PowerPanel

Autor: Michael Menke und Pascal Funke

Betreuer: Herr Klein

Einleitung

Der AMR2012 besitzt zur Energieverteilung und zum Schutz der Bauteile sowie der Komponenten ein PowerPanel. Das PowerPanel besitzt einen Unterspannungsschutz, eine Akkukontrollanzeige für die Akkus des Antriebs und des verbauten PCs sowie eine Hauptsicherung, welche das Gesamtsystem schützt. Das Panel ist im System hinter das Frontpanel integriert. Der Akkuzustand kann über einen "Akkutest"-Taster angezeigt werden.

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Funktionsteile des PowerPanel

Das PowerPanel beinhaltet drei Funktionen, den Unterspannungs-Schutzschaltung, die Akkustandsanzeige und die Umschaltung der Stromquellen.

Die Unterspannungs-Schutzschaltung verhindert die Teifenentladung der Akkus.

Akkustandsanzeige gibt eine Angabe über den Ladezustand der Akkus.

Umschaltung der Stromquellen soll zwischen Netzteilbetrieb und Akkubetrieb wechseln.

Unterspannungs-Schutzschaltung

Abb. 1: Unterspannungs-Schutz

In Abb. 1 wird der Schaltplan des Unterspannungsschutz dargestellt.

Die Schaltung besteht aus einem als Komparator geschalteten Operationsverstärker (TL071) mit Hysterese. Das Potential an IC1 Pin6 wird zur Steuerung des picoPSU-Netzteils am Fahrzeug-Computer benutzt. Bei Unterschreiten der Ausschalt-Schwelle von ca. 13V fährt der PC herunter. Bei einer Akku-Spannung von ca. 15V wird das Netzteil wieder frei gegeben und muss manuell gestartet werden. Da der Operationsverstärker vom unipolaren Bordnetz versorgt wird und kein "rail-to-rail"-Typ ist, wurde die Zener-Diode D4 eingefügt, um die positive Restspannung des Operationsverstärker im "low-Zustand" zu unterdrücken. Da die Schaltung hardwaremäßig schon existierte, wurde auf eine Neuauswahl von Bauteilen verzichtet zugunsten der Nutzung vorhandener Strukturen auf der Platine.

Akkustandsanzeige

Abb. 2: LED-Bar Ansteuerung

In der Abb. 2: Wird die LED-Bar Ansterung für die Anzeige des Akkuzustandes verwendet.

Zur Anzeige des Akkustands wurden LED-Bargraphen verwendet, welche mit dem IC LM3914 betrieben werden. Die Kalibrierung des IC LM3914 erfolgt über zwei Potentiometer. Die Potentiometer sind im Schaltplan R5,R7 für den PC Akku und R15,R17 für den Fahrzeug Akku.

Einstellung der Bargraphen läuft wie folgt ab:

1. Höchste Spannung anlegen
2. Potentiometer "oberes Limit" (R7/R17) einstellen, sodass alle LEDs leuchten
3. Niedrigste Spannung anlegen
4. Potentiometer "unteres Limit" (R5/R15) einstellen, sodass die unterste LED leuchtet

Spannungswerte

• PC 13,5 V - 16,8 V
• Fahrzeug 6,2 V - 8,2 V

Umschaltung der Stromquelle

Abb. 3: Umschaltung

In Abb. 3 wird der Schaltplan der Umschaltung dargestellt.

Die Versorgung via Netzteil wird dem Akku vorgezogen, d.h. immer wenn das Netzteil angeschlossen ist, wird der Akku nicht mehr belastet. Zur Lagerung des Autos kann der Hauptschalter ausgeschaltet werden, um die PicoPSU spannungslos zu schalten.

Aufbau des PowerPanels

Das PowerPanel ist im Wintersemester 2018/2019 neu gestaltet, getestet und implementiert worden. Das Layout ist überarbeitet worden in der Form, dass der Schalter, welcher den Akku zuschaltet, vor dem Unterspannungsschutz gesetzt wurde und somit das System den Akku nicht weiter entladen kann wenn dieser Schalter umgelegt wurde. Die Sicherung ist in den Kabelbaum, welcher zur PowerPlatine führt, implementiert worden. Die Designfehler der Vorgänger sind ausgemerzt worden.

In der Abb. 4 wird der Schematische Aufbau des PowerPanels dargestellt.

Abb. 4: Schematische Darstellung des PowerPanels

Aufbau des Platinenlayouts

Nachfolgend ist das Design der neuen PowerPlatine einzusehen. Die Vorderseite ist mit den Treibern der LED Bars und der LED Bars ausgestattet. Auf der Rückseite sind die restlichen Bauteile, wie Widerstände, Kondensatoren und Potentiometer verbaut. Die Abmessungen und Beschriftungen stimmen mit den der alten Platine sowie mit den Maßen des Frontpanels überein.

Abb. 5: Layout des PowerPanels

Aufbau der Platine

Auf den folgenden Abbildungen ist die Vorder- sowie die Rückseite des Panels zusehen. Signifikante Merkmale sind die Aufdickung der Leiterbahnen für die Plus- und die Groundverteilung. Die Anschlussleitungen werden bei der neuen Platine nicht mehr gesteckt, sondern sind fest angelötet. Aufgrund doppelseitiger Auftragung des Lötzinns ist die Haltbarkeit und Festigkeit gesichert. An die verlöteten Leitungen werden Stecker befestigt um ein Ausbau der Platine weiterhin zuermöglichen.

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  Abb. 6: Vorne

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  Abb. 7: Hinten

Anschlüsse

Die Anschlussleitungen sind angelötet. Die Kabel werden vorkonfektioniert mit neuen Steckern, bzw. Buchsen. Nach eingehender Recherche ist der Entschluss gefasst worden, dass bestimmte Leitungen zu einem Stecker zusammengefasst werden können. Die zu verwendenden Stecker sind AMP Superseal von TE Connectivity. Diese sind steckbar, flexibel und haltbar, somit ist die nachträgliche Bearbeitung und das Abbauen der Powerplatine ohne Bedenken möglich. Die Kurzschlussgefahr ist signifikant gemildert worden. Es werden zweipolige und dreipolige Stecker verwendet.

Dokumentation

Die vollständige Dokumentation von Layoutreviews, Testprotokolle und weiteres befindet sich im SVN:

MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation

Bill of Materials

Die BOM für die Bestückung der Platine. Die meisten Teile sind im Lager der Hochschule vorhanden.

Anzahl	Komponenten	Werte
1	Potentiometer	1 kOhm
2	Potentiometer	100 nF
4	Potentiometer	5 kOhm
1	Kondensator	1 nF
2	Kondensator	100 nF
1	Widerstand	10 kOhm
1	Widerstand	39 kOhm
2	Widerstand	2,2 kOhm
3	Wiederstand	10 kOhm
1	Widerstand	10 Ohm
1	Widerstand	560 Ohm
1	Widerstand	6,8 kOhm
2	Wiederstand	1 kOhm
2	Widerstand	4,7 kOhm
2	Widerstand	1,1 kOhm
1	Zenerdiode	7,5 V
1	Zenerdiode	3,3 V
1	Zenerdiode	15 V
2	Schottky Diode	MBR1045G
2	Bargrpah	DC-7G3EWA
2	Bargraph Treiber	LM3914
1	Mosfet	IRF5305
1	Operationsverstärker	TL071ACP

Ist auch als Excel Tabelle im SVN hinterlegt.

Lessons Learned

Lesson Learned

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