基于 PC 的控制技术和 EtherCAT 总线在电动汽车换电站中的应用

中国电动汽车制造商蔚来汽车致力于通过提供高性能的智能电动汽车与极致用户体验，为用户创造愉悦的生活方式。蔚来旗下的 NIO Power 能源服务系统可为车主提供全场景化的加电服务，它使用倍福基于 PC 的控制技术确保蔚来第二代换电站的安全和高效运行。

蔚来汽车是一家全球化的智能电动汽车公司，于 2014 年 11 月 25 日正式成立，蔚来旗下在售车型包括智能电动旗舰 SUV ES8、智能电动全能 SUV ES6、智能电动轿跑 SUV EC6、智能电动旗舰轿车 ET7，以及智能电动轿跑 ET5。蔚来旗下产品还包括 NIO Power，它是一款依托蔚来能源云技术，通过蔚来移动充电车、充电桩、换电站和道路服务团队，为用户提供全场景加电服务的能源服务体系。蔚来在第二代换电站中采用了倍福基于PC的控制技术，包括 CX5130 嵌入式控制器、强大的 TwinCAT 3 软件平台、高速 EtherCAT 现场总线及相应的 EL 系列 I/O 端子模块。倍福技术具有标准化、开放性和兼容性优势，加上快速专业的技术支持服务，为换电站安全和高效的运行保驾护航。

直接更换电池，无需等待充电

电动汽车大多放在家里或办公室充电，但充电耗时较长。随着全球新能源汽车销售比重的不断上升，尤其是在中国，里程焦虑、补能焦虑和购置成本依然是消费痛点。因此，更换电池是比现场充电更有优势的解决方案。

蔚来是国内换电模式的先驱与推动者，为了实现换电，在车辆设计之初，蔚来便将电动汽车的车身和电池包分开，确保换电便利，统一电池规格，铺设换电站。蔚来用户将距离换电站 3 公里以内的住宅称为“电区房”。蔚来的目标是争取到 2025 年，90% 的用户住房都能变成“电区房”。2021 年底，蔚来换电站总数已经超过 700 座；2022 年到 2025 年，蔚来计划在中国市场每年新增 600 座换电站。到 2025 年底，蔚来换电站全球总数将超 4000 座，其中中国以外市场的换电站约 1000 座。

蔚来第二代换电站拥有超过 1400 项专利，为用户提供极致加电体验，满电出发仅需要一首歌的时间。每次换电都会进行三电自检，确保整车和电池始终处于最佳状态。当电动汽车需要进行换电时，待换电的电动汽车停放在换电平台的停车底座上。经过汽车定位系统定位后，通过举升装置将电动汽车举升到一定高度。换电系统从充电平台获取充满电的动力电池，移动到电动汽车下方，进行电池更换，然后将取下的低电量电池送入充电平台开始充电。整个换电过程都由倍福基于 PC 的控制系统进行控制和监测，控制系统与上层云服务系统进行通信与信息交互，实时传递站点当前车辆及设备的状态信息。

高性能硬件和软件助力实现高速通信

蔚来在第二代电池更换站中采用了 CX5130 嵌入式控制器、TwinCAT 3 软件平台、EtherCAT 端子模块和超高速 EtherCAT 通信。适合 DIN 导轨安装、搭载双核处理器的无风扇型嵌入式控制器 CX5130 用于处理数百个 I/O 信号，同时控制换电站中的多个伺服轴。嵌入式控制器配备的 1 秒钟 UPS 功能用于在掉电情况下备份持久性系统关键数据。CX5130 采用宽温设计，运行和存储温度分别为 -25…+60 °C 和 -40…+85 °C，满足北方寒冷以及南方炎热的各种极端环境。蔚来非常欣赏 TwinCAT 具有的高度开放性和兼容性特点。这样就可以安装当前主流的数据库软件，通过 TwinCAT Database Server 存储换电站的运行数据。TwinCAT 3 集成在 Visual Studio® 中，支持 IEC61131-3 面向对象编程，也支持通过 C/C++ 和使用 MATLAB^®/Simulink^® 进行编程。

由于 TwinCAT 是一个具有 PLC 和 NC PTP 功能的模块化软件平台，为在同一台 CX5130 嵌入式控制器上实现 PLC 和运动控制提供了一个集成式解决方案，运动控制和逻辑控制之间的数据交换更直接、快速。TwinCAT NC PTP 支持基于 PLCopen 的标准化运动控制功能块，具有多轴耦合联动和凸轮等功能，最多可控制 255 根伺服轴。因此，TwinCAT 3 NC PTP 比传统的运动控制器更加灵活和强大。TwinCAT 3 实时核可以实现最快 50 微秒的任务周期，加上高速 EtherCAT 通信总线，确保了换电站众多伺服轴的实时性和同步性要求。TwinCAT 3 Scope View 能够实时监测和记录换电过程中包括伺服轴运动轨迹、力矩大小在内的各种运行数据信息。

EtherCAT 高密度 I/O 模块 EL1809 和 EL2809 使得布局非常紧凑，帮助换电站控制柜节省了大量空间。总而言之，倍福丰富的 I/O 产品线涵盖了所有所需的信号类型。作为全球通信标准，通过 EtherCAT 协议不仅能够使用倍福 I/O 产品系列中的各种接口快速采集和输出信号，而且还可以很方便地集成第三方组件。此外，EtherCAT 总线几乎支持任何网络拓扑结构，包括线型、星型或树型结构等。

结论

“蔚来的第二代换电站有数百个需要监测和控制的数据点，包括车辆的举升和电池的拆卸安装等复杂的工艺过程，它们需要涉及到多轴联动、力矩控制等；以及远程升级和无人值守等操作。”NIO Power 的技术经理郑飞飞介绍道。“换电站采用的是搭载双核 CPU 的 CX5130 嵌入式控制器，加上 TwinCAT 3 软件平台的标准化和模块化设计，满足换电站的多个控制算法任务和数据的采集需求。此外，它还可以集成通用的数据库软件存储高分辨率和大容量的车辆换电过程数据。除了 EtherCAT 之外，还有多种像 Modbus 这样的通用现场总线接口都具有很高的兼容性，便于集成如传感器等第三方设备。其 BOOT 程序的升级方式易于融入到空中下载技术（OTA）系统中，不需要重启换电站中的 CX5130 嵌入式控制器就能完成程序从云端远程升级。良好的事件记录功能便于远程分析和诊断，不需要技术人员前往客户现场，从而节省宝贵的人力成本和时间成本。”郑飞飞经理总结道。