PC-based Control und EtherCAT bei Batteriewechselstationen für Elektrofahrzeuge
Der chinesische Automobilhersteller NIO hat sich das Ziel gesetzt, hochwertige intelligente Elektrofahrzeuge in Verbindung mit einem optimalen Nutzererlebnis anzubieten. Dazu trägt auch das Energiedienstleistungssystem NIO Power bei, das mithilfe von PC-based Control von Beckhoff den sicheren und effizienten Betrieb der Batteriewechselstationen der zweiten Generation von NIO gewährleistet.
NIO Inc. ist ein 2014 gegründeter globaler Anbieter von Elektrofahrzeugen, wie z. B. die SUVs ES8, ES6 und EC6 sowie die Limousine ET7 und das Coupé ET5. Zum Angebot zählt auch das Energiedienstleistungssystem NIO Power, das – basierend auf der NIO Power Cloud – den Fahrzeugnutzern über mobile Ladefahrzeuge, Ladesäulen, Batteriewechselstationen und Straßenserviceteams einen umfassenden Service bereitstellt. Zum Einsatz kommt dabei die PC-basierte Steuerungstechnik von Beckhoff, mit Embedded-PCs CX5130, der leistungsfähigen Softwareplattform TwinCAT 3, dem Highspeed-Feldbus EtherCAT und den entsprechenden I/O-Klemmen der EL-Serie. Aus Sicht von NIO bietet diese Technologie die Vorteile der Standardisierung, Offenheit und hohen Kompatibilität, kombiniert mit schnellem und professionellem technischen Support. Dies gewährleiste den zuverlässigen und effizienten Betrieb der Batteriewechselstationen.
Batterietausch als Alternative zum Vor-Ort-Aufladen
Das Aufladen vor Ort beim Fahrzeugnutzer ist die Hauptmethode, um Elektrofahrzeuge wieder mit Energie zu versorgen. Allerdings erfordert dies in der Regel viel Zeit. Da zudem der Anteil der Leichtelektromobile (Neighborhood Electric Vehicle, NEV) an den verkauften Neufahrzeugen insbesondere in China weiter zunimmt, bleiben die Verbraucherbedenken bzgl. Fahrleistung, Energienachladung und Anschaffungskosten bestehen. NIO sieht daher den Batterietausch gegenüber dem Vor-Ort-Aufladen als vorteilhafte Lösung an.
NIO ist ein Pionier und Förderer des Batterietauschmodells in China. Die Elektrofahrzeuge wurden von Beginn an mit einem von der Karosserie getrennten Batteriepaket konzipiert. Auf diese Weise sind ein einfacher Batterietausch, die Vereinheitlichung der Batteriespezifikationen sowie der Aufbau entsprechender Batteriewechselstationen möglich. Die Kunden bezeichnen laut NIO ihre Wohnsitze im Umkreis von 3 km um die Batteriewechselstation als „Houses on Electric Area“. Um bis zum Jahr 2025 das eigene Ziel zu erreichen, 90 % der Kunden entsprechend zu versorgen, soll die Ladeinfrastruktur deutlich ausgebaut werden: Nachdem bis Ende 2021 mehr als 700 Batteriewechselstationen gebaut wurden, sind von 2022 bis 2025 in China jährlich 600 weitere Stationen geplant. Bis Ende 2025 soll die Gesamtanzahl der NIO-Batteriewechselstationen weltweit mehr als 4.000 betragen, davon etwa 1.000 außerhalb Chinas.
Mit mehr als 1.400 Patenten bieten die Batteriewechselstationen der zweiten Generation den Nutzern laut NIO ein optimales Ladeerlebnis, bei dem das komplette Aufladen nur die Zeit für das Abspielen eines Liedes benötigt. Bei jedem Batterietausch findet zudem ein Selbsttest mit drei Stromstärken statt, um den Zustand von Fahrzeug und Batterie zu prüfen. Das Elektrofahrzeug muss hierfür lediglich auf der Parkbasis der Batteriewechselplattform abgestellt werden. Nach der korrekten Platzierung durch ein Positionierungssystem wird das Fahrzeug mithilfe einer Hebevorrichtung auf eine bestimmte Höhe angehoben. Das Wechselsystem holt die neue Batterie von der Ladeplattform, fährt diese unter das Elektrofahrzeug, führt den Batterietausch aus und transportiert die entnommene Batterie zur Ladeplattform. Der gesamte Prozess wird durch PC-based Control von Beckhoff gesteuert und überwacht, wobei auch Echtzeitinformationen über den aktuellen Status der Fahrzeuge und Geräte an das übergeordnete Cloud-Service-System übertragen werden.
