PXImc macht HIL-Prüfstände skalierbar

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Im Rahmen des Projekts EEBatt [1] beschäftigt sich die Technische Uni­versität München mit der Erforschung dezentraler Speicher zur effizienten Nutzung erneuerbarer Energien und Unterstützung der Netz­stabilität. Dazu wird ein skalierbarer Aufbau eines Batteriespeichers erforscht und zwecks Validierung gemeinsam mit Industriepartnern als Prototyp aufgebaut. In einem etwa 7m langen Container wird dieser Prototyp zur Demonstration der Skalierbarkeit aus bis zu acht nahezu identischen Untereinheiten bestehen. Er wird in ein Ortsquartier mit hoher regenerativer Einspeisung integriert und im Rahmen eines Feldversuchs evaluiert.

Prüfstandskonzept

Jede Untereinheit, bauartbedingt als Rack bezeichnet, ist ein in sich ab­ge­schlossener Teilspeicher – aufgebaut aus allen notwendigen Kom­ponenten wie Batteriezellen, Batteriemanagementsystem, Energie­management­sys­tem (EMS) und Leistungselektronik.

Eine Komponente, die maßgeblich zur Skalierbarkeit und Modularität bei­trägt, ist das EMS, dessen Aufgabe darin besteht, Leistungsflüsse effizient und batterieschonend auf die einzelnen Racks zu verteilen. Um die Skalier­barkeit zu ermöglichen, ist jedem dieser Racks eine eigene EMS-Einheit zugeordnet. Ihre Aufgabe ist unter anderem die Ansteuerung der Rack-eigenen Leistungselektronik und Kühlung. Außerdem bilden die einzelnen EMS-Einheiten eine Schnittstelle zu einem übergeordneten Speicher-Energie­management­sys­tem, welches für die Koordination der Racks zu­stän­dig ist. Das Speicher-EMS bestimmt im Rahmen der von den Rack-EMS vorgegebenen Betriebsbereiche, welche Leistung jedes einzelne Rack in die Batterien ein- oder ausspeisen soll.

Durch diese Struktur ist es theoretisch möglich, beliebig viele Racks zu einem größeren Speicher zusammenzuschalten. Für die praktische Um­setzung existieren jedoch Grenzen aufgrund der verfügbaren Rechen­leistung oder Übertragungsraten.

Dieser skalierbare und hierarchische Aufbau des EMS folgt einem Ansatz aus der Kybernetik von Stafford Beer, dem sogenannten „Viable System Model“ [2]. Dieses Modell wurde bereits im Fahrzeugbordnetz [3] umgesetzt und wird im Projekt auf Energiespeicher angewendet.

Die vorgestellte Struktur bringt einen komplexen Hardwareaufbau und vielschichtige Softwarealgorithmen mit sich. Beides muss vor der Feld­test­phase validiert werden, wofür der Fachbereich für Energie­wand­lungs­technik einen skalierbaren HIL-Prüfstand für die EMS-Komponenten aufbaut. Darin kommt die im Folgenden beschriebene PXImc-Tech­nologie zum Einsatz. Als zu testende Hardwarekomponenten werden das Speicher-EMS und die Rack-EMS angeschlossen. Das Umfeld und alle anderen Komponenten werden simulativ im Prüfstand dargestellt.

Bild 1: Zwei Systeme sind per PCIe über eine nichttransparente Brücke (NTB) miteinander verbunden. NI, Whitepaper 12523

Mehrere PCI-Systeme koppeln

Moderne HIL-Prüfstande, wie sie in der Automobil-, Flugzeugbranche und auch in anderen Industrieprojekten Verwendung finden, brauchen oft mehr Rechenleistung und I/O-Schnittstellen zum Überwachen, Testen und Simu­lieren als ein einziges Rechensystem zur Verfügung stellen kann. Um trotzdem die Rechenleistung eines Prüfstands skalierbar zu machen, wurde der PXI-Multicomputing-Standard (PXImc) spezifiziert [4]. PXImc erlaubt es dabei, zwei oder mehrere intelligente Systeme über den PCI-Express-Bus (PCIe) miteinander zu verbinden. Eine spezielle Erweiterung des PCI-Standards für messtechnische Anwendungen ist der PXI-Standard (PCI eXtensions for Instrumentation).

PCIe bietet einen hohen Daten­durchsatz von mehreren Gigabyte pro Sekunde und eine geringe Latenz im Bereich von wenigen Mikrosekunden. Somit lassen sich hochgradig deterministische Netzwerke aufbauen, die Rechenleistung für verteilte Simulationen bereitstellen. Zwei voneinander unabhängige Systeme mit jeweils eigenem PCIe-Systembus können jedoch nicht direkt über PCIe verbunden werden. Dies würde allerdings zu Ressourcenkonflikten zwischen den beiden eigenständigen PCI-Bereichen führen, beispielsweise bei Busverwaltung und Endpunkt-Ressourcenvergabe.

