Versorgung

Autor: Michael Menke

Abb. 0: Bestückte Platine

Einleitung

Auf dieser Seite werden die einzelnen Teilbereiche der Versorgung des Fahrzeugs beschrieben. Dazu wird auf das PowerPanel und auf Anleitungen verwiesen.

Anforderung

Die Anfordreungen unterscheiden sich in zwei verschiedene Bereiche und zwar in das Pflichtenheft und das Lastenheft. Dabei wurde die Anforderung im Lastenheft von den Professoren vorgegeben. Diese Anforderung wurde dann im Pflichtenheft erweitert.

Lastenheft

Die Anforderung aus dem Lastenheft wird in Abb. 1 gezeigt.

Abb. 1: Energieversorgung im Lastenheft

Für das Pflichtenheft wurde diese Anforderung noch Erweitert.

Pflichtenheft WS19/19 MS4

Die Anforderungen des Pflichtenheftes gliedern die Anforderungen des Lastenheftes weiter auf. Dabei wurden die Anforderungen vorallem darum erweiter, dass die Akkus des Fahrzeuges durch verschiedene Maßnahmen geschützt werden sollen. Die Anforderungen für das WS18/19 MS4 wurden so gewählt, da das PowerPanel schon bestand und nur erneuert werden sollte. Deswegen befinden sich in den Anforderungen keine Grundlegende Entwicklung.

Spezifikations-ID

Anforderungs-ID

Andorderungs-Titel

Beschreibung der Spezifikation

Arbeitsergebnis

Link zum Ergebnis

Verantwortlich

Umsetzung zum Meilenstein:

Bearbeitungszeitraum

Präsenszeit in Stunden

Status

Absprache mit Prof.

Absprache am

70.50

REQ10.2020

Energieversorgung

Überarbeitung des PowerPanel

PowerPlatine mit Dokumentation

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation

Menke

MS4

01.12.2018 - 18.01.2019

65

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.51

REQ10.2020

Energieversorgung

Auflistung der Fehler

Wiki Artikel und Excel Dokument

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Fehlerliste.xlsx http://193.175.248.52/wiki/index.php/PowerPanel_LessonLearned

Menke

MS4

01.12.2018 - 07.12.2018

3

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.52

REQ10.2020

Energieversorgung

Lösungen

Ergänzung der Fehlerliste mit Lösungsansätze für die Fehler

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Fehlerliste.xlsx http://193.175.248.52/wiki/index.php/PowerPanel_LessonLearned

Menke

MS4

01.12.2018 - 07.12.2018

3

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.53

REQ10.2020

Energieversorgung

Layout Template (Layout nur mit Boardgröße, Schrauben und LED Bars)

PowerPanel_Template.brd im SVN

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Layout/PowerPanel_Template.brd

Menke

MS4

07.12.2018 - 14.12.2018

3

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.54

REQ10.2020

Energieversorgung

Design Rules anpassen und überprüfen

Datei mit Gespeicherten Design Rules oder Dokument mit Auflistung der Einstellungen

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Layout

Menke

MS4

07.12.2018 - 14.12.2018

3

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.55

REQ10.2020

Energieversorgung

Layout Review Alleine

Layout Review Dokument

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Layout/Review

Menke

MS4

20.12.2018

2

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.56

REQ10.2020

Energieversorgung

Layout Review Gruppe

Layout Review Dokument

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Layout/Review

Menke

MS4

21.12.2018

3

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.57

REQ10.2020

Energieversorgung

Bauteile Anschaffen

Bauteile im Lager

Menke

MS4

01.12.2018 - 21.12.2018

2

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.58

REQ10.2020

Energieversorgung

Platine Fräsen lassen

Gefräste Platine

Menke

MS4

21.12.2018 - 03.01.2019

2

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.59

REQ10.2020

Energieversorgung

Kontrolle Gefräste Platine

Abnahme Protokoll

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Abnahme_gefraeste_Platine.pdf

