高速、高性能控制技術

　　助力實現(xiàn)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，于 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云技術，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系。蔚來在第二代換電站中采用了倍福基于PC的控制技術，包括 CX5130 嵌入式控制器、強大的 TwinCAT 3 軟件平臺、高速 EtherCAT 現(xiàn)場總線及相應的 EL 系列 I/O 端子模塊。倍福技術具有標準化、開放性和兼容性優(yōu)勢，加上快速專業(yè)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

　　電動車大多放在家里或辦公室充電，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，里程焦慮、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(xiàn)場充電更有優(yōu)勢的解決方案。

　　蔚來是國內換電模式的先驅與推動者，為了實現(xiàn)換電，在車輛設計之初，蔚來便將電動車的車身和電池包分開，確保換電便利，統(tǒng)一電池規(guī)格，鋪設換電站。蔚來用戶將距離換電站 3 公里以內的住宅稱為“電區(qū)房”。蔚來的目標是爭取到 2025 年，90% 的用戶住房都能變成“電區(qū)房”。2021 年底，蔚來換電站總數(shù)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(shù)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 項專利，為用戶提供極致加電體驗，滿電出發(fā)僅需要一首歌的時間。每次換電都會進行三電自檢，確保整車和電池始終處于最佳狀態(tài)。當電動汽車需要進行換電時，待換電的電動汽車停放在換電平臺的停車底座上。經過汽車定位系統(tǒng)定位后，通過舉升裝置將電動汽車舉升到一定高度。換電系統(tǒng)從充電平臺獲取充滿電的動力電池，移動到電動汽車下方，進行電池更換，然后將取下的低電量電池送入充電平臺開始充電。整個換電過程都由倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)進行控制和監(jiān)測，控制系統(tǒng)與上層云服務系統(tǒng)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(tài)信息。

　　高性能硬件和軟件助力實現(xiàn)高速通信

　　蔚來換電站中使用的一臺 CX5130 嵌入式控制器，插接的是 EtherCAT 端子模塊

　　蔚來在第二代電池更換站中采用了 CX5130 嵌入式控制器、TwinCAT 3 軟件平臺、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制器 CX5130 用于處理數(shù)百個 I/O 信號，同時控制換電站中的多個伺服軸。嵌入式控制器配備的 1 秒鐘 UPS 功能用于在掉電情況下備份持久性系統(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)。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(huán)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(shù)據(jù)庫軟件，通過 TwinCAT Database Server 存儲換電站的運行數(shù)據(jù)。TwinCAT 3 集成在 Visual Studio® 中，支持 IEC61131-3 面向對象編程，也支持通過 C/C++ 和使用 MATLAB®/Simulink® 進行編程。

　　由于 TwinCAT 是一個具有 PLC 和 NC PTP 功能的模塊化軟件平臺，為在同一臺 CX5130 嵌入式控制器上實現(xiàn) PLC 和運動控制提供了一個集成式解決方案，運動控制和邏輯控制之間的數(shù)據(jù)交換更直接、快速。TwinCAT NC PTP 支持基于 PLCopen 的標準化運動控制功能塊，具有多軸耦合聯(lián)動和凸輪等功能，最多可控制 255 根伺服軸。因此，TwinCAT 3 NC PTP 比傳統(tǒng)的運動控制器更加靈活和強大。TwinCAT 3 實時核可以實現(xiàn)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(jiān)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(shù)據(jù)信息。

　　EtherCAT 高密度 I/O 模塊 EL1809 和 EL2809 使得布局非常緊湊，幫助換電站控制柜節(jié)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(xié)議不僅能夠使用倍福 I/O 產品系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

　　“蔚來的第二代換電站有數(shù)百個需要監(jiān)測和控制的數(shù)據(jù)點，包括車輛的舉升和電池的拆卸安裝等復雜的工藝過程，它們需要涉及到多軸聯(lián)動、力矩控制等；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 嵌入式控制器，加上 TwinCAT 3 軟件平臺的標準化和模塊化設計，滿足換電站的多個控制算法任務和數(shù)據(jù)的采集需求。此外，它還可以集成通用的數(shù)據(jù)庫軟件存儲高分辨率和大容量的車輛換電過程數(shù)據(jù)。除了 EtherCAT 之外，還有多種像 Modbus 這樣的通用現(xiàn)場總線接口都具有很高的兼容性，便于集成如傳感器等第三方設備。其 BOOT 程序的升級方式易于融入到空中下載技術（OTA）系統(tǒng)中，不需要重啟換電站中的 CX5130 嵌入式控制器就能完成程序從云端遠程升級。良好的事件記錄記錄功能便于遠程分析和診斷，不需要技術人員前往客戶現(xiàn)場，從而節(jié)省寶貴的人力成本和時間成本。”鄭飛飛經理總結道。

　　關于德國倍福                                        

　　倍福（Beckhoff）公司總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術的驅動者，倍福定義了自動化領域的許多國際標準。公司所生產的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅動產品和TwinCAT自動化軟件構成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。倍福于1997年進入中國市場，致力于幫助制造企業(yè)提升競爭優(yōu)勢，加速轉型升級。倍福在業(yè)內享有“創(chuàng)新引擎”的美譽，公司所倡導的PC控制技術具有良好的開放性，將IT技術、互聯(lián)網和自動化技術完美融合，助力實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造。憑借領先的技術優(yōu)勢和豐富的行業(yè)知識，倍福的創(chuàng)新產品和解決方案廣泛應用于風力發(fā)電、半導體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、物流輸送以及樓宇自控等眾多領域。                                        

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