PC-based控制技術和 EtherCAT在電動車換電站中的應用
中國電動汽車製造商蔚來汽車致力於提供高性能的智慧電動汽車與極致用戶體驗，為用戶創造愉悅的生活方式。蔚來旗下的 NIO Power 能源服務系統可為車主提供全場景化的加電服務，它使用倍福PC-based控制技術確保蔚來第二代換電站的安全和高效運行。
蔚來汽車是一家全球化的智慧電動汽車公司，於 2014 年 11 月 25 日正式成立，蔚來旗下在售車型包括智慧電動旗艦 SUV ES8、智慧電動全能 SUV ES6、智能電動轎跑 SUV EC6、智慧電動旗艦轎車 ET7，以及智慧電動轎跑 ET5。蔚來旗下產品還包括 NIO Power，它是一款依靠蔚來能源雲技術，透過蔚來移動充電車、充電樁、換電站和道路服務團隊，為使用者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採用倍福PC-based控制技術，包括 CX5130 嵌入式控制器、強大的 TwinCAT 3 軟體平台、高速 EtherCAT 現場總線及相應的 EL 系列 I/O 端子模組。倍福技術具有標準化、開放性和相容性優勢，加上快速專業的技術支援服務，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
車主大多將電動車放在家裡或辦公室充電，但充電耗時較長。隨著全球新能源汽車銷售比重不斷上升，尤其是在中國，里程、充電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。
蔚來是中國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組分開，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，蔚來計畫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 4,000 座，其中中國以外市場的換電站約 1,000 座。
蔚來第二代換電站擁有超過 1,400 項專利，為用戶提供最佳的充電體驗，僅需要一首歌的時間即可充飽電。每次更換電池都會進行三電自檢，確保車子和電池始終處於最佳狀態。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台的停車底座上。經過汽車定位系統定位後，藉由舉升裝置將電動汽車舉升到一定高度。換電系統從充電平台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，然後將取下的低電量電池送入充電平台開始充電。整個換電過程都由倍福PC-based控制系統進行控制和監測，控制系統與上層雲服務系統進行通訊與資訊交互，即時傳遞網站當前車輛及設備的狀態資訊。
高性能硬體和軟體助力實現高速通訊
蔚來在第二代電池更換站中採用CX5130 嵌入式控制器、TwinCAT 3 軟體平台、EtherCAT 端子模組和超高速 EtherCAT 通訊。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 用於處理數百個 I/O 訊號，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 功能用於在電源故障情況下備份持久性系統關鍵數據。CX5130 採用寬溫設計，運行和存儲溫度分別為 -25至+60 °C 和 -40至+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高度開放性和相容性的特點。這樣就可以安裝當前主流的資料庫軟體，透過 TwinCAT Database Server 存儲換電站的運行數據。TwinCAT 3 整合在 Visual Studio® 中，支持 IEC61131-3 物件導向程式設計，也支持透過 C/C++ 和使用 MATLAB®/Simulink® 進行程式設計。
TwinCAT 是個具備 PLC 和 NC PTP 功能的模組化軟體平台，在CX5130 嵌入式控制器上實現 整合PLC 和運動控制的解決方案，運動控制和邏輯控制之間的數據交換更直接、快速。TwinCAT NC PTP 支援基於 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 即時核可以實現最快 50 微秒的任務週期，加上高速 EtherCAT 通訊，確保了換電站眾多伺服軸的即時性和同步性要求。TwinCAT 3 Scope View 能夠即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。
EtherCAT 高密度 I/O 模組 EL1809 和 EL2809幫助換電站的控制櫃節省大量空間。整體而言，倍福豐富的 I/O 產品線涵蓋了所有所需的訊號類型。EtherCAT作為全球通訊標準，不僅能夠使用倍福 I/O 產品系列中的各種介面快速採集和輸出訊號，而且還可方便地整合協力廠商元件。此外，EtherCAT幾乎支援任何網路拓撲結構，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複雜過程，這些都涉及到多軸聯動、力矩控制等；以及遠端升級和無人值守等操作。」NIO Power 的技術經理鄭飛飛介紹道。「換電站採用的是搭載雙核 CPU 的 CX5130 嵌入式控制器，加上 TwinCAT 3 軟體平台的標準化和模組化設計，滿足換電站的多個控制演算法任務和數據的採集需求。此外，它還可以整合通用的資料庫軟體存儲高解析度和大容量的車輛換電過程資料。除了 EtherCAT 之外，還有多種像 Modbus 這樣的通用現場匯流排界面都具有很高的相容性，便於整合如感測器等協力廠商設備。其 BOOT 程式的升級方式易於整合到空中下載技術（OTA）系統中，不需要重啟換電站中的 CX5130 嵌入式控制器，就能從雲端遠端升級程式。良好的事件記錄功能有助於遠端分析和診斷，不需要技術人員前往客戶現場，進而節省寶貴的人力和時間成本。」鄭飛飛經理總結道。