中國電動汽車制造商蔚來汽車致力于通過提供高性能的智能電動汽車與極致用戶體驗，為用戶創(chuàng)造愉悅的生活方式。蔚來旗下的 NIO Power 能源服務(wù)系統(tǒng)可為車主提供全場景化的加電服務(wù)，它使用倍福基于 PC 的控制技術(shù)確保蔚來第二代換電站的安全和高效運行。
高速、高性能控制技術(shù)
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(chǎn)品還包括 NIO Power，它是一款依托蔚來能源云技術(shù)，通過蔚來移動充電車、充電樁、換電站和道路服務(wù)團隊，為用戶提供全場景加電服務(wù)的能源服務(wù)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(shù)，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(yīng)的 EL 系列 I/O 端子模塊。倍福技術(shù)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(shù)支持服務(wù)，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(nèi)換電模式的先驅(qū)與推動者，為了實現(xiàn)換電，在車輛設(shè)計之初，蔚來便將電動汽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(shè)換電站。蔚來用戶將距離換電站 3 公里以內(nèi)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(jīng)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(jīng)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(wù)系統(tǒng)進行通信與信息交互，實時傳遞站點當前車輛及設(shè)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(dǎo)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(guān)鍵數(shù)據(jù)。CX5130 采用寬溫設(shè)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?qū)ο缶幊蹋仓С滞ㄟ^ 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(wù)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?qū)崟r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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，包括線型、星型或樹型結(jié)構(gòu)等。
結(jié)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(fù)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(shù)經(jīng)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(shè)計，滿足換電站的多個控制算法任務(wù)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(shè)備。其 BOOT 程序的升級方式易于融入到空中下載技術(shù)（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。良好的事件記錄功能便于遠程分析和診斷，不需要技術(shù)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(jīng)理總結(jié)道。
關(guān)于德國倍福
倍福（Beckhoff）是一家專注于自動化新技術(shù)的德資企業(yè)，創(chuàng)立于 1980 年，總部位于德國威爾市。作為全球自動化技術(shù)的驅(qū)動者，倍福定義了自動化領(lǐng)域的許多標準，是國際標準的制定者和推動者。公司所生產(chǎn)的工業(yè) PC、現(xiàn)場總線模塊、驅(qū)動產(chǎn)品和 TwinCAT 自動化軟件構(gòu)成了一套完整的、相互兼容的控制系統(tǒng)，可為各個工控領(lǐng)域提供開放式自動化系統(tǒng)和完整的解決方案。經(jīng)過 40 年的發(fā)展和努力，倍福已在世界各地設(shè)立 30 多家分支機構(gòu)，加上全球的合作伙伴，業(yè)務(wù)遍及 70 多個國家和地區(qū)。
倍福于 1997 年進入中國市場，中國區(qū)總部落戶于上海市北高新產(chǎn)業(yè)園區(qū)，現(xiàn)有員工 300 人，辦事處遍及國內(nèi) 30 座大中城市。創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案廣泛應(yīng)用于風力發(fā)電、半導(dǎo)體、光伏太陽能、電子制造、金屬加工、包裝機械、印刷機械、塑料加工、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領(lǐng)域。
公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業(yè)以太網(wǎng)于 2014 年成為中國國家推薦性標準，并已入編工信部的《國家智能制造標準體系建設(shè)指南》。作為一家技術(shù)驅(qū)動型公司，倍福一直注重在技術(shù)上尋求突破創(chuàng)新，在業(yè)內(nèi)享有“創(chuàng)新引擎”的美譽。倍福基于 PC 的控制技術(shù)具有良好的開放性，它支持所有主流的工業(yè)通信協(xié)議，將 IT 技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)完美融合在一起，為實現(xiàn)工業(yè) 4.0 和智能制造奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
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