Versorgung

Autor: Anna Blankenstein und Timo Schmidt
Betreuer: Prof. Schneider

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Abb. 0: Eingebautes PowerPanel (alte Version der Platine)

Einleitung

Auf dieser Seite werden die einzelnen Teilbereiche der Versorgung des Fahrzeugs beschrieben.

Das Fahrzeug wird über insgesamt drei Akkus versorgt. Ein Akku versorgt die zwei Motoren für die Lenkung und Antrieb und zwei Akkus, die in Reihe geschaltet sind, versorgen den Computer mit Spannung. Diese Akkus sind LiPo Akkus mit zwei Zellen in Reihe und kommen damit auf eine Spannung 8,4V.

Pflichtenheft SoS19 und WS19/20

Die Pflichten des Sommersemesters 19 und des Wintersemesters 19/20 beziehen sich vor allem auf das Prüfen und Verbessern/Optimieren der vorhandenen 'Versorgung'.
Das Powerpanel wurde optimiert, nachdem durch Tests die fehlerhafte Funktion der aktuellen Platine festgestellt wurde, siehe hierfür Optimierung der Power-Platine. Zusätzlich wurde auch ein neues Akku-Konzept entworfen und umgesetzt. Die Pflichten, die in diesem Zusammenhang übernommen und bearbeitet worden sind, können über die folgende Datei vollständig eingesehen werden: Pflichtenheft

Systementwurf

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

Die Unterspannungs-Schutzschaltung sorgt dafür, dass der PC ausgeschaltet wird, wenn die Spannung unter einen bestimmten Wert absinkt. Das neu designte PowerPanel schaltet ab einer Spannung von 12,6 V ab. Ab einer Spannung von 14,9 V wird sich der der PC einschalten lassen.

Die Akkustandsanzeige gibt eine Angabe über den Ladezustand der Akkus. Aufgeteilt in die Akkus für den PC und Motor.

Die Umschaltung der Stromquellen soll zwischen Netzteilbetrieb und Akkubetrieb selbstständig wechseln, wobei die Netzteilversorgung bevorzugt wird.
Hier geht es zu dem Schaltplan (Multisim 14.1).

Unterspannungs-Schutzschaltung

Abb. 1: Unterspannungsschutz-Schaltung

In Abb. 1 wird der Schaltplan des Unterspannungsschutz dargestellt. Dieser zeigt bereits den neuen Schaltplan, der zu diesem Zeitpunkt noch nicht im Fahrzeug umgesetzt wurde.

Die Schaltung besteht aus einem als Komparator geschalteten Operationsverstärker (TL071) mit Hysterese. Bei Unterschreiten der Ausschaltschwelle von 12,6 V wird der PC ausgeschaltet. Bei einer Akkuspannung von 14,9 V wird das Einschalten wieder freigegeben und muss manuell gestartet werden. Der Komparator-Ausgang schaltet oder sperrt den Mosfet Q5; dieser ermöglicht so, dass der PC die benötigte Leistung beziehen kann. Da die Schaltung hardwaremäßig schon existierte, wurde eine Neuauswahl von Bauteilen durchgeführt, um die Funktion zu optimieren und zu verbessern.

Akkustandsanzeige

Abb. 2: LED-Bar Ansteuerung

In der Abb. 2 Wird die LED-Bar Ansteuerung 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 Potenziometer. Die Potenziometer sind im Schaltplan R7,R9 für den PC-Akku und R17, R18 für den Fahrzeug Akku.

Einstellung der Bargraphen läuft wie folgt ab:

1. Höchste Spannung anlegen
2. Potentiometer "oberes Limit" (R5/R17) einstellen, sodass alle LEDs leuchten
3. Niedrigste Spannung anlegen
4. Potentiometer "unteres Limit" (R9/R18) einstellen, sodass die unterste LED leuchtet

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

Bill of Materials

Die BOM für die Bestückung der Platine.

