基於PC的控製技術和EtherCAT總線在電動汽車中的應用-國際節能環保網-行業資訊

高速、高性能控製技術
助力實現高效可靠操作
蔚來汽車是一家全球化的智能電動汽車公司，於 2014 年 11 月 25 日正式成立，蔚來旗下在售車型包括智能電動旗艦 SUV ES8、智能電動全能 SUV ES6、智能電動轎跑 SUV EC6、智能電動旗艦轎車 ET7，以及智能電動轎跑 ET5。蔚來旗下產品還包括 NIO Power，它是一款依托蔚來能源雲技術，通過蔚來移動充電車、充電樁、換電站和道路服務團隊，為用戶提供全場景加電服務的能源服務體係。蔚來在第二代換電站中采用了倍福基於PC的控製技術，包括 CX5130 嵌入式控製器、強大的 TwinCAT 3 軟件平台、高速 EtherCAT 現場總線及相應的 EL 係列 I/O 端子模塊。倍福技術具有標準化、開放性和兼容性優勢，加上快速專業的技術支持服務，為換電站安全和高效的運行保駕護航。
直接更換電池，無需等待充電
電動汽車大多放在家裏或辦公室充電，但充電耗時較長。隨著全球新能源汽車銷售比重的不斷上升，尤其是在中國，裏程焦慮、補能焦慮和購置成本依然是消費痛點。因此，更換電池是比現場充電更有優勢的解決方案。
蔚(wei)來(lai)是(shi)國(guo)內(nei)換(huan)電(dian)模(mo)式(shi)的(de)先(xian)驅(qu)與(yu)推(tui)動(dong)者(zhe)，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)換(huan)電(dian)，在(zai)車(che)輛(liang)設(she)計(ji)之(zhi)初(chu)，蔚(wei)來(lai)便(bian)將(jiang)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)車(che)身(shen)和(he)電(dian)池(chi)包(bao)分(fen)開(kai)，確(que)保(bao)換(huan)電(dian)便(bian)利(li)，統(tong)一(yi)電(dian)池(chi)規(gui)格(ge)，鋪(pu)設(she)換(huan)電(dian)站(zhan)。蔚(wei)來(lai)用(yong)戶(hu)將(jiang)距(ju)離(li)換(huan)電(dian)站(zhan) 3 公裏以內的住宅稱為“電區房”。蔚來的目標是爭取到 2025 年，90% 的用戶住房都能變成“電區房”。2021 年底，蔚來換電站總數已經超過 700 座；2022 年到 2025 年，蔚來計劃在中國市場每年新增 600 座換電站。到 2025 年底，蔚來換電站全球總數將超 4000 座，其中中國以外市場的換電站約 1000 座。
蔚來第二代換電站擁有超過 1400 項(xiang)專(zhuan)利(li)，為(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)極(ji)致(zhi)加(jia)電(dian)體(ti)驗(yan)，滿(man)電(dian)出(chu)發(fa)僅(jin)需(xu)要(yao)一(yi)首(shou)歌(ge)的(de)時(shi)間(jian)。每(mei)次(ci)換(huan)電(dian)都(dou)會(hui)進(jin)行(xing)三(san)電(dian)自(zi)檢(jian)，確(que)保(bao)整(zheng)車(che)和(he)電(dian)池(chi)始(shi)終(zhong)處(chu)於(yu)最(zui)佳(jia)狀(zhuang)態(tai)。當(dang)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)換(huan)電(dian)時(shi)，待(dai)換(huan)電(dian)的(de)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)停(ting)放(fang)在(zai)換(huan)電(dian)平(ping)台(tai)的(de)停(ting)車(che)底(di)座(zuo)上(shang)。經(jing)過(guo)汽(qi)車(che)定(ding)位(wei)係(xi)統(tong)定(ding)位(wei)後(hou)，通(tong)過(guo)舉(ju)升(sheng)裝(zhuang)置(zhi)將(jiang)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)舉(ju)升(sheng)到(dao)一(yi)定(ding)高(gao)度(du)。換(huan)電(dian)係(xi)統(tong)從(cong)充(chong)電(dian)平(ping)台(tai)獲(huo)取(qu)充(chong)滿(man)電(dian)的(de)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)，移(yi)動(dong)到(dao)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)下(xia)方(fang)，進(jin)行(xing)電(dian)池(chi)更(geng)換(huan)，然(ran)後(hou)將(jiang)取(qu)下(xia)的(de)低(di)電(dian)量(liang)電(dian)池(chi)送(song)入(ru)充(chong)電(dian)平(ping)台(tai)開(kai)始(shi)充(chong)電(dian)。整(zheng)個(ge)換(huan)電(dian)過(guo)程(cheng)都(dou)由(you)倍(bei)福(fu)基(ji)於(yu) PC 的控製係統進行控製和監測，控製係統與上層雲服務係統進行通信與信息交互，實時傳遞站點當前車輛及設備的狀態信息。

