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智慧城市与电动交通:改变我们的汽车出行

时间:2019-11-14 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
ABI Research等机构的许多分析师都认为,智慧城市将推动电动汽车的普及。未来几年,随着智能技术的发展,整个汽车行业将采取一系列举措,如创建零排放区,只允许电动汽车进入历史中心等,来改善城市空气质量,提高市民生
活质素。

ABI Research等机构的许多分析师都认为,智慧城市将推动电动汽车的普及。未来几年,随着智能技术的发展,整个汽车行业将采取一系列举措,如创建零排放区,只允许电动汽车进入历史中心等,来改善城市空气质量,提高市民生活质素。

全球污染日趋严重,一种可行的补救措施是采用绿色能源技术。汽车系统需要应用新技术来改进电源管理设备,如采用能量收集技术来提高电动汽车(EV)能效。而电动汽车技术的广泛应用也将减少温室气体的排放,从而更加有效地利用能源。

即将出现的智慧城市会采用各种智能技术,如将GPS技术(Google Traffic)集成到汽车中进行导航。在物联网应用中,设备制造商们致力于实现汽车和智能手机之间的直接通信,让手机可以接收道路交通的实时数据并与汽车系统共享信息。

智慧城市

在物联网中,物理世界的对象,尤其是传感器,通过无线或有线的方式连接到互联网。城市中成千上万的传感器所产生的信息在空中传送,这些信息被分布在各处的一系列设备(网关)捕获。

例如,智能设备可以利用传感器和云Wi-Fi连接,自动调节无人房间的温度;还可以利用第三方提供的服务(例如云服务中的天气信息)来预测天气状况,对恶劣天气下发生的事件及时做出响应。

第五代(5G)移动通信预计将于2020年进入市场,成为工业自动化、人工智能和整个汽车市场发展的催化剂。5G技术是电信领域的一个里程碑,将推进智慧城市的形成,并对所有其它领域产生影响。例如,在智慧城市中,汽车可以与行人的智能手机、红绿灯和其它汽车进行通信,预测交通状况,避免出现交通事故。德州仪器推出的创新毫米波技术(mmWave)是一种无线交通监控解决方案,可以测量距离、速度和位置信息,用于确定车辆与十字路口的距离,以及车速和车道占用情况等(图1)。

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图1:智慧城市结构图。(图片来源:德州仪器)

许多城市正通过实施各种项目来改善城市环境,改进能源管理,并通过更合理的城市规划及运输方式来减少污染。环境与交通是智慧城市项目的重点,智慧城市倡导使用对环境影响小的车辆,对进出交通拥塞的市中心的车辆进行调控,通过限流、减少废物产生和扩大回收利用来大幅降低温室气体排放。

安全性也是这一新概念必须考虑的因素,对生产者能否充分利用物联网至关重要。比较典型的安全应用包括元器件的验证、监控和保护,以及系统完整性、数据与通信的保护。要使一项新的服务和可靠技术取得成功,还需要充分的IP防护。设计人员需要基于硬件的适合的安全方案,以保护基础架构和元器件免受攻击、电子欺诈与破坏。另外,安全凭证是智能工厂安全概念的关键要素。

电动交通

从许多方面来讲电动汽车均优于采用内燃机的传统汽车。电动机具有更高的效率、更高的扭矩及更高的性能。

由于电动和混合动力汽车(HEV)产生的电流和电压值都非常高,其设计必须遵守最严格的安全标准(例如ISO 26262),以确保汽车电子元器件出现任何故障或损坏都不会对乘员造成危险。电动和混合动力汽车中最常用的电动机是永磁同步电动机(PMSM),它具有高效率和高功率密度,即使在低速时也具备出色的扭矩(图2)。

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图2:典型的PMSM引擎。(图片来源:汉宇集团)

具有高扭矩的PMSM发动机

PMSM发动机具有高扭矩、小尺寸及高能效(约为94%)等特点。为了有效地调节电动机扭矩,控制单元(基于微控制器)需要在每个控制周期了解关于电动机相位电流的即时信息。这些电流,特别是在扭矩较高的情况下,可能达到并超过几百安培。因此,实际应用中一般使用带电流隔离的电流互感器,并使之位于初级电路(高电流)和次级电路(电子电路)之间。这些转换器基于霍尔效应,在次级绕组上提供的输出电压与测得的电流成正比(图3)。

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图3:霍尔传感器A3423结构框图。(图片来源:Allegro)

来自电动机位置和速度传感器的信息需要发送到微控制器(控制系统的核心)。微控制器通常位于电子控制单元(ECU)内,它可以应用调节算法并做相应的检查,这是系统正确运行所必需的。汽车应用中的最新微控制器可以产生用来控制电动机的所有信号,它具有多种通信接口,如CAN、LIN和FlexRay。意法半导体为汽车应用提供了多种多样的微控制器产品组合,其中包括基于Power Architecture技术的32位SPC5系列、8位STM8A系列和16位传统ST10 MCU(图4)。Stellar是另一种高性能32位ST系列,具有ARM R52多核配置,以及创新的内置相变存储器(PCM),采用28nm FD-SOI工艺制成。这些MCU产品主要用于混合动力系统的智能控制、带电池充电器的汽车系统的大规模电气化,以及先进的车辆稳定性控制。

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图4:ST10F272结构框图。(图片来源:德州仪器)

电动交通和区块链

电动汽车存在一个问题:在长途行驶中,如果没有可用的充电站,汽车电池的电量将会耗尽。因此,在长途旅行中需要仔细计划,以确保有可用的充电站,而且必须在每日的行程中留出时间充电。基于区块链的应用使人们可以与他人共享EV电池充电桩,最近有一个智能合约应用就是点对点EV充电服务。使用EV点对点充电平台,充电桩所有者在不使用充电桩期间可以向其他人开放,并收取一定费用。这样,电动汽车驾驶者可以就近寻找可用的充电桩,避免电池耗尽。Share&Charge平台即是一个这样的应用实例,利用该平台,充电桩所有者可以通过手机上的应用程序共享充电桩,电动汽车驾驶者则在该充电桩所属区域中发现该充电桩。

电动汽车的设计将会继续着眼于实现最高效率及降低混合动力汽车的燃料消耗与功耗。与此同时,要实现智慧城市的愿景,还需要无处不在的充电站和可靠的电网。在提供相同充电功率的情况下,采用SiC器件的电动汽车充电桩具有更小的尺寸。与尺寸相当的硅器件相比,SiC器件可以承受更恶劣的工作条件(更高的电压和温度),同时提供更高的性能。

(原文刊登于ASPENCORE旗下EDN英文网站,参考链接:Smart city and e-mobility: Transforming our automotive life。)


本文为《电子技术设计》2019年11月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里

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