Anzahl	Komponente	Wert
4	Trimmer THT	5 kOhm
3	Stiftleiste gerade
2	Standarddiode S1B DO-214AC	100 V, 1 A
1	Widerstand SMD 1206	100 kOhm
3	Widerstand SMD 1206	47 kOhm
1	Widerstand SMD 1206	22 kOhm
1	Widerstand SMD 1206	10 kOhm
2	Widerstand SMD 1206	4,7 kOhm
2	Widerstand SMD 1206	1,2 kOhm
1	Widerstand SMD 1206	1 kOhm
1	Widerstand SMD 1206	0,5 kOhm (0,47 kOhm)
2	Widerstand SMD 1206	0,1 kOhm
2	Keramik Kondensator	4,7 nF (radial bedr.)
1	Operationsverstärker	TL071CD
2	Schottky Diode	1N5817G
1	MOSFET N Kanal	IRF 8010
1	MOSFET P-Kanal	ZVP 2106A
1	Bipolartransistor	BC329C
2	Sockel	DIP20
2	Sockel	DIP18
1	MOSFET	IRF5305
1	Zener-Diode	BZX85C15
2	Schottky Diode	MBR1045 45 V
2	Bargraph	DC-7G3EWA
2	Bargraph Treiber	LM3914
1	Keramik Kondensator	100 nF (radial bedr.)
1	Festspannungsregler 3,3 V	LF33CV

Ist auch als Excel-Tabelle im SVN hinterlegt (Name: BOM_SMD Layout_SS19.xlsx). Die Materialliste bezieht sich auf das bestückte Panel des WS19/20. Für die verbesserte Schaltung müssen eventuell, wenn nicht im Lager vorhanden, weitere Kondensatoren bestellt werden. Alle übrigen Bauteile stehen in ausreichender Stückzahl weiterhin zur Verfügung.

Aufbau der aktuell verbauten 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.

In der Abb. 5 und 6 wird die Bestückte Platine dargestellt.

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  Abb. 5: Vorne

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  Abb. 6: Hinten

Umschaltung

Die Funktion der Umschaltung zwischen Akkubetrieb und Netzbetrieb. → Des alten PowerPanels (zur Veranschaulichung)
Das folgende Schaubild in Abb. 8 zeigt den schematischen Aufbau des ersten Tests.

Abb. 8: Testaufbau Umschaltung

Das PC-Netzteil wird durch den Funktionsgenerator simuliert. Die Batterie wird durch eine konstante Spannung des Labornetzteils dargestellt. Der Ausgang, welcher normalerweise an das PicoPSU angeschlossen wird, wird an einen Kanal des Oszilloskops angeschlossen. Der zweite Kanal dient als Referenz und wird mit dem Funktionsgenerator verbunden. Der Funktionsgenerator wird auf eine periodische Dreiecksspannung eingestellt, welche eine Hysterese von 18 V aufweist. Das Labornetzteil steht auf einer konstanten Spannung von 12 V. Die in Abb. 9 zusehende Auswertung des Oszilloskops zeigt, dass wenn die Spannung des Netzteils unter 12 V liegt, dann der Ausgang die „Batteriespannung“ liefert. Sobald die Dreiecksspannung wieder über die 12 V der „Batterie“ steigt, schaltet der Ausgang um auf die Spannung des Funktionsgenerators bzw. des „PC-Netzteils“.

Abb. 9: Spannungsverlauf

Bargraphen

Der Akkutest bezieht sich auf die beiden LED-Bars. Es wird getestet, ob die LED-Bars bei vorgegebener Spannung leuchten, bzw. wie viele LEDs bei welcher Spannung leuchten. Die Kalibrierung der LED-Bars ist im Test mit inbegriffen und wird im Verlauf erläutert. Der Test wird mit einem Labornetzteil simuliert, welches zuerst den PC-Akku simuliert und anschließend den Fahrzeugakku. Das folgende Schema zeigt den Aufbau des Tests der LED-Bars für den PC-Akku. Der Test des Fahrzeugakkus ist genauso aufgebaut.

