ABI Research等研究公司的許多分析師都認為,智慧城市將推動電動車(EV)的普及。未來幾年,隨著智慧技術的發展,整個汽車產業將採取一系列舉措,例如打造只允許電動車進入的零排放區和歷史中心等,以改善城市空氣品質,提高市民生活品質。

全球污染日趨嚴重,一種可行的補救措施是採用綠色能源技術。汽車系統需要導入新技術來改進電源管理裝置,例如採用能量採集技術來提高電動車能效。而電動車技術的廣泛應用也將有助於降低溫室氣體的排放,從而更加有效地利用能源。

從即將出現的智慧城市開始,各種智慧技術的崛起也關注於汽車中整合GPS技術(如Google Traffic)以實現導航的趨勢。在物聯網(IoT)應用中,裝置製造商們致力於實現汽車和智慧型手機之間的直接通訊,讓手機可以接收道路交通的即時資料並與汽車系統共用資訊。

智慧城市

在物聯網的世界中,所有的物件(尤其是感測器)透過無線或有線的方式連接到網際網路。城市中成千上萬的感測器所產生的刺激和資訊在空中傳送,並透過分佈各處的一連串裝置(閘道器)進行擷取。

例如,智慧裝置可以利用感測器和雲端Wi-Fi連接,在家中成員外出時自動調節房間的溫度;還可以利用協力廠商提供的服務(例如雲端服務中的天氣資訊)來預測天氣狀況,並對惡劣天氣下發生的事件及時做出回應。

5G行動通訊預計將於2020年商用,並將成為工業自動化、人工智慧(AI)和整個汽車市場發展的催化劑。5G技術是電信領域發展的一個里程碑,將促進智慧城市的形成,並對其他所有領域產生影響。例如,在智慧城市中,汽車可以與行人的智慧型手機、紅綠燈和其它汽車進行通訊,以預測交通狀況,並避免碰撞或交通事故。德州儀器(Texas Instruments;TI)推出創新的毫米波技術(mmWave)可作為空中傳輸(OTA)交通監控解決方案,能夠測量距離、速度和位置資訊,以確定車輛與十字路口的距離,以及車速和車道使用情況等(圖1)。

Structure of a smart city

圖1:智慧城市結構圖。(圖片來源:Texas Instruments)

許多城市正實施各種計劃,以改善城市環境的永續性、提升能源管理,並透過更好的城市規劃與交通運輸來減少污染。環境與交通是智慧城市專案的重點,智慧城市宣導使用降低對於環境衝擊的車輛、對車輛進出交通雍塞的市中心進行調控,並透過限制車流量、減少廢棄物產生和擴大回收利用,以大幅降低溫室氣體排放。

安全性也是這一新概念必須考慮的因素,對生產者能否充分利用IoT至關重要。典型的安全應用包括元件的驗證、監控和保護、系統完整性,以及資料與通訊的保護。成功實現一項新的服務和可靠技術,還需要充分的IP防護。為了發展適用的安全解決方案概念,設計人員需要基於硬體的解決方案,以保護基礎架構和元件免受攻擊、電子欺詐與破壞。此外,安全憑證(Secure identities)更成為智慧工廠安全概念的關鍵要素。

電動交通

從許多方面來看,電動車均優於採用內燃機的傳統汽車。電動馬達具有更高的效率、更高的扭矩以及更高的性能。

由於電動車和混合動力車(HEV)產生的電流和電壓都非常高,在設計時必須遵守最嚴格的安全標準(例如ISO 26262),以確保汽車的電子元件就算出現任何故障或損壞都不會對乘員造成危險。電動和混合動力車中最常用的電動馬達是永磁同步電動馬達(PMSM),特別具有高效率和高功率密度,即使在低速時也具備出色的扭矩(圖2)。

PMSM engine

圖2:典型的PMSM引擎。(圖片來源:Hanyu Group)

具有高扭矩的PMSM引擎

PMSM引擎具有高扭矩、小尺寸與高能效(約為94%)等特點。為了有效地調節引擎扭矩,基於微控制器(MCU)的控制單元需要在每個控制週期掌握關於馬達相位電流的即時資訊。特別是在扭矩較高的情況下,這些電流可能達到並超過幾百安培。因此,實際應用中一般使用帶電流隔離的變流器(current transformer),並使其位於初級電路(高電流)和次級電路(電子電路)之間。這些轉換器基於霍爾效應(Hall Effect)運作,在次級繞組上提供的輸出電壓與測得的電流成正比(圖3)。

Hall sensor

圖3:霍爾感測器方塊圖。(圖片來源:Allegro)

來自馬達位置和速度感測器的資訊需要發送到微控制器(控制系統的核心)。微控制器通常位於電子控制單元(ECU)內,它可以採用調節演算法並進行相應的檢查,以確保系統正確運作。汽車應用中的最新微控制器可以產生控制馬達所需的所有訊號,並支援多種通訊介面,如CAN、LIN和FlexRay。意法半導體(STMicroelectronics;ST)為汽車應用提供了各種微控制器產品組合,包括基於Power Architecture技術的32位元SPC5系列、8位元STM8A系列和16位元的傳統ST10 MCU(圖4)。Stellar是另一種高性能的32位元系列,具有ARM R52多核心配置,以及創新的內建相變記憶體(PCM),採用28nm FD-SOI製程打造。這些MCU產品主要用於混合動力傳動系統的智慧控制、整合電池充電器的汽車系統的大規模電氣化,以及先進的車輛穩定性控制。

ST MCU ST10F272

圖4:微控制器方塊圖。(圖片來源:STMicroelectronics)

電動交通和區塊鏈

電動車存在一個問題:在長途行駛中,如果沒有可用的充電站,汽車電池的電量將會耗盡。因此,在長途旅行中需要仔細規畫,以確保有可用的充電站,而且必須在每日的行程中留出時間充電。基於區塊鏈(blockchain)的應用讓人們能與他人共用EV電池充電樁,例如最近有一個智慧合約應用就是點對點的EV充電服務。使用EV點對點充電平台,充電樁所有者可以在不使用期間對外開放充電樁,並收取一定費用。如此一來,電動車駕駛人可以就近尋找可用的充電樁,避免電池耗盡。Share&Charge平台即是一個這樣的應用實例,它可以讓充電樁所有人透過手機上的應用程式(app)共用充電樁,並讓電動車駕駛人在該充電樁所屬區域中找到可充電之處。

針對電動交通的設計將持續著眼於實現最高效率,以及降低混合動力車的燃油消耗與功耗。同時,要實現智慧城市的願景,還需要無處不在的充電站和可靠的電網。以提供相同充電功率來看,採用碳化矽(SiC)元件的電動車充電樁具有更小的尺寸。而與尺寸相當的矽晶元件相較,SiC元件還可以在承受更惡劣運作條件(更高的電壓和溫度)的同時提供更高性能。

(參考原文:Smart city and e-mobility: Transforming our automotive life,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於電子技術設計雜誌2019年10月號