高速、高性能控制技術

　　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，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，更換電池是比現場充電更有優勢的解決方案。

　　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，統一電池規格，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 項專利，為用戶提供極致加電體驗，滿電出發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。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 的控制系統進行控制和監測，控制系統與上層云服務系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 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 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據交換更直接、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 比傳統的運動控制器更加靈活和強大。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，幫助換電站控制柜節省了大量空間。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百個需要監測和控制的數據點，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據的采集需求。此外，它還可以集成通用的數據庫軟件存儲高分辨率和大容量的車輛換電過程數據。除了 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場，從而節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 PC、現場總線模塊、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，可為各個工控領域提供開放式自動化系統和完整的解決方案。倍福于1997年進入中國市場，致力于幫助制造企業提升競爭優勢，加速轉型升級。倍福在業內享有“創新引擎”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、互聯網和自動化技術完美融合，助力實現工業 4.0 和智能制造。憑借領先的技術優勢和豐富的行業知識，倍福的創新產品和解決方案廣泛應用于風力發電、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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