在節(jié)能減碳的大趨勢下，全球能源體系的重構一直在進行中，其中智能電網是重要一環(huán)。從發(fā)電、輸電、配電等供應側入手，對基礎設置進行升級，是人們在打造智能電網時更直接的切入點；不過，值得注意的是，隨著物聯網技術的發(fā)展，工程師們已經有能力也有工具將智能化的觸角延展到高度分散、無處不在的用電端。特別是數量龐大的家庭能源消費，不再是無人關注的“孤島”，而是已經被納入到智能電網整體的藍圖中。由此也就催生了家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）這一創(chuàng)新的應用。

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

隨著家庭能源消費模式的變化，三個趨勢正在強化HEMS應用的重要性和必要性：

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

今天，電動汽車已經走進越來越多家庭。作為一個不同以往的大功率用電設備，如何將電動汽車接入電網進行充電，同時確保家庭電網安全穩(wěn)健地運行，也是需要通過HEMS應對的一個挑戰(zhàn)。

未來，越來越多的家庭會開始利用風力、光伏等可再生能源，并且可以將富余的電力接入電網，化身一個分布式的微型發(fā)電站，同時需要配置儲能設備以確保電能的質量和安全。這意味著家庭不再是一個簡單的用電單位，而是一個更為復雜的小型能源系統(tǒng)，因此必須要有更智能的HEMS來進行調度和管理。

由此可見，HEMS橫跨智能家居、電動汽車、新能源三大風口行業(yè)，而這些行業(yè)的發(fā)展，也勢必會將HEMS托舉到一個新高度。

根據Global Market Insights的預測，全球HEMS市場規(guī)模2024年為58億美元，預計到2034年將達到217億美元，復合年增長率高達13.8%。一個新興的市場正在加速崛起。

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

HEMS中的賦能技術

一個典型的HEMS系統(tǒng)，以一個中央控制設備為核心（包括硬件和軟件），連接三類主要的能源設備——用電負載、儲能設備和分布式電源（如光電或風能發(fā)電設備），并基于傳感器和智能電表提供的數據，對家庭電網中的電能進行及時而高效的調度和管理。

圖2：HEMS系統(tǒng)架構（圖源：Murata）

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

電能檢測

智能電表作為HEMS的 “感知觸角”，負責精準計量各類家庭用電負載的電能消耗，為能源管理提供基礎性的數據。

環(huán)境傳感

分布在家庭各處的多類型傳感器，隨時捕捉溫度、光強、人員活動等環(huán)境信息，將數據反饋給HEMS控制中心，以此為據合理調整照明、空調等設備的運行，使其按需工作，避免無謂的能源消耗。

網絡通信

這是HEMS作為物聯網系統(tǒng)必不可少的一個組件，通常采用Wi-Fi、藍牙、ZigBee、LPWAN等無線互連技術，在網絡端點、網關、控制中心，以及云端設備之間建立起可靠的數據通道。

智能主控

所謂HEMS的“大腦”，其作用是依托高性能的數據處理硬件和專門優(yōu)化的算法，對各類信息和數據進行分析，做出正確的“思考”和快速的決策，進而完成對家庭電網中各類能源設備的合理調度，在安全舒適的前提下，實現節(jié)能減碳的目標。

電源管理

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

令人興奮的是，上述這些技術的發(fā)展，勢必會推動相關HEMS設備的升級，進而拉動上下游配套產業(yè)鏈的協(xié)同增長，這對于每個置身HEMS市場的玩家，都是難得的商機。

HEMS市場盛宴的“入場券”

對于HEMS帶來的這場“市場盛宴”，元器件廠商當然不會缺席。Murata憑借自身豐富的產品組合，做足了準備，不少元器件產品已經手握參與這場HEMS市場盛宴的“入場券”。

NXE1 1W隔離型DC/DC轉換器

上文提到過，HEMS的興起為電源管理器件提供了一個巨大的市場空間。Murata的DC/DC轉換器產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，當配合推薦濾波電路時，可將其輸出紋波噪聲降為5mVpp，同時支持3kV的隔離電壓。

值得一提的是，NXE1系列隔離型DC/DC轉換器不僅實現變壓器與基板一體化，而且采用了薄型表面貼裝封裝，這種無鹵素iLGA封裝通過自動化工藝生產，提升了產品的可靠性，并提供穩(wěn)定的性能，MTTF高達500萬小時。其具有2級濕氣敏感性等級和-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標準。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用。

圖3：NXE1 1W隔離型DC/DC轉換器（圖源：Murata）

NCU NTC熱敏電阻

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

Murata的NCU NTC熱敏電阻為這些高可靠應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和補償，具有高精度和B常數，同時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，適用于HEMS中的電池儲能設備。

圖4：NCU NTC熱敏電阻（圖源：Murata）

1XK型Wi-Fi+藍牙模塊

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

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

IW416采用Wi-Fi和藍牙共存硬件，以優(yōu)化的算法，實現了高性能的雙模無線通信協(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中對空間和功率敏感的各類物聯網應用。

圖5：1XK型Wi-Fi+藍牙模塊（圖源：Murata）

本文小結

有數據表明，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將受到產業(yè)轉型、市場需求、技術升級等多重力量的推動，進入一個發(fā)展的快車道。

對于元器件行業(yè)來講，這是一次難得的市場機遇。根據HEMS的技術需求，打造出高性能、高可靠的元器件產品，才有機會坐享市場紅利。

HEMS這場市場盛宴，誰能“入席”？本文介紹的幾款Murata的產品已經給出了答案。不過，其中蘊含的更多技術奧妙，還需要你細細琢磨。