Optimierung der Power-Platine: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 7. Februar 2020, 17:42 Uhr

Autor: Anna Blankenstein und Timo Schmidt

Einleitung

Dieser Artikel stellt eine informierende Ergänzung zum Hauptartikel Versorgung dar, um die Problematik der aktuell verbauten Powerplatine darzulegen. Denn während der Analyse der PowerPlatine des AMR2018 im SoS2019 sind mehrere "Designfehler" aufgefallen, welche im folgenden erläutert werden.
Es werden Lösungsvorschläge erarbeitet. Die vollständigen Ergebnisse sind in Versorgung weiter nachzulesen.

Designfehler

Folgende Designfehler sind uns aufgefallen:

Kein Tiefenentladeschutz
- Ein Akku ist aufgrund dessen zu beginn des Semesters defekt gewesen
Durch die Verwendung von THT-Bauteilen ist der Stromverbrauch sehr hoch
Der Ausbau der Akkus ist umständlich und kompliziert

Weiteres Vorgehen

Zuerst wurde nach der Dokumentation für den Tiefenentladeschutz gesucht.
Hierbei stellte sich heraus, dass es sich um ein Missverständnis, bzw. um eine Vertauschung der Begriffe Tiefenentladeschutz und Unterspannungsschutz handelte.
Nach einer Internetrecherche sind wir auf das Projekt 80, den Advanced Discharge Protection Circuit gestoßen. Dieser sollte auf den neusten Schaltplänen des PowerPanels basieren und somit klang dies nach einer schnellen und vielversprechenden Lösung.

Um auch sofort eine SMD-Lösung beim Umbau der Platine zu ermöglichen, sollten in dem Layout die Footprints angepasst werden. Allerdings war die Lösung mit dem Unterspannungsschutz nur in einer Eagle-Version vorhanden. Da der Hochschulstandard sich aber auf Multisim bzw. Ultibord bezieht wurde beschlossen alle Pläne zu übertragen.
Des Weiteren waren einige Bauteile, die in dem Projekt 80 verwendet wurden nicht für die Spannungsbereiche der Akkumulatoren geeignet. Somit musste diese durch passende Bauteile ersetzt werden. Nach der ersten Anpassung wurde erneut eine Verbesserung der Schaltung durchgeführt, um die Platine im aufgebauten Zustand funktionsfähig zu machen.

Umsetzung der PowerPlatine

Zuerst wurde geschaut, welche Teile der Power-Platine schon in Multisim verfügbar sind. Anschließend wurde ein neues Multisim Projekt in diesem Ordner angelegt, wo die Multisim-Datei zu finden ist. Nach der Erstellung der Schaltpläne wurde der jetzt neu eingebaute Unterspannungsschutz implementiert. Nach der Implementierung und dem Aufbau wurden Tests an dem PowerPanel bzw. danach an der angepassten Schaltung auf dem Steckbrett durchgeführt. Die Testberichte sind ihren IDs aus dem Pflichtenheft entsprechend folgendem Ordner zu entnehmen: Testberichte
Des Weiteren wurde der Ansatz des Vorsemesters, den PC-Akku über einen Schalter zu trennen, beibehalten.

Aufbau der Powerplatine

Bearbeiten des Modells

Die hier dargestellten Abbildungen beziehen sich auf die im WS19/20 angepasste PowerPlatine. Nach einer Reihe von Tests wurden Verbesserungen vorgenommen, die in dem Artikel Versorgung (Links weiter unten) eingesehen werden können.

Der Unterspannungsschutz ist nun folgendermaßen implementiert worden:
Der Spannungsregler U6 liefert eine Referenzspannung für den Operationsverstärker. Dieser schaltet seinen Ausgang durch, wenn die Batteriespannung mindestens 14,9 V beträgt. Das durchschalten des OPVs führt dazu, dass der MosFet Q5 durchgängig wird, was wiederum dazu führt, dass der PC, der in diesem Strang angeschlossen ist, mit der Versorgungsspannung der Batterien gespeist wird und hochfährt.
Die Operationsverstärker-Schaltung mit Hysterese sorgt weiterhin dafür, dass beim Unterschreiten der Batteriespannung von 12,6 V der PC ausgeschaltet wird - der OPV-Ausgang wird auf GND gelegt und der MosFet sperrt.