高性能硬件和軟件助力實現高速通信

蔚來換電站中使用的一台 CX5130 嵌入式控製器，插接的是 EtherCAT 端子模塊
蔚來在第二代更換站中采用了 CX5130 嵌入式控製器、TwinCAT 3 軟件平台、EtherCAT 端子模塊和超高速 EtherCAT 通信。適合 DIN 導軌安裝、搭載雙核處理器的無風扇型嵌入式控製器 CX5130 用於處理數百個 I/O 信號，同時控製換電站中的多個伺服軸。嵌入式控製器配備的 1 秒鍾 UPS 功能用於在掉電情況下備份持久性係統關鍵數據。CX5130 采用寬溫設計，運行和存儲溫度分別為 -25…+60 °C 和 -40…+85 °C，滿足北方寒冷以及南方炎熱的各種極端環境。蔚來非常欣賞 TwinCAT 具有的高度開放性和兼容性特點。這樣就可以安裝當前主流的數據庫軟件，通過 TwinCAT Database Server 存儲換電站的運行數據。TwinCAT 3 集成在 Visual Studio® 中，支持 IEC61131-3 麵向對象編程，也支持通過 C/C++ 和使用 MATLAB®/Simulink® 進行編程。
由於 TwinCAT 是一個具有 PLC 和 NC PTP 功能的模塊化軟件平台，為在同一台 CX5130 嵌入式控製器上實現 PLC 和運動控製提供了一個集成式解決方案，運動控製和邏輯控製之間的數據交換更直接、快速。TwinCAT NC PTP 支持基於 PLCopen 的標準化運動控製功能塊，具有多軸耦合聯動和凸輪等功能，最多可控製 255 根伺服軸。因此，TwinCAT 3 NC PTP 比傳統的運動控製器更加靈活和強大。TwinCAT 3 實時核可以實現最快 50 微秒的任務周期，加上高速 EtherCAT 通信總線，確保了換電站眾多伺服軸的實時性和同步性要求。TwinCAT 3 Scope View 能夠實時監測和記錄換電過程中包括伺服軸運動軌跡、力矩大小在內的各種運行數據信息。
EtherCAT 高密度 I/O 模塊 EL1809 和 EL2809 使得布局非常緊湊，幫助換電站控製櫃節省了大量空間。總而言之，倍福豐富的 I/O 產品線涵蓋了所有所需的信號類型。作為全球通信標準，通過 EtherCAT 協議不僅能夠使用倍福 I/O 產品係列中的各種接口快速采集和輸出信號，而且還可以很方便地集成第三方組件。此外，EtherCAT 總線幾乎支持任何網絡拓撲結構，包括線型、星型或樹型結構等。
結論
“蔚(wei)來(lai)的(de)第(di)二(er)代(dai)換(huan)電(dian)站(zhan)有(you)數(shu)百(bai)個(ge)需(xu)要(yao)監(jian)測(ce)和(he)控(kong)製(zhi)的(de)數(shu)據(ju)點(dian)，包(bao)括(kuo)車(che)輛(liang)的(de)舉(ju)升(sheng)和(he)電(dian)池(chi)的(de)拆(chai)卸(xie)安(an)裝(zhuang)等(deng)複(fu)雜(za)的(de)工(gong)藝(yi)過(guo)程(cheng)，它(ta)們(men)需(xu)要(yao)涉(she)及(ji)到(dao)多(duo)軸(zhou)聯(lian)動(dong)、力矩控製等；以及遠程升級和無人值守等操作。”NIO Power 的技術經理鄭飛飛介紹道。“換電站采用的是搭載雙核 CPU 的 CX5130 嵌入式控製器，加上 TwinCAT 3 軟(ruan)件(jian)平(ping)台(tai)的(de)標(biao)準(zhun)化(hua)和(he)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)，滿(man)足(zu)換(huan)電(dian)站(zhan)的(de)多(duo)個(ge)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)任(ren)務(wu)和(he)數(shu)據(ju)的(de)采(cai)集(ji)需(xu)求(qiu)。此(ci)外(wai)，它(ta)還(hai)可(ke)以(yi)集(ji)成(cheng)通(tong)用(yong)的(de)數(shu)據(ju)庫(ku)軟(ruan)件(jian)存(cun)儲(chu)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)和(he)大(da)容(rong)量(liang)的(de)車(che)輛(liang)換(huan)電(dian)過(guo)程(cheng)數(shu)據(ju)。除(chu)了(le) EtherCAT 之外，還有多種像 Modbus 這樣的通用現場總線接口，都具有很高的兼容性，便於集成如傳感器等第三方設備。其 BOOT 程序的升級方式易於融入到空中下載技術（OTA）係統中，不需要重啟換電站中的 CX5130 嵌qian入ru式shi控kong製zhi器qi就jiu能neng完wan成cheng程cheng序xu從cong雲yun端duan遠yuan程cheng升sheng級ji。良liang好hao的de事shi件jian記ji錄lu功gong能neng便bian於yu遠yuan程cheng分fen析xi和he診zhen斷duan，不bu需xu要yao技ji術shu人ren員yuan前qian往wang客ke戶hu現xian場chang，從cong而er節jie省sheng寶bao貴gui的de人ren力li成cheng本ben和he時shi間jian成cheng本ben。”鄭飛飛經理總結道。