實現無線快充/加值服務　Wi-Fi革新EV充電生態系統

EV市場成長快速

汽車電氣化的趨勢正在全球各地蔓延。在減少環境衝擊、降低營運和維護成本，以及政府補貼等多項因素推動下，越來越多的個人和企業開始轉向購買EV，而不是傳統以內燃機驅動的汽車。

此外，汽車製造商的推波助瀾也扮演了很重要的角色，透過積極開發EV車款，更進一步推升了大眾對此技術的需求與接受度。根據ABI Research的預測，到2030年，在路上行駛的車輛，其中大約有10%，總計約1.15億輛，將會是EV。

儘管目前EV的比例仍低，但由於汽車共享、計程車車隊以及出租汽車的利用率較高，將使EV累積里程數的成長會比傳統車輛還快。由於傳統汽車加油站的便利以及範圍廣布，也為EV充電站樹立了很高的標準。要滿足消費者的期望，勢必得擴展EV充電站的部署、加快充電速度，並提升使用者體驗。這可透過更容易找到免費的充電站、簡化計費，以及提供各種的加值服務等方式來實現。

因此，EV充電站的需求將持續上升，預計2018至2023年的複合年成長率將達16.3%。亞太地區在今年成長最快，因為中國的目標是要在其原有約50萬座充電站的基礎上(2017年底已建置完成)，再增加480萬座充電站。而歐盟的目標是到2020年，將公共充電站數量從目前的約14萬座增加到50萬座(圖1)。

下一代充電站支援無線快充

技術進展和新的商業模式將是推動EV市場成長的重要關鍵。現今，EV充電幾乎全部是有線的，使用者須透過插入電源插座來進行充電。在此情況下，充電器是位於車輛中，因此成本是轉移到車輛本身，而不是充電站。

朝更快的直流充電發展是目前的主要趨勢，預計到2030年，公共充電站中將有七成會是以直流充電。更快的充電意味著，駕駛可節省時間，並可在旅途中更輕鬆地為汽車電池充飽電，行駛得更遠。

無線充電站可望能進一步提高EV充電的便利性。除了縮短設置時間之外─駕駛員只須把車停靠在無線充電器上─它們不需要充電電纜，而且因為傳輸能量的磁場不會受到灰塵或水的影響，因此可提高安全性並簡化維護作業。儘管業界對無線充電的效率仍有疑慮，但製造商聲稱，它的效能將能與目前的有線充電相同。ABI Research估計，到2030年，全球無線充電站的數量將超過2,500萬座(圖2)。

Wi-Fi有望改變EV充電生態系統

透過利用Wi-Fi在EV、使用者、以及充電基礎架構之間進行無線通訊，充電站將不僅是充電器而已。在有線(AC/DC)和無線充電設置中，Wi-Fi技術將成為管理充電過程的最有效解決方案。與此同時，它還能為使用者提供各種新服務，包括與使用者的資訊娛樂系統相連、提供有關充電基礎設施的資訊，以及簡化計費等。可預期，Wi-Fi將能為相關業者帶來從競爭中脫穎而出的新方法，並進一步帶動新的商業模式(圖3)。

為什麼選用Wi-Fi

有許多因素使Wi-Fi成為充電站通訊的首選技術。首先，身份驗證和加密能確保充電過程的安全性。此外，由於使用者設備和充電站之間要求一定的接近程度，因此使駭客很難從遠處入侵充電站。Wi-Fi是一種全球標準，而且已成熟運用於智慧型手機中。對製造商來說，這意味著可以輕鬆擴展解決方案，以適用於國際市場，無須再面對區域性認證或網路營運商的問題。它無須授權，消費者可免費使用。而且，它具備點對點通訊能力，使其能獨立於外部的通訊基礎架構。

此外，Wi-Fi已被納入ISO 15118標準中。ISO 15118的內容涵蓋車輛與電網之間的通訊，包括EV與充電站間使用的通訊協定，以便能協調不管是無線或有線的EV充電過程(圖4)。

如何把Wi-Fi設計到EV和充電站中

EV充電解決方案供應商面臨的最主要決策難題是，應如何在其硬體中建構Wi-Fi。是否應單純地把Wi-Fi視為現有有線解決方案的附加功能？或者，它應該更緊密地整合到設計中？此外，EV和充電站對於硬體的要求有何不同？

已看到業者採用各種不同的硬體架構把Wi-Fi功能整合到EV和充電站中。就開發成本和所需的專業知識來看，它們各有不同，此外，公司對其方案保有的自主程度以及可實現的新興使用案例也不盡相似。雖然市場上尚未出現單一的主導架構，但綜觀各種不同的設計案例，主要有以下幾種方式。