Weiterführende Links

→ zurück zum Hauptartikel Versorgung: Versorgung
→ Artikel: Wartung und Instandhaltung der Akkus
→ Artikel: Fahrzeughardware
→ zurück zum Hauptartikel: Praktikum SDE

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-Autor: [[Benutzer:Pascal_Funke|Pascal Funke]] [[Benutzer:Michael_Menke|Michael Menke]]
+Autor:  [[Benutzer:Anna Blankenstein|Anna Blankenstein]] und [[Benutzer:Timo Schmidt|Timo Schmidt]]
 Betreuer: [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Schneider]]
-Abgabetermin: 08.07.2018
 == Einleitung ==
-Während der Analyse der PowerPlatine des AMR2012 sind mehrere "Designfehler" aufgefallen, welche im folgenden erläutert werden. Es werden Verbesserungs- und Optimierungsvorschläge gemacht .
+Dieser Artikel stellt eine informierende Ergänzung zum Hauptartikel Versorgung dar, um die Problematik der aktuell verbauten Powerplatine darzulegen. Denn während der Analyse der PowerPlatine des AMR2018 im SoS2019 sind mehrere "Designfehler" aufgefallen, welche im folgenden erläutert werden.<br> Es werden Lösungsvorschläge erarbeitet. Die vollständigen Ergebnisse sind in [[Versorgung]] weiter nachzulesen.
 == Designfehler ==
 Folgende Designfehler sind uns aufgefallen:
-* "Querschnittssprünge"
+*Kein Tiefenentladeschutz
-** Die Leiungen, welche vom Akku bereit gestellt werden, haben einen Querschnitt von 2,5mm². Die auf der Platine verlöteten Stecker hingegen haben einen sehr viel geringeren Querschnitt. Sie sind somit nicht für die Verwendung als Leistungsüberträger geeignet.
+**Ein Akku ist aufgrund dessen zu beginn des Semesters defekt gewesen
-:: -> Es wird eine neue Platine mit größeren Steckverbindungen benötigt.
+*Durch die Verwendung von [https://de.wikipedia.org/wiki/Through_Hole_Technology THT-Bauteilen] ist der Stromverbrauch sehr hoch
-* Unterspannungsschutz nur im laufenden Betrieb
+*Der Ausbau der Akkus ist umständlich und kompliziert
-** Da der Hauptschalter nur den Lastteil des Autos von der Spannung trennt, nicht aber den Steuerungsteil, welcher für die Anzeige der Akkukapazität zuständig ist, fließt jeder Zeit Strom über die Widerstände. Die Akkus entladen sich zwangsweise.
-* Doppelt verbaute Funktionen
-** Die Akkuzustandsanzeige ist über viele Widerstände realisiert.´
-:: -> Man könnte den Unterspannungsschutz über einen Abgriff an der Akkuzustandsanzeige realisieren.
 == Weiteres Vorgehen ==
-Das weitere Vorgehen kann in zwei Zeitbereiche Aufgeteilt werden. Die Sofortigen Maßnahmen, welche für das nächste Semester benötigt werden und die Maßnahmen, welche erst in zukünfigten Arbeiten benötigt werden.
+Zuerst wurde nach der Dokumentation für den Tiefenentladeschutz gesucht. <br> Hierbei stellte sich heraus, dass es sich um ein Missverständnis, bzw. um eine Vertauschung der Begriffe Tiefenentladeschutz und Unterspannungsschutz handelte. <br>
-=== Sofortige Änderungen ===
+Nach einer Internetrecherche sind wir auf das [http://193.175.248.52/wiki/index.php/Projekt_80:_Advanced_Discharge-Protection-Circuit Projekt 80], den Advanced  Discharge Protection Circuit gestoßen. Dieser sollte auf den neusten Schaltplänen des PowerPanels basieren und somit klang dies nach einer schnellen und vielversprechenden Lösung. <br>
