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基于PC的控制技術(shù)和EtherCAT總線在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用
（時(shí)間:2023/3/13 14:32:49）

中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)制造商蔚來(lái)汽車(chē)致力于通過(guò)提供高性能的智能電動(dòng)汽車(chē)與極致用戶體驗(yàn)，為用戶創(chuàng)造愉悅的生活方式。蔚來(lái)旗下的 NIO Power 能源服務(wù)系統(tǒng)可為車(chē)主提供全場(chǎng)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(lái)第二代換電站的安全和高效運(yùn)行。

高速、高性能控制技術(shù)
助力實(shí)現(xiàn)高效可靠操作
蔚來(lái)汽車(chē)是一家全球化的智能電動(dòng)汽車(chē)公司，于 2014 年 11 月 25 日正式成立，蔚來(lái)旗下在售車(chē)型包括智能電動(dòng)旗艦 SUV ES8、智能電動(dòng)全能 SUV ES6、智能電動(dòng)轎跑 SUV EC6、智能電動(dòng)旗艦轎車(chē) ET7，以及智能電動(dòng)轎跑 ET5。蔚來(lái)旗下產(chǎn)品還包括 NIO Power，它是一款依托蔚來(lái)能源云技術(shù)，通過(guò)蔚來(lái)移動(dòng)充電車(chē)、充電樁、換電站和道路服務(wù)團(tuán)隊(duì)，為用戶提供全場(chǎng)景加電服務(wù)的能源服務(wù)體系。蔚來(lái)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(qiáng)大的 TwinCAT 3 軟件平臺(tái)、高速 EtherCAT 現(xiàn)場(chǎng)總線及相應(yīng)的 EL 系列 I/O 端子模塊。倍福技術(shù)具有標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放性和兼容性優(yōu)勢(shì)，加上快速專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支持服務(wù)，為換電站安全和高效的運(yùn)行保駕護(hù)航。
直接更換電池，無(wú)需等待充電
電動(dòng)汽車(chē)大多放在家里或辦公室充電，但充電耗時(shí)較長(zhǎng)。隨著全球新能源汽車(chē)銷(xiāo)售比重的不斷上升，尤其是在中國(guó)，里程焦慮、補(bǔ)能焦慮和購(gòu)置成本依然是消費(fèi)痛點(diǎn)。因此，更換電池是比現(xiàn)場(chǎng)充電更有優(yōu)勢(shì)的解決方案。
蔚來(lái)是國(guó)內(nèi)換電模式的先驅(qū)與推動(dòng)者，為了實(shí)現(xiàn)換電，在車(chē)輛設(shè)計(jì)之初，蔚來(lái)便將電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)身和電池包分開(kāi)，確保換電便利，統(tǒng)一電池規(guī)格，鋪設(shè)換電站。蔚來(lái)用戶將距離換電站 3 公里以內(nèi)的住宅稱(chēng)為“電區(qū)房”。蔚來(lái)的目標(biāo)是爭(zhēng)取到 2025 年，90% 的用戶住房都能變成“電區(qū)房”。2021 年底，蔚來(lái)?yè)Q電站總數(shù)已經(jīng)超過(guò) 700 座；2022 年到 2025 年，蔚來(lái)計(jì)劃在中國(guó)市場(chǎng)每年新增 600 座換電站。到 2025 年底，蔚來(lái)?yè)Q電站全球總數(shù)將超 4000 座，其中中國(guó)以外市場(chǎng)的換電站約 1000 座。
蔚來(lái)第二代換電站擁有超過(guò) 1400 項(xiàng)專(zhuān)利，為用戶提供極致加電體驗(yàn)，滿電出發(fā)僅需要一首歌的時(shí)間。每次換電都會(huì)進(jìn)行三電自檢，確保整車(chē)和電池始終處于最佳狀態(tài)。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)需要進(jìn)行換電時(shí)，待換電的電動(dòng)汽車(chē)停放在換電平臺(tái)的停車(chē)底座上。經(jīng)過(guò)汽車(chē)定位系統(tǒng)定位后，通過(guò)舉升裝置將電動(dòng)汽車(chē)舉升到一定高度。換電系統(tǒng)從充電平臺(tái)獲取充滿電的動(dòng)力電池，移動(dòng)到電動(dòng)汽車(chē)下方，進(jìn)行電池更換，然后將取下的低電量電池送入充電平臺(tái)開(kāi)始充電。整個(gè)換電過(guò)程都由倍福基于 PC 的控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，控制系統(tǒng)與上層云服務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通信與信息交互，實(shí)時(shí)傳遞站點(diǎn)當(dāng)前車(chē)輛及設(shè)備的狀態(tài)信息。

高性能硬件和軟件助力實(shí)現(xiàn)高速通信

蔚來(lái)?yè)Q電站中使用的一臺(tái) CX5130 嵌入式控制器，插接的是 EtherCAT 端子模塊
蔚來(lái)在第二代更換站中采用了 CX5130 嵌入式控制器、TwinCAT 3 軟件平臺(tái)、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(wú)風(fēng)扇型嵌入式控制器 CX5130 用于處理數(shù)百個(gè) I/O 信號(hào)，同時(shí)控制換電站中的多個(gè)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(jì)，運(yùn)行和存儲(chǔ)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(lái)非常欣賞 TwinCAT 具有的高度開(kāi)放性和兼容性特點(diǎn)。這樣就可以安裝當(dāng)前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，通過(guò) TwinCAT Database Server 存儲(chǔ)換電站的運(yùn)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^(guò) C/C++ 和使用 MATLAB®/Simulink® 進(jìn)行編程。
由于 TwinCAT 是一個(gè)具有 PLC 和 NC PTP 功能的模塊化軟件平臺(tái)，為在同一臺(tái) CX5130 嵌入式控制器上實(shí)現(xiàn) PLC 和運(yùn)動(dòng)控制提供了一個(gè)集成式解決方案，運(yùn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)動(dòng)控制功能塊，具有多軸耦合聯(lián)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器更加靈活和強(qiáng)大。TwinCAT 3 實(shí)時(shí)核可以實(shí)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(shí)時(shí)性和同步性要求。TwinCAT 3 Scope View 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和記錄換電過(guò)程中包括伺服軸運(yùn)動(dòng)軌跡、力矩大小在內(nèi)的各種運(yùn)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(hào)類(lèi)型。作為全球通信標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò) 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(hào)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括線型、星型或樹(shù)型結(jié)構(gòu)等。
結(jié)論
“蔚來(lái)的第二代換電站有數(shù)百個(gè)需要監(jiān)測(cè)和控制的數(shù)據(jù)點(diǎn)，包括車(chē)輛的舉升和電池的拆卸安裝等復(fù)雜的工藝過(guò)程，它們需要涉及到多軸聯(lián)動(dòng)、力矩控制等；以及遠(yuǎn)程升級(jí)和無(wú)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(tái)的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計(jì)，滿足換電站的多個(gè)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(kù)軟件存儲(chǔ)高分辨率和大容量的車(chē)輛換電過(guò)程數(shù)據(jù)。除了 EtherCAT 之外，還有多種像 Modbus 這樣的通用現(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(yuǎn)程升級(jí)。良好的事件記錄功能便于遠(yuǎn)程分析和診斷，不需要技術(shù)人員前往客戶現(xiàn)場(chǎng)，從而節(jié)省寶貴的人力成本和時(shí)間成本。”鄭飛飛經(jīng)理總結(jié)道。