Abb. 13: Testaufbau Bargrahen

Das Labornetzteil wird auf die höchstmögliche Spannung, welche die Batterien annehmen können, eingestellt. Die maximale Spannung liegt bei 16,5 V, wenn alle Akkus komplett vollgeladen sind. Wenn dieser Zustand erreicht ist (im Testfall: Labornetzteil auf 16,5 V) dann müssen alle LEDs der Bar aufleuchten. Um dieses obere Limit zu konfigurieren, muss das Poti „oberes Limit“ justiert werden. Der Widerstand muss so eingestellt werden, dass bei 16,5 V die LEDs aufleuchten. Wenn dieser Zustand hergestellt ist, muss das untere Limit durch das Poti „unteres Limit“ eingestellt werden. Die Spannung des Netzteils wird auf den niedrigsten Wert, welchen der Akku annehmen kann, eingestellt. Dieser liegt bei 13,5 V. Das Poti muss bei dieser Spannung so eingestellt werden, dass nur noch eine LED der Bar leuchtet. Die Kalibrierung des Fahrzeugakkus verläuft genauso, jedoch müssen das obere Limit bei 8,2 V und das untere Limit bei 6,2 V liegen.

Komponententest WS19/20

Die im oben stehenden Test des WS18/19 konnten so bestätigt werden, allerdings hat der vormals beschriebene Tiefenentladeschutz nur die Funktion gehabt, den PC ab einer Schwellspannung herunterzufahren und nicht die Akkus vor einer Tiefentladung zu schützen. Aus diesem Grund wurde beschlossen, die Powerplatine neu zu designen. Dabei werden die Bauteile nach den spezifischen Anforderungen neu ausgewählt, z.T. wird auch SMD-Technik eingesetzt. Dies verspricht kleinere Übergangswiderstände und eine Verbesserung der Funktion der Schaltung. Die Schaltpläne und das Platinenlayout wurden bereits entworfen. Dennoch ist ein Tiefenentladeschutz auch bei dem Neudesign nicht gewährleistet, falls die Akkumulatoren über einen längeren Zeitraum im Fahrzeug verbleiben würden. Es ist daher unbedingt darauf zu achten, nach Abschluss der Arbeiten mit dem Fahrzeug die Akkus herauszunehmen und entsprechend zu lagern.

PowerPanel aus dem SoSe19 und WS19/20

Nachfolgend ist das Design der PowerPlatine zusehen, das im Sommersemester 2019 entworfen wurde. Dies entspricht noch der fehlerhaften Platine und muss für die verbesserte Schaltung angepasst bzw. neu entworfen werden, da einige Bauteile hinzugekommen sind. 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 Potenziometer verbaut. Die Datei in Ultiboard kann an dieser Stelle aus dem SVN geöffnet werden. In Abb. 7 wird das Layout dargestellt.

Abb. 7: Layout des PowerPanels WS19/20

Die neu entworfene Schaltung (SoSe2019) des PowerPanels funktionierte in der Simulation mit Multisim einwandfrei. Nachdem die Platine gefräst und bestückt worden ist im WS19/20 wurde in den anschließenden Tests festgestellt, dass die Funktion nicht der in der Simuation entspricht. Die Versorgungsspannung lässt sich nicht über der entsprechenden Taster einschalten. Der detaillierte Testbericht kann unter folgendem Link eingesehen werden: AuF_005_U_Fehlerhafte_Funktion_PowerPanel_REQ2020

Eine verbesserte Schaltung wurde bereits entworfen und auf einem Steckbrett getestet. Die Umsetzung der verbesserten Schaltung in ein Platinenlayout sowie anschließendes Fräsen und Bestücken der Platine, wird eine Aufgabe der nachfolgenden Semester sein. Besondere Beachtung muss dabei dem Abstand der Bargraphen geschenkt werden, da dieser später darüber entscheidet, ob die Platine in das Fahrzeug eingebaut werden kann. Hier ist eine technische Zeichnung der Blende, nach der das Layout im SoS2019 entworfen wurde. Die Bargraphen waren leicht versetzt, die Zeichnung sollte mithilfe der physischen Blende kontrolliert werden.
Außerdem muss auf die richtige Ausrichtung und Reihenfolge der Bargraphen geachtet werden.
Der Testbericht kann hier eingesehen werden: AuF_006_U_PowerPanel_verbesserte%20Schaltung_REQ2020.xlsx

Hinweise zur Erstellung eines Schaltplans/Platinenlayouts

Am Ende dieses Artikels sind Links zu weiteren Seiten, die sich mit dem Erstellen und Überprüfen von Platinenlayouts befassen (Templates, DRC, ...). Außerdem existiert in dem Ornder im SVN ein Berechnungstool für die Hysterese-Schwellen des OPVs und eine Checkliste für das Erstellen von elektrische Schaltungen und platinenlayouts.