Performante Hard- und Software mit schneller Kommunikation
In der zweiten Generation der Batteriewechselstationen setzt NIO auf den Embedded-PC CX5130, die Softwareplattform TwinCAT 3, EtherCAT-Klemmen und die ultraschnelle EtherCAT-Kommunikation. Der lüfterlose, hutschienenmontierbare CX5130 mit Dual-Core-Prozessor verarbeitet Hunderte I/O-Signale und steuert die zahlreichen Servoachsen der Wechselstation an. Eine 1-Sekunden-USV sorgt für die zuverlässige Sicherung der persistenten Daten bei Spannungsausfall. Der erweiterte Betriebstemperaturbereich von -25 bis +60 °C und die erweiterte Lagertemperatur zwischen -40 und +85 °C ermöglichen den Einsatz auch in klimatisch anspruchsvollen Umgebungen. TwinCAT zeichnet sich laut NIO durch hohe Offenheit und Kompatibilität aus. So kann die gängige Datenbanksoftware genutzt werden, die über TwinCAT Database Server die Betriebsdaten der Batteriewechselstation speichert. TwinCAT 3 ist in Visual Studio® integriert und unterstützt die Programmierung nach IEC 61131-3, per C/C++ und mit MATLAB®/Simulink®.
TwinCAT bietet als modulare Softwareplattform mit den Funktionalitäten PLC und NC PTP eine durchgängige Lösung für SPS und Motion Control auf einem Embedded-PC. Dadurch gestaltet sich der Datenaustausch zwischen Bewegungs- und Logiksteuerung direkter und schneller. TwinCAT NC PTP unterstützt die standardisierten PLCopen-Motion-Control-Bausteine, bietet zahlreiche Funktionen wie z. B. Mehrachskopplung und Kurvenscheiben mit bis zu 255 Achsen und ist damit nach Aussage von NIO flexibler und leistungsfähiger als herkömmliche Motion-Controller. Dabei können mit kurzen Task-Zyklen und der schnellen EtherCAT-Kommunikation die hohen Echtzeit- und Synchronisationsanforderungen für die zahlreichen Servoachsen einer Batteriewechselstation sichergestellt werden. TwinCAT Scope View überwacht und protokolliert in Echtzeit während des Batteriewechselvorgangs alle Betriebsdaten, einschließlich der Bewegungsprofile der Servoachsen, Trajektorien und Drehmomente.
Die High-Density-(HD-)EtherCAT-Klemmen EL1809 und EL2809 ermöglichen laut NIO ein sehr platzsparendes Layout in den Schaltschränken der Batteriewechselstation. Insgesamt deckt das breite I/O-Spektrum von Beckhoff alle erforderlichen Signalarten ab. EtherCAT ermöglicht als weltweit etablierter Kommunikationsstandard neben der schnellen Signalerfassung und -ausgabe über die große Schnittstellenvielfalt im I/O-Portfolio von Beckhoff auch die einfache Einbindung von Drittkomponenten. Zudem besteht maximale Flexibilität hinsichtlich der Topologiewahl als Linien-, Stern- oder Baumstruktur.
Fazit
„In einer NIO-Batteriewechselstation der zweiten Generation sind Hunderte Datenpunkte zu überwachen und zu steuern. Das Anheben von Fahrzeugen sowie der Aus- und Einbau von Batterien erfordert zudem komplexe Prozesse, wie z. B. Mehrachskopplung und Drehmomentkontrolle, sowie Fern-Updades und einen unbeaufsichtigten Betrieb“, erklärt Zheng Feifei, technischer Leiter von NIO Power. „Der Embedded-PC CX5130 von Beckhoff mit Dual-Core-CPU sowie der standardisierte und modulare Aufbau der Softwareplattform TwinCAT 3 erfüllen die Anforderungen zur Ausführung mehrerer Steuerungsalgorithmen und an die Datenerfassung der Batteriewechselstation. Weiterhin kann gängige Datenbanksoftware integriert werden, um hochauflösende und großvolumige Prozessdaten des Batteriewechsels zu speichern. Zahlreiche Feldbusschnittstellen neben EtherCAT, z. B. für Modbus, bieten eine hohe Kompatibilität und erleichtern die Integration von Drittgeräten wie Sensoren. Die Update-Methode des Boot-Programms ermöglicht eine einfache Integration in Over-the-Air-(OTA-)Systeme sowie Aktualisierungen aus der Cloud heraus, ohne dass der Embedded-PC neu gestartet werden muss. Die hervorragende Funktion zur Ereignisprotokollierung erleichtert die Fernanalyse und -diagnose, sodass unsere Servicetechniker den Kunden nicht mehr vor Ort besuchen müssen. Das spart wertvolle Zeit und Arbeitskosten", so Manager Zheng Feifei abschließend.