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IC大未来3:智慧绿能移动

时间:2018-10-14 09:25来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
车联网、燃料电池当红,系统设计&整合看俏

 

交通载具的智慧化与绿能化,带动另一波产业变革与 IC 新机遇。车联网 (V2X) 被某些通信大厂称作"最可靠的感测方式",是与摄影机、雷达 (Radar) 或光达 (LiDAR) 等感测设备互补的一线技术,而非备用 (Redundant) 机制,已正式列入 5G 通信的重点应用;动力能源亦多有创新,除了前面文章所提、从固态电池的奈米复合材料着手外,近年燃料电池 (Fuel Cell) 的关注热度也直线上升。
 
V2X 应用价值:协作、觉察、传信
力倡"万物联网"(IoE) 的高通 (Qualcomm) 主张,5G 将成为统一的联网架构,包括车联网。技术副总裁李维兴认为,5G 在提升行动宽带效能之余,还将实现各种关键任务 (Mission-critical) 服务与大规模物联网 (Massive IoT) 应用;其中,由 3GPP 主导、基于 5G NR 标准的蜂窝车联网 (C-V2X, Vehicle-to-Everything) 通信协议能补充其它传感器的不足,是增进自驾车安全的关键技术,涵盖车与车 (V2V)、车与基础设施 (V2I)、车与行人 (V2P) 以及车与网络 (V2N)。在 LTE Release 14 版本中,3GPP 将 C-V2X 标准分为两大接口。
 
照片人物:Qualcomm技术副总裁李维兴
 
一是面向 V2V / V2I / V2P 应用的直接短距离通信 (PC5),低延迟为其特色,典型用例如下:禁止通过预警 (Do Not Pass Warning)、碍视曲线 (Blind Curve)/本地危险警示 (Local Hazard Warning)、道路工程警示 (Road Works Warning)、十字盲区的路口驾驶辅助 (Intersection Movement Assist, IMA)/弱势道路使用者 (Vulnerable Road Users, VRU) 警示,以及左转防碰撞警示 (Left Turn Assist, LTA);二是锁定 V2N、通过移动基站中继到云端网络的长距离通信 (Uu),适用于车载资通信 (Telematics)、信息娱乐 (infotainment) 和信息安全。
 
例如,基于云端感测分享寻找停车场和充电站,以及交通流量控制、序列警示或前方 1 公里道路危险警示。推出首个全球通用 V2X 通信标准处理器的以色列芯片设计商 Autotalks 表示,车联网可解决安全、移动性和废气排放等三大交通难题;业务开发暨亚太营销副总裁 Ram Shallom 进一步说明,V2X 应用的最大价值在于"CAM"——Cooperative (协作)、Awareness (觉察)、Messages (传信),可预知前方状况并采取必要因应措施。例如,城市十字路口碰撞、邻近车道动态、前车急煞等警示,即使远在 100 公尺或非视线所及转角,也能了如指掌。
 
照片人物:Autotalks业务开发暨亚太营销副总裁 Ram Shallom
 
DSRC 一马当先,C-V2X 蓄势待发
Shallom 指出,基于 IEEE Wi-Fi 的"专用短距通信"(DSRC) 是车联网先驱,日本丰田汽车 (Toyota) 在东京主要交叉路口部署摄影机及 DSRC 结果显示——当摄影机侦测到行人穿越或车辆接近,会传送碰撞警示到 V2X 车机,证实可减少 40% 右转意外,旗下品牌拟于 2021 年后开始大量部署;通用 (GM) 亦计划在 2023 年之前于凯迪拉克 (Cadillac) 车款大量导入;与此同时,欧盟将于今年底落实 DSRC 的施行细则 (Delegated Act),为"C-ROADS 项目"编列 5 亿欧元预算用于部署 DSRC,福斯 (VW) 则抢在 2019 年于所有车款全面采用 WLANp。
 
惟有鉴于 Wi-Fi 有其局限、仅适用于轻型车,电信阵营正积极抢市。相较于 Wi-Fi 一旦车辆移动速度提高,恐导致信号不稳、延迟大;且每年须花费 2.2 亿美元巨资在基础设施,代价高昂;挟着基地台绵密、覆盖广之利,3GPP 在 2017 年中定案基于 LTE 技术的 C-V2X 标准;在高通与福特汽车 (Ford) 携手推动下,预计今年正式导入。5G 汽车通信技术联盟 (5GAA) 日前已在欧洲完成首个 C-V2X 现场演示,最快将于 2020 年完成 LTE-V2X 测试、验证和商转。锁定 C-V2X 发展的还有中国大陆,预计从 2020 年展开部署。
 

图1:V2X 安全架构之组成元素
资料来源:Autotalks提供
 
另一方面,本田 (Honda) 与软银 (SoftBank) 宣布将在 5G 与 V2X 合作。面对 Wi-Fi 与蜂窝通信两大阵营的竞合,车机制造商及汽车厂该怎么选择?一年前,量测仪器厂商即预见此景并对此提出看法:"整体而言,802.11p 覆盖范围小,适用于市区等人口密集处部署。反观高速公路、郊区或乡村等大区域范围,3GPP LTE-V 可能会是较佳的传输方案"(参见:《Anritsu:802.11p、LTE-V 各有所归,情境描述见实力》一文 http://compotechasia.com/a/feature/2017/0811/36357.html)。
 