Menke

MS4

04.01.2019

2

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.60

REQ10.2020

Energieversorgung

Platine Bestücken

Bestückte Platine

Menke

MS4

04.01.2019 - 11.01.2019

4

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.61

REQ10.2020

Energieversorgung

Platine Testen

Test Protokoll

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Testberichte

Menke

MS4

04.01.2019 - 11.01.2019

6

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.62

REQ10.2020

Energieversorgung

Platine Einbauen

Eingebaute Platine

Menke

MS4

11.01.2019

2

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.63

REQ10.2020

Energieversorgung

Lesson Learned Artikel erweitern

Wiki Artikel

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Fehlerliste.xlsx http://193.175.248.52/wiki/index.php/PowerPanel_LessonLearned

Menke

MS4

11.01.2019 - 18.01.2019

4

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.64

REQ10.2020

Energieversorgung

Schaltplan optisch verbessern

Angepasster Schaltplan

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Layout/PowerPanel.sch

Menke

MS4

07.12.2018 - 14.12.2018

3

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.65

REQ10.2020

Energieversorgung

Branch/Tag Anlegen für fertiges Layout

Branch/Tag

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/tags/2019_01_01_PowerPanel_Erneutes_Review

Menke

MS4

18.01.2019

2

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.66

REQ10.2020

Energieversorgung

Layout Anpassen

Angepasstes Layout

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Layout/PowerPanel.brd

Menke

MS4

14.12.2018 - 20.12.2018

15

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

70.67

REQ10.2020

Energieversorgung

Eingebaute Platine Testen

Test Protokoll

https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/Teams/PowerPanel/Dokumentation/Testberichte/Funktionstest_nach_Einbau.pdf

Menke

MS4

11.01.2019 - 18.01.2019

4

erledigt

Herr Klein

21.12.2018

Systementwurf

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. 2: Unterspannungs-Schutz

In Abb. 2 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. 3: LED-Bar Ansteuerung

In der Abb. 3: 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. 4: Umschaltung

In Abb. 4 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. 5 wird der Schematische Aufbau des PowerPanels dargestellt.

Abb. 5: Schematische Darstellung des PowerPanels

Umsetzung

Bei der Umsetzung wurde eine Platine mit EAGLE entworfen und gefertigt. Das Tool der Hochschule ist normalerweise Ultiboard, aber nach Rücksprache mit Herrn Kleine wurde gestattet EAGLE zu verwenden, da dieses dem Studenten schon vorher bekannt war.

Des Weitern steht für Studenten EAGLE kostenlos zur Verfügung. Durch den geringen Kontakt zu Ultiboard im Studium ist die Einarbeitungszeit identisch. Bei Problemen mit EAGLE findet man im Internet bei weitem mehr Tutorials und Hilfestellungen als bei Ultiboard. Die benötigten Footprints für die Bauteile gibt es für EAGLE in verschiednen Bibliotheken, bei Ultiboard müssen diese von Hand erstellt werden.

Es gibt noch eine Vielzahl an weiteren Vorteilen EAGLE gegenüber von Ultiboard. Falls die zukünftigen Studenten kein Interesse daran haben EAGLE zu benutzen gibt es die Möglichkeit das EAGLE Layout als Grafik zu exportieren und dann in Ultiboard zu importieren. Dabei müssen dann die Leitungen nachgezeichent werden.

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.

In Abb. 6 wird das Layout dargestellt.

Abb. 6: 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.

In der Abb. 7 und 8 wird die Bestückte Platine dargestellt.

• 

  Abb. 7: Vorne

• 

  Abb. 8: 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.

Komponentest

Die Funkionen wurden einzeln getestet vor und nach dem Einbau.

Umschaltung

Die Umschaltung zwischen Akkubetrieb und Netzbetrieb. Das folgende Schaubild in Abb. 9 zeigt den schematischen Aufbau des ersten Tests.

Abb. 9: 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. 10 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 „PCNetzteils“.

Abb. 10: Spannungsverlauf

Unterspannungsschutz

Der Unterspannungsschutz wird während der Prüfung eingestellt. Das folgende Abb. 11 Schaubild zeigt den schematischen Aufbau der Funktionsprüfung und Konfiguration.

