基于 PC 的控制技术和 EtherCAT 总线 在电动汽车换电站中的应用

文:德国倍福自动化有限公司2023年第二期

  1 高速、高性能控制技术,助力实现高效可靠操作

  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。

  2 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。

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  3 高性能硬件和软件,助力实现高速通信

  蔚来在第二代更换站中采用了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。

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  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。

  4 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。

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