有些業者為縮短開發時程，採用獨立式、工業級Wi-Fi通訊模組，以為其現有的有線方案增加Wi-Fi連接性。這些模組具備Wi-Fi軟體堆疊，可提供基本的通訊服務和開箱即用的Wi-Fi存取點。此方法是目前市場上的主流。更積極一點的業者會試圖自行把無線通訊堆疊整合到其硬體中，因此對Wi-Fi模組的要求較低，僅須採用工業級、主機式(Host-based)2.4GHz Wi-Fi模組即可。另外有些業者則是為新興的使用案例預作準備，採用可支援801.11ax或雙核心2.4和5GHz的更先進Wi-Fi模組。

至於EV本身，目前有三種截然不同的方法。其中，有些業者試著利用智慧型手機作為汽車和充電站之間的通訊橋樑。另一種方法是在汽車的車載資訊控制單元(Telematics Control Unit, TCU)上執行EV充電系統。在這些解決方案中，Wi-Fi通訊是由汽車級的主機式Wi-Fi模組來執行的。

第三種解決方案是在專用的EV充電控制器單元上執行EV充電系統，而此控制單元是由基於AUTOSAR的MCU負責管理。要處理Wi-Fi通訊，須透過汽車級獨立式Wi-Fi模組以串列介面來連接。但是，截至目前，市場上還沒有這樣的晶片組。替代之道是利用主機式Wi-Fi模組和專用的MCU來執行Wi-Fi堆疊，以實現Wi-Fi功能。有些製造商正在評估在基於AUTOSAR的MCU上使用SPI或SDIO介面。但目前由於某些架構限制，此方法仍在評估中(圖5)。

實現前瞻性設計　架構成主要關鍵

不管是就短期還是長期發展來看，上述方法都各有其優缺點。例如，把Wi-Fi通訊交給獨立式Wi-Fi模組(在充電站中)的解決方案，可能足以支援初期的應用，如在充電站和EV之間交換充電訊息。然而，當尋求長期應用的可能性時，與把Wi-Fi通訊交給第三方硬體的作法相較，擁有完整Wi-Fi通訊堆疊的EV充電站和EV製造商將更有優勢。舉例來說，若想把解決方案從2.4GHz升級到2.4和5GHz Wi-Fi，但若Wi-Fi模組供應商無法支援此需求，那必定會帶來困擾。

為滿足不同的設計需求，業者如u-blox致力提供廣泛的工業與汽車等級模組，並有多年為工業、汽車、醫療和消費市場提供獨立式和主機式Wi-Fi解決方案的經驗，可為EV充電提供所需的技術和支援。以適用於工業市場的NINA-W1為例，它是2.4GHz頻帶802.11 b/g/n標準的超低功耗Wi-Fi模組，具備安全開機功能，可確保模組只能透過原廠的軟體來開機，以提供頂級的安全性。

針對許多的初期應用，採用獨立式Wi-Fi模組的架構就足夠了。這類模組會將短距離收發器及其軟體堆疊從主機處理器分開。

著手為未來應用打造堅實基礎

但是，若要開發未來的長期應用，主機應用與通訊堆疊之間便需要更緊密的整合。這兩種策略途徑都是具前瞻性的設計。尋求加速產品上市的公司通常會選擇獨立式模組方案；而其他業者則更青睞主機式解決方案，這類解決方案可提供更多的技術自主性，以掌握軟體堆疊的能力。在車輛方面，由於目前缺乏汽車級的獨立式Wi-Fi模組，製造商必須根據架構考量來開發混合或主機式解決方案。

以AUTOSAR環境為基礎建構的解決方案將需要混合架構，其中需要有一個介面連至執行RTOS的MCU，或是在AUTOSAR上進行主機式介面的自訂整合。也有可能，在TCU上的解決方案將需採用主機式Linux或Android架構。

總結來說，在開發初期就投入更多的努力，將能增加更多的技術自主性，因而能獲得更高的專業知識、準備度和靈活性回報。無論最終選擇哪種架構，都必須謹記競爭對手已經著手設計，而且很快地就會把產品推向市場了。因此，與有完整產品組合且在全球各地建立了許多的應用實績，並具備豐富的經驗與技術支援能力的整體解決方案供應商合作，是業者在設計產品時必須考慮的重點，這麼一來方能在新的EV無線充電時代保持領先市場的優勢。

(本文作者為u-blox短距離無線電產品中心資深產品行銷經理)