Um diese Problematik zu umgehen, müssen beide PCI-Bereiche logisch voneinander getrennt sein. Dies wird mithilfe einer nichttransparenten Brücke (NTB), wie es in Bild 1 dargestellt ist, erreicht. Gleichzeitig wird aber ein Mechanismus bereitgestellt, mit dem bestimmte Daten von einem PCI-Bereich auf den anderen übertragen werden können.

PXImc koordiniert PXI-Systeme

Die Softwareumgebung Veri-Stand von National Instruments bietet bereits ein Add-on zur Integration von PXImc in eine HIL-Landschaft an. Somit lassen sich verteilte Systeme über einen konfigurationsbasierten Ansatz einfach und effizient einrichten. Eine Programmierschnittstelle ist dabei nicht notwendig, was die Integration eines HIL-Prüfstands wesentlich verkürzt.

Aufgrund des Anwendungsfalls und der Möglichkeit, dass sich im Laufe der Forschungsarbeiten neue Hardwareschnittstellen ergeben, bietet es sich an, den Prüfstand skalierbar aufzubauen. Die Mindestanforderung sieht  eine Anbindung von acht Rack-EMS-Einheiten vor. Das heißt, die einzelnen Kompo­nenten von acht Racks, sonstige Bestandteile des Speichercontainers wie Klimaanlage und Sicherheitseinrichtungen sowie die Umwelt des Speicher-EMS, bestehend aus Stromnetz, Erzeuger und Verbraucher, müssen am Prüfstand dar­gestellt und teilweise simulativ abgebildet werden. IO-Karten des Typs PXIe-6363 stellen die dazu nötigen digitalen und analogen Ein- und Ausgänge zur Verfügung.

Bild 2: Zwei PXI-Systeme eines HIL-Prüfstandes werden per PXImc von einem übergeordneten Management­sys­tem koordiniert. NI

Aufgrund der benötigten Echtzeitfähigkeit werden die Simulationsmodelle auf zwei Real-Time-Targets ausgelagert, die per PXImc untereinander Daten austauschen können. Bild 2 zeigt den schematischen Entwurf des HIL-Prüfstands. Ein PXI-System bildet die Batterie­module nach und stellt die Schnittstellen der EMS-Komponenten mit dem Batteriemanagementsystem bereit. Das zweite PXI-System deckt die Schnittstelle zur Leistungselektronik ab und wird mit Simulationsmodellen für Stromnetz, Verbraucher und Erzeuger betrieben. Der PXImc-Standard ermöglicht es hier, Daten zwischen den beiden Systemen ohne nennenswerte Zeitverzögerung auszutauschen und den dort berechneten Simulations­modellen zur Verfügung zu stellen. Somit können die von einer Schnittstellenkarte ermittelten Werte auf zwei Echtzeitrechnern weiterver­arbeitet werden. Die notwendige Synchronisierung der beiden PXI-Sys­teme erfolgt anhand des Standards IEEE 1588.

Die Verwendung von Matlab Simscape stellt sicher, dass die Simulationsmodelle physikalisch korrekt simuliert werden. Ein anfangs vereinfachter Modellaufbau garantiert zunächst die Echtzeitfähigkeit. Mit dem Vorliegen erster Messwerte lassen sich die Modelle im weite­ren Projektverlauf verfeinern. Für eine Auftrennung der Modelle sowie eine Verteilung auf beide PXI-Systeme sind unter Umständen physikalisch bidirektionale Verbindungen zu trennen. Dies wird aktuell durch die „Weak-Dynamic-Methode“ [5] zwischen Leistungselektronik und Batterie-Modell im Gleichstromkreis erreicht.

Wie es weiter geht

Gegenwärtig sind im Projekt stark vereinfachte Simulations­modelle der elektrischen Komponenten wie Leistungselektronik, Batterie und Stromnetz verfügbar. Für diese Modelle hat sich eine notwendige Taktrate von 5 kHz als sinnvoll erwiesen. Damit kann der Leistungselektronikregler eine gleichmäßige Sinusspannung auf der Netzseite erzeugen. Bei derzeitigen Tests der Hardwarekomponenten zeigt sich, dass die Performance des HIL-Systems gerade ausreichend ist. Die angedachte Erweiterung der Simulationsmodelle dürfte ein einzelnes PXI-System jedoch an die Grenzen der Echtzeitfähigkeit bringen, sodass eine Aufteilung der Modelle nötig wird.

Dieses Projekt zeigt, dass der PXI-Multicomputing-Standard im Aufbau eines skalierbaren HIL-Prüfstands für ein Energiemanagementsystem eine ausreichende Performance erzielt. Im weiteren Projektverlauf wird der Prüfstand erweitert und die Modelle werden an Anzahl und Komplexität zunehmen.

Ziel ist es, den Prüfstand nicht nur zum Testen der Hardware, sondern gleichzeitig auch als Simulationsprüfstand für ein kleines Ortsquartier aufzubauen. Dabei werden sich neue Möglichkeiten zur Evaluierung von Modellverteilungen auf dem PXI-System mit Hilfe von PXImc-Schnittstellen ergeben. Weiterhin erfolgen Untersuchungen zur Performance des Gesamtsystems.

Ein Dank richtet sich an das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie, welches die Arbeiten im Rahmen von EEBatt finanziert.

(jwa)