[发明专利]能源终端芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种能源终端芯片，更具体地涉及用于泛能网的能源终端芯片。

背景技术

提高能源的综合利用效率是实现低碳经济的关键之一。本申请人在中国专利申请201010173519.1和201010173433.9中提出了泛能网的方案，以实现各种能源和物质的智能化和信息化，以及多能源(多种类型的能源和/或来自多个地理位置的能源)的耦合利用、管理和交易服务，其全文内容以引用方式结合在本文中。

泛能网基于系统能效技术，通过能源生产、储存、应用与再生四环节的能量和信息的耦合，形成能量输入和输出跨时域地域的实时协同，实现系统全生命周期的最优化和能量的增效。能效控制系统对各能量流进行供需转换匹配，梯级利用、时空优化、以达到系统能效最大化，最终输出一种自组织的高度有序的高效智能能源。

作为泛能网的基础的终端设备提供了上述四环节的基本功能，并且还包括自身的控制实施单元，提供了自动控制功能和外部通信功能。终端设备的控制实施单元承担着模拟信号采集、转换计算以及控制与决策的任务，包含泛能网最基础的系统传感器和执行器。终端设备的控制实施单元还必须满足低功耗、低成本、小尺寸、结构稳定、环境适应性等性能需求。

可以采用常规的机械计量、热敏的和压敏的电子元件(以下称为“敏感电子元件”)和控制方法来提供终端设备的控制实施单元，如包含无线抄表功能的机械表计、超声波电子计量表计，以及带有自动开关功能家用电器等。

然而，常规的机械计量在使用过程中因为机械老化而出现精度下降的现象，进而造成计量收费上的损失。以天然气的机械式表计和控制系统为例，由于机械老化磨损造成的综合计量/控制损耗在6％以上。以一个中等规模(100万户民用用户，1000个工业用户)为例，每年仅天然气一种能源，因为机械式计量和控制精度造成的经济损失就接近1亿，并且随着时间的推移，会造成越来越多的控制泄露安全隐患和工程维护的工作量。

敏感电子元件可以用来代替机械计量，在泛能网中检测各种物理参数(如温度、浓度、压力、密度等)。然而，敏感电子元件的工作需要消耗电能，从而增加上述终端设备的控制实施单元的功耗，减小设备中包含的电池的使用寿命，提高了设备的运行和维护成本。常规的敏感电子元件的尺寸较大，不能用于检测小区域中的物理参数，并且容易受到来自环境的干扰。而且，常规的敏感电子元件的精度较低。如果希望提高精度，则成本过高。以热敏元件为例，普通精度的热敏电阻的市场售价在0.2元左右，而高精度的PT1K电阻，则市场售价在20～30元人民币。因此，常规的敏感电子元件的尺寸、精度、功耗等方面的局限性，限制了它在泛能终端中的应用。

还可以采用超声波测量装置在泛能网中检测各种物理参数。超声波测量装置的工作原理是：首先主动产生一束超声波；超声波在通过被测介质的时候，其传播速度、方向、相位等特性发生变化；再通过一个可检测超声波传播特性的器件，检测上述变化，最后转换为需要的物理量。然而，针对每一个物理量的测量，都需要额外增加若干个的超声波发射装置，超声波发射装置的成本、尺寸、重量、功耗等往往会占整个设备的50％以上，降低了产品的成本优势。

在现有技术的基于敏感电子元件的测量和控制装置中，物理参数的模拟感知、数字运算、控制与传输是分别由不同的芯片处理。各种芯片提供密封的接口，以导线的方式相互连接，经过A/D转换后进行数值计算。然而，分立的芯片增加了系统的复杂性和装配难度。无论何种原理的敏感电子元件，其测量表面都比较脆弱，很容易受到测量环境的污染，甚至在运输和装配过程中，也极易受到损害，其测量精度则会大打折扣，甚至会影响其使用寿命。并且，模拟信号通过较长导线时容易受到外界的电磁干扰，为了保证信号的可靠度，不得不通过放大信号的方法增强其抗干扰性，这样又增加了功耗。因此，分立的芯片设计在存在着较差的抗干扰性，不能以高精度、可靠的方式长期运行。

以上常规的机械计量、敏感电子元件和超声波测量装置仅仅适用于智能化程度较低、结构单一的现有的能源网络。泛能网的终端设备的控制实施单元需要采用感测和处理多个物理参数，因此必须使用大量的敏感电子元件。泛能网涉及多能源的耦合利用，而且四环节终端设备均应当智有化、数字化，以实现能量流、物质流、信息流相互耦合协同而形成的逻辑智能流。因此，泛能网中采用的敏感电子元件的类型及数量显著增加。常规的机械计量、敏感电子元件和超声波测量装置由于体积大、精度低、抗干扰能力差、可靠性差而不能满足泛能网的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以用作泛能网的终端设备的控制实施单元的能源终端芯片。