隨著電力需求的增加,以及環境、商業和立法機構一致要求降低能耗和提高能效,工業系統的供電方式正發生巨大變化。汽車和汽車零組件工廠、資料中心(又稱雲端),以及可再生能源和儲能系統等工業系統正變得、也必須繼續變得更加高效和智慧化。

來看看工業4.0的工廠樣貌

歡迎來到工業4.0(Industry 4.0)時代!工業4.0也被稱為第四次工業革命、工業物聯網(IIoT)和智慧製造,是用來描述實體世界與網路世界匯合的一個術語。圖1簡述了四次工業革命。

20180111NT01P1 圖1 四次工業革命。(圖片來源:LinkedIn)

工業4.0承諾以更少的人為干預提供生產力和效率更高的工廠。電腦和自動化的結合使得網宇實體系統能夠監控工廠的實體程序,並做出分散決策,這一切都是在有很少人工操控的情況下完成。然而,為了實現工業4.0的承諾,這些智慧互連的工廠需要一種更好的新方法來為它們提供動力。回想一下,無論何時將高電壓轉換為低電壓,由於轉換時效率低,總會有一些能量損耗,因此,這種能耗可以透過以下方法來降低:(1)盡可能降低必須轉換電壓的次數;(2)提高此電壓轉換的效率。

例如,Intersil——已被瑞薩(Renesas)收購─推出了一款產品,實現了降壓次數的減少。根據Intersil的文章《Powering Industrial Systems》,他們看到一個產業趨勢是,其客戶正在轉向更高電壓的配電匯流排。傳統上,設計人員是從42V或36V匯流排逐步降低到12V甚至8V中間匯流排,然後再直接降低到負載點(POL)電壓。然而,那些使用更高電壓系統匯流排的設計人員,現在想要取消中間匯流排,直接從48V轉換到POL。

基於這一趨勢,Intersil開發了同步降壓PWM控制器,允許從48V直接降壓轉換到1V POL,並省去DC/DC轉換器,可節省成本,提高可靠性,並將效率提高2~3%。請記住,僅透過加大系統匯流排電壓,隨之所用的電流變小,可進一步降低功耗。

20180111NT01P2 圖2 透過取消中間降壓級來提高能效。(圖片來源:Intersil)

為提高DC/DC轉換效率,Intersil的電源模組利用將DC/DC降壓轉換器完全整合在一個封裝內,降低了功耗。這種全整合包括:轉換器的控制器、功率FET、輸出電感和補償電路。這種設計方法最大限度地減少了外部元件數和轉換器設計本身的複雜性。

改進馬達控制器設計是提高能效和可靠性、支援簡化設計和縮短系統設計階段的另一個領域。安森美半導體(ON Semiconductor)為實現這些目標採取了一種單封裝的整合解決方案(稱為模組)。根據安森美半導體的文章《Motor Drive Modules Support Rapid Design Cycles and Enhanced Efficiency and Reliability》,這些模組已「預先最佳化」,考慮並解決了EMI等重要問題,且透過將所有半導體元件整合到一個封裝內,還緩解了散熱問題,減少了PCB空間。

雖然這種整合模組解決方案有時被市場稱為智慧電源模組(Intelligent Power Module,IPM),但安森美半導體將這些模組稱為Smart Power Module(SPM)。雖然其SPM產品線專為中低功率工業應用而設計,但安森美半導體還提供一系列電源整合模組(PIM),這些模組是針對工業電機控制、不斷電系統(UPS)和太陽能逆變器等大功率工業應用的模組化解決方案。

資料中心和雲端

根據Fortune.com的資料,2010~2014年,資料中心的能量使用量僅成長了4%。與2005~2010年24%的成長相比,4%的成長實際上相當小;而在2000~2005年間,更是增加了90%。然而,令人印象更深刻的是,在2014~2020年間,資料中心的預期能耗將再次僅增長4%。根據美國勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)發表的題為《Data Centers Continue to Proliferate While Their Energy Use Plateaus》的文章,2010~2020年伺服器總量預計將成長40%。因此,4%的能耗成長實際上是個巨大成就。這歸功於大型網際網路公司(如Google、Amazon和Facebook)始終專注於提高資料中心運作效率所做的努力。圖3顯示2000~2020年間的資料中心總電力消耗(預測)。

20180111NT01P3 圖3 資料中心總耗電量與時間對比。(圖片來源:Intersil)

如果你好奇這些網際網路巨頭如何能降低如此多的能耗,無疑,這不是單憑一個想法或一種改進。相反,有許多變化(有些頗具創新性)使得這些可觀的節能成就成為可能,其中包括:

˙新資料中心的設計要求使用外部空氣進行冷卻,而不是使用耗電的空調來冷卻伺服器;

˙資料中心採用了高能效軟體;

˙對伺服器進行專門設計,以在負荷不大時自動切換到低功耗狀態;

˙伺服器需求更少。由於伺服器被設計得功能更強大、效率高得多,各公司採用伺服器虛擬化技術,可以更多地利用每台伺服器的總容量。

根據Fortune.com上刊登的《Data Centers Are No Longer The Energy Hogs They Once Were》文章,Facebook將一些富有想像力的想法(儘管這些想法現在看起來相當平淡無奇)應用到了奧勒岡州(State of Oregon)普林維爾市(Prineville)的資料中心中,這些例子包括:雨水回收、為辦公區提供電能的太陽能裝置、重新利用伺服器產生的熱量來加熱辦公區等功能。

可再生能量和能量儲存

根據美國能源部國家可再生能源實驗室(NREL)的《Renewable Electricity Futures Study》報告,使用目前市場上提供的商用技術,再加上更靈活的電氣系統,到2050年,美國可再生發電產生的電量將佔全美總發電量的80%。如果這項研究結果得以實現,那麼整個產業就會為在工廠中更好地準備好依靠可再生能源。

這裡提到的「準備好」包括準備好應對可能的停電。根據德州儀器(TI)的說法,可再生能源已被證明是未來的重要能量來源,但全天持續供電的問題依然存在。

現在來看能量儲存。使用能量儲存設備,以及可再生能源,即使在接收到的陽光量減少、風力減弱或即使沒風的情況下,也可以保持一致的能量輸送。根據德州儀器的《Battery Management Solutions for Energy Storage Systems》指南,能量儲存系統通常包括兩類應用:應急能量應用和電網儲存應用。德州儀器繼續解釋,應急能量應用只需要備用電源維持很短的一段時間來執行一組任務。相比之下,電網儲存應用需要備用電源維持較長的時間,直到(理想地)恢復主電源為止。為協助客戶(現在和未來)設計自己的電源管理系統,德州儀器提供了《Power Management Guide》。

工廠利用可再生能源(特別是太陽能)的一個很好例子是特斯拉(Tesla)Gigafactory(圖4)。根據TheVerge.com,Gigafactory將使用能夠產生70MW電力的屋頂安裝的太陽能電池陣列;另據Inc.com,Gigafactory將擁有淨零排放和碳中和製造。令人印象深刻!

20180111NT01P4 圖4 特斯拉的Gigafactory的渲染圖,它使用一個70MW屋頂安裝的太陽能電池陣列。(圖片來源:特斯拉)

總結

無論你喜不喜歡,工業系統供電的方法正在發生巨大變化。從工廠到資料中心和雲端運算,再到可再生能源和儲能方案,我們將會看到許多形態,且現在正在見證這些重大變化。這些例子包括使用高效電壓轉換器和整合電源模組、採用高能效軟體,以及使用電源和電池管理指南和元件。

(參考原文: Powering industrial systems: components, intelligence, and efficiency,by Nick Davis)