般只有256:1。若电网中存在较大的容性或感性谐波,功率因数(PF<1,测量电流的误差越大,所以这种方式一般只适用于功耗变化范围小,且电网质量较好的场合。

采用这种方式可以通过人机界面设置切断电源的功率阈值,内部将功率值转化为电流值,将测量到的电流值与阈值比较,若小于阈值,则插座切断电器电源。



3、采用专用的电能计量芯片

主要有Cirrus Logic的CS5460、CS5463,ADI的ADE7755。专业的电能计量芯片内部至少集成2路ADC(内部带运放),可同时对电流、电压信号进行采样;模拟输入端信号可为交流信号,不影响信号的失真;集成50Hz/60Hz陷波;集成DSP,对电压、电流信号进行高速计算,滤除功率因数的影响,得到真实的有功功率值。电能计量芯片的动态范围>=500:1,测量精度达到0.1%。MCU与电能计量芯片进行通讯,读取当前功率、电能值,或者通过光耦对计量芯片输出的功率脉冲进行计数,计算电能及功率。使用电能计量芯片,采样电路可以不需要互感器、整流,外围电路简单,MCU与计量芯片通讯或连接资源较少,使用资源较少的MCU可以实现。若芯片的动态范围足够大,可以准确测量到更低的功率值,可以适用更多的电器。



上述几款电能计量芯片功率测量准确性高,但是价格高,并且引脚较多,还需要外置晶振,后续产品不能做到体积很小。现在国内也有电能计量芯片,电能采集部分也可以考虑选择国内芯片,比如专门用于节能智能插座的芯片HLW8012,除了基本的电能计量芯片特点之外,还可以测量电压、电流有效值,SOP8封装,内置晶振,动态范围1000:1,外围电路比较简单,采集主板面积可以做得很小。

以下表格是对3种节能智能插座实现方式的比较:



比较项目

比较器

MCU内置ADC

专用计量芯片

1

测量功率值

2

采样电路

复杂

复杂

简单

采样

需要

需要

需要

整流

需要

需要

不需要

滤波

需要

需要

不需要

互感器

必须

必须

不必须

3

采样信号失真度

电压采样

电流采样

是否消除

功率因素影响

4

测量准确性

较低

5

动态范围

——

256:1

>=500:1

三、节能智能插座种类

普通节能智能插座存在一些不足点:插座体积较大;只能控制一个电器。插座制造企业不断对产品进行更新换代,延伸出许多不同的产品,主要有以下几种:

1、主副孔插座。主机关闭或待机之后,周边设备的电源同时被切断。



电脑一般都会与周边设备一起使用,如显示器、打印机、音箱等。只有在主机使用,这些周边设备才会使用,主机关闭或待机之后,周边设备就被闲置。若用户忘记关闭周边设备,电器一直会处于待机模式,造成电量浪费。主副孔插座是一种创新型的排插,孔位一般分为主机孔、受控孔、常用孔。使用时主机(电脑或其他设备)连接到主机孔,周边设备连接在受控孔。主机启动之后,采集主板检测到主机的功率变大,采集主板会延时打开周边设备;主机关闭或待机之后,采集主板检测到主机的功率下降到阈值,则会延时关闭周边设备。使用这种插座,只要关闭主机,就不用担心忘记关闭周边设备,打开主机时,也不用一一打开周边设备,可以智能、有效地节省家庭或办公用电。现已有较多企业量产此类产品,公牛在这方面产品挺出色。

当主副孔插座使用于不同的电器系统时,主机的待机功率不同,则关闭周边设备的阈值不同,于是可以增加切断阈值学习功能,针对不同主机可以学习不同的关闭阈值。

2、红外主副孔插座。在主副孔插座基础上增加红外接收功能,当红外遥控控制主机开关时,插座采集主机功率,再控制主机及周边设备电源的开关。



现在许多家庭使用电视机时,基本都配周边设备,如机顶盒、音箱等设备。用户习惯使用遥控关闭电视机,没有去断开电视机、周边设备的电源,此时周边设备处于正常运行或待机状态,功率非常大。若将电视机及周边设备连接到红外主副孔插座,电视机连接主机孔,周边设备连接受控孔,使用遥控关闭电视机时,电视机接收到红外信号,电视机进入待机,插座会检测到电视机的功率降低,达到阈值时,插座切断电视机及周边设备的电源,不需要人为逐一关闭电源;使用遥控打开电视机时,插座接收到遥控信号,测量电视机当前功率后,判断电视机工作状态,打开电视机电源,此时电视机进入待机状态,在一定时间内,若遥控器再次按下“开关”键,电视机就会进入正常播放,同时插座检测到电视机功率上升,再打开周边设备的电源。使用这种插座可以在不改变用户使用习惯的前提下,节省电视机及周边设备的用电。

考虑到不同电视机遥控的开关键键值不同,有些红外主副孔插座还带有红外学习功能,可以适用于不同类型的遥控器。

3、无线智能插座。在普通节能智能插座基础上进行创新,增加无线通讯模块(WIFI/蓝牙/Zegbee),配合移动设备上的APP软件,远程或室内无线控制电器的关闭与打开。



无线智能插座可以分为2种:室内无线控制、室外无线控制。室内无线控制型基本上是使用WIFI或蓝牙,使用移动设备或者专用遥控进行控制。室外无线控制型基本上是使用WIFIZegbee,通过家庭路由器或专用路由器,连接到服务器,用户在室外,移动设备只要可以上网,就可以直接查看或控制家庭各个电器。

配合无线智能插座,移动设备上安装APP,使用手机配置好各个插座的无线设置,设置各个电器名称,在移动设备上可以进行分类管理:厨房、大厅、主室、卧室等,配置好之后就可以查看到家庭各个电器的运行情况:总用电量、当前功率、当前电压、当前电流;可以控制各个电器的电源开或关;若电器的运行状态出现不正常情况,无线智能插座会通过APP反映到移动设备上。通过无线智能插座,晚上回家前打开灯光;出门时不用担心饮水机忘记关闭,回家前可以提前打开饮水机;出门时不用担心热水器没有关,回家前可以提前打开热水器;出门时不用担心空调没有关,还可以在回家前打开空调等等。不但节能用电、安全用电,还可以提高用户的生活体验。

现在了解到的无线智能插座,Belkin(贝尔金)的名气较大,随着用户生活品质提升,这类产品需求将会越来越大,现在国内也越来越多厂家涉入此产品。无线智能插座,还可以做进一步的创新,Zuli公司开发出一种产品,在房间内装置几个插座,用户携带移动设备,人走到哪里,插座就会定位出人的位置,对电器进行智能控制,如用户离开家之后,自动关闭家里电器,用户回到家门口,自动打开灯或其他电器。

四、节能智能插座“芯”动向

单体节能智能插座体积将会越来越小;主副孔插座将会适应越来越多的设备系统;无线智能插座体积将会更小,更加智能,如智能定位等。

在智能家居系统真正普及之前,节能智能插座是很有效解决节能问题的方法之一。无线智能插座可以延伸出非常多的用户体验,使家庭电器更加省电、更加安全,生活更改舒适,随着智能移动设备的普及,3G网络的普及,节能智能插座的发展将会更偏向于无线智能插座。

面对如此的发展趋势,电能计量芯片发展动向将会走向高集成化,SOC。集成电能计量芯片、MCU、无线通讯接口等。






关键词: 智能     插座     节能     待机     电能     计量     家庭     测量         

菜鸟
2015-12-01 14:05:37    评分
2楼

好文,学习了,收藏




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