Die wichtigsten Hinweise auf einen Blick:
1. Die Position und die Abstände von Bauteilen - wie der Bargraphen-Anzeigen - sollte gewissenhaft überprüft und berechnet werden. Die Aussparungen in der Blende am Fahrzeug lässt kaum Spielraum für kleine Abweichungen
2. Außerdem muss beim Erstellen des Layouts auf die Bauteilausführungen, Größen, und gleiche Ausrichtung der Bauteile geachtet werden. Auch der Bohrdurchmesser für bedrahtete Bauteile muss unbedingt überprüft werden. → Gerberdaten kontrollieren (auch online möglich)
3. Die Platine sollte in Bereiche gegliedert werden. Z. B. werden Bereiche für die Umschaltung, den Unterspannungs-Schutz und die Bargraphen-Anzeigen abgegrenzt, in denen die dazugehörigen Bauteile platziert werden. So kann auch gewährleistet werden, dass Kondensatoren an ICs in geringstem Abstand platziert werden können. Dies sollte an dieser Stelle immer das Ziel sein, um mögliche Störungen zu minimieren und das Layout übersichtlicher zu gestalten .
4. Begonnen werden sollte mit der Spannungsversorgung (Lagen definieren, Bauteile an die Versrogung anschließen, etc.). Dabei gilt es darauf zu achten, dass Leiterbahnen in einer Baumstruktur gelegt werden. Leiterschleifen sollten unbedingt vermieden werden!
5. Lösungen von anderen kritisch betrachten und hinterfragen. Unter Umständen hilft es Fehler zu vermeiden und neue, eventuell bessere Ansätze zu sehen. 6. Multisim als Simulationstool nicht zu sehr vertrauen → dort werden idealisierte Bauteile verwendet (Alternatives Programm: LT Spice)
7. Die Hochschule hat an diversen Orten/Lagerräumen so ziemlich alles, was man brauchen könnte (SMD, THT, Leitungen, Werkzeuge, ...). Ein Blick lohnt sich, man findet (fast immer) alles was man sucht.

Ansprechpartner neben Herrn Schneider:
Schaltungen/Layout/Bauteile: Herr Marc Ebmeyer
Fräsen der Platine: Herr Ansgar Ramesohl

Zusammenfassung

Die Tests auf dem Steckbrett ergaben: Die Versorgung des PC ist funktionstüchtig. Beim Unterschreiten einer kritischen Spannung wird der PC heruntergefahren.
Die im Sommersemester 19 entworfenen Platine wurde im Wintersemester 19/20 fertiggestellt und anschließend verbessert.
Für den Akku des Fahrantriebs ist eine Tiefenentladeschutz schwierig umzusetzen. Da dort in einer Beschleunigungsphase sehr hohe Ströme fließen. Dort ist es wirtschaftlicher den Akku nach der Benutzung auszubauen.
Von einem Aufladen der Akkus im Fahrzeug wird abgeraten!
Das Akkukonzept aus dem Sommersemester 19 ist in folgendem Artikel nachzulesen.

Lesson Learned

Eine Überprüfung bereits gestester Systeme ist durchaus sinnvoll.
Lösungen von anderen Teams sollten kritisch hinterfragt werden, um eventuelle Fehler oder Verbesserungen zu erkennen, eingeschlossen der des WS19/20.

Ausblick

Im nächsten Semester muss die verbesserte Powerplatine erstellt werden. Dazu gehört das Erstellen des Platinenlayouts, das Fräsen und Bestücken sowie im Anschluss die Tests und der Einbau des Panels in das Fahrzeug.

Anleitungen

Akku Aufladen

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