Abb. 11: Testaufbau Unterspannungschutz

Die variierende Batteriespannung wird durch den Spannungsgenerator simuliert. Kanal 1 des Oszilloskops zeigt die Dreiecksspannung, die der Funktionsgenerator ausgibt. Kanal 2 des Oszilloskops wird an den Ausgang „Ignition“ des Powerpanels angeschlossen. Die folgende Auswertung zeigt, dass die Spannung an der Ignitionleitung (Kanal 2, blau) abhängig ist von der Eingangsspannung der „Batterie“. Der Ausgang „Ignition“ ist im Betrieb dafür verantwortlich, dass der PC ordnungsgemäß herunterfährt, sobald die Spannung auf 0 V abfällt. Die Grafik zeigt, dass die Einschaltschwelle (Zeitpunkt, wenn der PC wieder angeschaltet werden kann) bei einer Akkuspannung von 15 V liegt. Die Ausschaltschwelle (Zeitpunkt, wenn der PC sicher herunter fährt) liegt bei 13 V Akkuspannung. Das Poti für den Unterspannungsschutz wurde dementsprechend eingestellt und fixiert. Das folgende Bild zeigt welches Poti gedreht werden muss für die Einstellung.

Abb. 12: 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.

Test nach Einbau

Testverfahren identisch mit den Tests vor dem Einbau. Ergebnisse, wie erwartet, identisch mit Tests vor dem Einbau.

Das PowerPanel ist vollständig Funktionstüchtig.

Ergebnis

REQ10.2020 wurde Erfoglreich erfüllt. Das Fahrzeug wird mit Akkus versorgt, welche sich auf dem Fahrzeug befinden.

Die Akkus werden vor Tiefenentladung geseützt durch das PowerPanel, dieses wurde auch mit Tests nachgewiesen.

Zusammenfassung

Die Anforderungen wurden Erfolgreich umgesetzt, aber die Schaltung kann noch weiter verbessert werden.

Lesson Learned

Diese Fehler wurden bei dem PowerPanel vom Tag "20181118_PowerPanel" festgestellt.

Es wird nun ein neuer Stand erstellt. Bei weiteren "Lesson Learned" Momenten wird dieser Artikel stätig erweitert.

Alte Fehlerliste

Fehler	Geplante Lösung	Umsetzung
LED Bars sind vertauscht	Layout Änderung Template mit passenden Seiten	Template vom Layout erstellt
Schraubenköpfe Kurzschluss	Layout Änderung Rahmen um die Schrauben Planen Kupferfläche bei Schrauben entfernen	Template vom Layout erstellt
Kabelanschlüsse schlechte Position	Layout Änderung Anschlüsse Mittig Anschlüsse besser Sortieren	Layout aus gedruckt und neue Position begutachtet
Lötbrücken entstehen	DRC Änderung Lötpads vergrößern Abstand zwischen Leiterbahnen und Kupferfläche vergrößern	Neue DRC hinterelegt
Kein Common Ground Fläche	Layout Änderung	Wurde nicht umgesetzt
Leiterbahnen mussten aufgedickt werden	Layout Änderung Breitere Leiterbahnen anstelle von aufdicken	Leiterbahnen haben nun eine breite von 80 mil Immer noch zu wenig, aber die Bauteile erlauben nicht mehr
Bestückung beidseitig	Layout Änderung Am besten LED Bars auf einer Seite und restliche Bauteile auf anderer Seite Alternativ Alle Bauteile bis auf die Dioden auf einer Seite	Neues Layout Nur Dioden und Mosfet sind auf der Unterseite
Silkscreen sehr unübersichtlich	Layout Änderung Wird nicht auf die Platine Gefräst, aber wäre für eine "Professionelle" Fertigung Hilfreich Des Weiteren gut für Dokumentation
Basis als Vorlage zurücklegen	Layout Änderung Template Datei anlegen	Template vom Layout erstellt

Neue Fehlerliste

Fehler	Geplante Lösung
Widerstand Footprint zu klein	Footprint tauschen

Ausblick

Es könnte ein verbesserter und erweiterter Unterspannungschutz verwendet werden. Dazu gab es das Projekt 80: Advanced Discharge-Protection-Circuit.

Des Weitern wurde bei dem neuen Fahrzeug das PowerPanel mit einem Mikrocontroller umgesetzt. Bei dieser Umsetzung fehlt im Moment noch die Software.

Literatur

Dokument von Ramesohl im SVN hinterlegt zum DRC.

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