-Werden noch vor Anfang des nächsten Semesters erlädigen.
+<br> Um auch sofort eine [https://de.wikipedia.org/wiki/Surface-mounted_device SMD]-Lösung beim Umbau der Platine zu ermöglichen, sollten in dem Layout die [https://de.wikipedia.org/wiki/Footprint Footprints] angepasst werden. Allerdings war die Lösung mit dem Unterspannungsschutz nur in einer Eagle-Version vorhanden. Da der Hochschulstandard sich aber auf Multisim bzw. Ultibord bezieht wurde beschlossen alle Pläne zu übertragen. <br>Des Weiteren waren einige Bauteile, die in dem [http://193.175.248.52/wiki/index.php/Projekt_80:_Advanced_Discharge-Protection-Circuit Projekt 80] verwendet wurden nicht für die Spannungsbereiche der Akkumulatoren geeignet. Somit musste diese durch passende Bauteile ersetzt werden. Nach der ersten Anpassung wurde erneut eine Verbesserung der Schaltung durchgeführt, um die Platine im aufgebauten Zustand funktionsfähig zu machen.
-* Schalter so positionieren, dass bei Ausgeschalteten Zustand der Akku vollständig abgetrennt ist
+<!--=== Recherche Anschlüsse ===
-** Keine Tiefenentladung mehr möglich
+Für diese Recherche wurden als erstes die Anforderungen bestimmt und dann eine Internetrecherche Durchgeführt.
-* Neue geeignete Verbindungen recherchieren um die Querschnittsprünge zu vermeiden
+==== Anforderungen Anschlüsse ====
-** Kontaktgröße und Baugröße muss passen
+* Querschnitt wie Leitungen
+** Stromversorgung 2,5mm²
+** Signalleitung 1mm²
+* Baugröße passend zur Platine
+** Position der Anschlüsse muss vorher im Layout bestimmt werden
+* Sicherheit
+** Nur in eine Richtung anschließbar
+** Schutz vor Stromschlägen (Arbeitssicherheit)
+* Anzahl an Kontakten
+** Je nach Anforderung 2 bis 3
+** Überlegung alle Kontakte über einen Anschluss zu legen
-* Sicherung direkt nach dem Schalter verbauen
+==== Internetrecherche ====
+* Phoenix Contact COMBICON MSTBVA
+* https://de.rs-online.com/web/p/leiterplatten-header/1896199/
+** Nennspannung: 12A
+** Sicher: Ja
+** Raster: 5.08mm
+** Baugröße: 12*8,3*7,08 mm
-* Sockel für die LED Anzeigen um diese bei einem Defekt einfacher zu Wechseln
+* Weitere Recherche folgt
-=== Weitere Änderungen für neuere Versionen ===
+* Kabel an der Platine Befestigen und Stecker daran befestigen
-Für Meilenstein 4 oder nachfolgende Semester.
+** Einfacher Zugang zu den Steckern
-* Doppelte Funktion Entfernen
+** Geringerer Platz auf der Platine
-** Unterspannungsschutz über die Anzeige Steuerung realisieren
+** Mehr aufwand-->
-* Beschriftung ins Layout einarbeiten
+== Umsetzung der PowerPlatine ==
+Zuerst wurde geschaut, welche Teile der Power-Platine schon in Multisim verfügbar sind. Anschließend wurde ein neues Multisim Projekt in [https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/AuF/PowerPanel/Schaltpl%c3%a4ne/PowerPanel_Multisim_SS19/ diesem] Ordner angelegt, wo die Multisim-Datei zu finden ist.
-<!-- == Weiteres Vorgehen ==
+Nach der Erstellung der Schaltpläne wurde der jetzt neu eingebaute Unterspannungsschutz implementiert. Nach der Implementierung und dem Aufbau wurden Tests an dem PowerPanel bzw. danach an der angepassten Schaltung auf dem Steckbrett durchgeführt. Die Testberichte sind ihren IDs aus dem Pflichtenheft entsprechend folgendem Ordner zu entnehmen: [https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Testdokumente/Unittests/ Testberichte]<br>