V2X、V2N 分道独立运行,兼顾成本与安全
英雄所见略同,Autotalks 建议,DSRC+C-V2X (PC5 接口) 双模调制解调器、可跨平台从网络接取设备 (NAD) 解耦 (decoupled),搭配软件升级是最佳途径。特别一提的是,有别于其他业者将 V2X 与 V2N 混用、强制 NAD 连接到蜂窝电信的作法,Autotalks 主张两者独立运行——V2X 用于设备直接通信,可连接全球含 DSRC/PC5 在内的车联网,须将关于安全的部分另行隔绝并通过认证,符合汽车安全完整性等级 (ASIL);而 V2N 专责连接异质网络通信,与 3G/4G/5G (Uu) 连接,用于非关键任务,不受 V2X 保全认证及强制需求规范,属于消费电子产品。
 
图2:将 V2X 与 V2N 捆绑,会增加车联网成本且面临加密资产隔离、运营保险及认证等安全挑战
资料来源:Autotalks提供
 
Shallom 强调,未将 V2X 做领域隔离十分危险,容易被黑客从设备上进行攻击。例如,从网络接口发送假信息触发错误警示,使 V2X 不再受信任,导致车辆被紧急召回,后患无穷。新一代智能车除了车联网议题,谈到废气排放,基于环保考虑、号称"最干净"的氢能燃料电池亦备受瞩目,尤以日本最为积极;根据经济产业省 (METI) 于 2013 年制订的"氢燃料电池车普及策略",日本将在 2020 年东京奥运之前催生 4 万台氢能汽车,终极目标是在 2030 年达 80 万台,而丰田取义"未来"命名的 Mirai,是全球首款商品化的氢能汽车。
 
最干净、"零排放"的氢能,获日本及欧洲大力支持
台湾氢能产业发展联盟理事长黄得瑞表示,台湾已拍板 2035 年机车全面电动化、2040 年汽车全面电动化,为氢能源的发展提供绝佳良机,为数众多的机车大军尤其是很好的切入点,已于台南沙仑绿能科学城试行氢能机车。长远未来,相较于无法全天候供电的太阳能和风能,氢能一年可发电 200 亿度、更具优势,可望加入并网发电行列。然而,氢能真是智能车的未来?事实上,这些年以来,业界对氢能车仍存在以下疑虑:
1.诞生于 2014 年的 Mirai,量产后曾因某些驾驶情境下、长时间开启电门可能导致燃料电池升压超出转换极限而召回更新软件;
2.氢气在制造、压缩和运输的过程中并非全无污染,且转换率、利用率不高;
3.氢气本身易燃、须以高压液态储存,加氢站的储能设备及管线造价不斐、约是目前加油站的 3~5 倍,数量大受限制,不利于能源补给。
 

照片人物:台湾氢能产业发展联盟理事长黄得瑞
 
不过,欧洲对于氢能依然表达支持态度。欧盟所启动的《欧洲零排放车队》(ZEFER) 项目,拟于 2017 年 9 月至 2022 年 9 月的五年期间,在巴黎、伦敦和布鲁塞尔部署 180 辆燃料电池电动车 (FCEV),旨在推动其他城市的 FCEV 销售,进而改善为专属车队提供的氢气加油站 (HRS) 服务用例;另将于 2040 年起停止销售汽、柴油车,并于 2050 年实现"零排放"的英国,亦决议于今年初拨款 880 万英镑以扩建氢能车的加氢站设施。
 
氢能燃料电池模块:重量轻、体积小、充电快
北爱尔兰大型巴士及客车车身供货商 Wrightbus 公司从动力模块的角度分析:氢能的电子组件与电动车相差无几、不须大幅改弦易辙,但在重量、体积和充电时间表现明显优于电动车。发展电池堆 (FC Stack)、水热平衡 (BOP)、储氢、氢能系统及工程服务多年的亚太燃料电池科技说明,燃料电池其实不是电池,而是一种发电机;市场营销部项目经理林淳蓉解释,氢能车的作用原理是藉由氢气和氧气电化学反应产生电能、发动车辆,氢气来源有二:一是从化石燃料或钢铁、纸浆工业副产品纯化 (purify) 而来,二是从太阳能、风能等再生能源加水产生。
 
图3:氢能燃料电池应用范畴
资料来源:亚太燃料电池科技提供
 
亚太燃料电池科技已成功将质子交换膜燃料电池技术 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 应用在机车,于 2012 年已在台湾完成挂牌测试并在垦丁展开全球首次 80 辆大规模燃料电池机車示范运行;经路测实证后,亚太燃料电池科技回归系统供货商定位、专注于燃料电池系统的设计与整合,并与机车/轻型车辆或发电机制造商结盟,朝经济规模产量前进。诚如沙仑绿能科学城筹备办公室组长暨资深研究员蓝兆禾博士所说:交通载具是氢能首要目标市场,而予以电池化储能的环节是最大成本所在。亚太此举将有利于拓展氢能车市场。
 
着眼于"氢可被金属氢化物吸收、脱附,供数千次循环重复使用且可固态存储"的特性,在全球取得 167 项专利的亚太燃料电池科技,正致力推广低压储氢基础设施。除争取广设加氢站,还希望通过在超商等连锁经销网定点设置"高体积密度之 1MPa 低压储氢罐"交换站,以"换电"方式增加使用便利性。林淳蓉指出,高压、低压的氢能供给有不同操作策略,互为表里——高压面向小客车和巴士,隶属城市层级,法规相对严格;低压瞄准轻型机车和迷你车,着重郊区移动性与"配送容易性"。他们的储氢罐已通过 ISO 16111 认证,确保燃烧、落地、泄漏、氢循环和应变量测,以及截止阀冲击等多项测试皆安全无虞。
 
图4:低压氢能基础设施
资料来源:亚太燃料电池科技提供

 

 

(责任编辑:homey)
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