-Zuerst werden Konzeptdateien der PowerPlatine überarbeitet. Die Steckverbindungen werden ersetzt. Da Der Unterspannungschutz im Betrieb funktioniert, wird dieser nicht verändert. jedoch wird der Hauptschalter vor den Lastteil und den Steuerungsteil geschoben. Um den Zeitrahmen nicht zu sprengen wird die neue Platine durch einen WiMa gefertigt.
+Des Weiteren wurde der Ansatz des Vorsemesters, den PC-Akku über einen Schalter zu trennen, beibehalten.
-Nach der Fertigung wird die Platine bestückt und verlötet. Die Platine wird getestet und montiert. Zum Schluss wird das Auto mit der neuen Platine in Betrieb genommen. -->
 == Aufbau der Powerplatine ==
 === Bearbeiten des Modells ===
-Das Multisim Modell ist folgendermaßen bearbeitet worden:
+Die hier dargestellten Abbildungen beziehen sich auf die im WS19/20 angepasste PowerPlatine. Nach einer Reihe von Tests wurden Verbesserungen vorgenommen, die in dem Artikel Versorgung (Links weiter unten) eingesehen werden können.
-[[Datei:PP_alt.png|200px|thumb|left|Alter Zustand]] [[Datei:PP_Neu.png|200px|thumb|left|Neuer Zustand]]
+<!-- <gallery>
-So sind nun alle Elemente, welche über den Akku versorgt werden durch eine Sicherung abgesichert und hardwareseitig Trennbar durch einen mechanischen Schalter.
+File:PP_alt.png|Alter Zustand
+File:PP_Neu.png|Neuer Zustand
+</gallery> -->
+Der Unterspannungsschutz ist nun folgendermaßen implementiert worden:
+[[Datei:Tiefenentladeschutz WS1920.pdf|1000px|normal|Absatz|Abb. 1: Unterspannungsschutz-Schaltung WS19/20]] <br>
+Der Spannungsregler U6 liefert eine Referenzspannung für den Operationsverstärker. Dieser schaltet seinen Ausgang durch, wenn die Batteriespannung mindestens 14,9 V beträgt. Das durchschalten des OPVs führt dazu, dass der MosFet Q5 durchgängig wird, was wiederum dazu führt, dass der PC, der in diesem Strang angeschlossen ist, mit der Versorgungsspannung der Batterien gespeist wird und hochfährt. <br>
+Die Operationsverstärker-Schaltung mit Hysterese sorgt weiterhin dafür, dass beim Unterschreiten der Batteriespannung von 12,6 V der PC ausgeschaltet wird - der OPV-Ausgang wird auf GND gelegt und der MosFet sperrt.
+=== Weiterführende Links ===
+----
+→ zurück zum Hauptartikel Versorgung: [[Versorgung|Versorgung]] <br>
+→ Artikel: [[Wartung_und_Instandhaltung_der_Akkus|Wartung und Instandhaltung der Akkus]] <br>
+→ Artikel: [[Fahrzeughardware|Fahrzeughardware]] <br>
+→ zurück zum Hauptartikel: [[Praktikum SDE|Praktikum SDE]]
 <!--== Anforderungen ==
 * Konzept für die Optimierung
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 * Montage und Inbetriebnahme der fertigen Power-Platine
 * Dokumentieren Sie Ihr Vorgehen und die neue Power-Platine nach wissenschaftlichem Standard.
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 *[[ArduMower:_Simulation_der_Kinematik_eines_Fahrzeugs_mit_drei_R%C3%A4dern|Beispiel-Artikel von Prof. Göbel]]
 *[[ArduMower:_Kartierung_in_Matlab/Simulink|Beispiel-Artikel von Prof. Schneider]]-->
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-→ zurück zum Hauptartikel: [[Wartung_und_Instandhaltung_der_Akkus|Wartung und Instandhaltung der Akkus]]