Versorgung

Autor: Michael Menke

Abb. 0: Eingebautes PowerPanel

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 Strom. Diese Akkus sind LiPo Akkus mit zwei Zellen in Reihe und kommen so auf 8,4V.
Der PC wird durch eine Referenzspannung heruntergefahren, wenn die Spannung der Akkus zu gering ist.

Anforderung

Die Anforderungen 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.

Systementwurf

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

Die Unterspannungs-Schutzschaltung verhindert die Tiefenentladung der Akkus.

Akkustandsanzeige gibt eine Angabe über den Ladezustand der Akkus.

Umschaltung der Stromquellen soll zwischen Netzteilbetrieb und Akkubetrieb wechseln.

Akkustandsanzeige

Abb. 3: LED-Bar Ansteuerung

In der Abb. 3 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 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

Bill of Materials

Die BOM für die Bestückung der Platine. Da wir in diesem Semester eine Neuentwicklung der PowerPlatine vorgenommen haben sind viele der Bauteile, vor allem die SMD-Bauteile nicht in der Hochschule vorhanden.

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.

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 Weiteren 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 verschiedenen 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 nachgezeichnet 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 Potenziometer verbaut.

In Abb. 6 wird das Layout dargestellt.

Ein Review dieses Layouts steht noch aus. Da nur der Entwurf in diesem Semester das Ziel war, kann man aber von einem erfolgreichen Semester sprechen.

Aufbau der alten 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 WS18/19

Die Funkionen wurden sparte getestet vor und nach dem Einbau. Für jede Funktion wurde ein Test entworfen und durchgeführt.

Für die Durchführung der Tests wird ein Funktionsgenerator, ein Labornetzteil und ein zwei Kanal Oszilloskop benötigt. Die Tests sollten nur an einem ausgebauten PowerPanels durchgeführt werden.

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 „PC-Netzteils“.

Abb. 10: 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.

Komponentest SS19

Die im oben stehenden Test des WS18/19 können wir so bestätigen, allerdings hat der vormals beschriebene Tiefenentladeschutz nur die Funktion gehabt, den PC herunterzufahren und nicht die Akkus vor einer Tiefentladung zu schützen. Dies ist in dem folgenden Testbericht sichtbar geworden.

Ergebnis

REQ10.2020 wurde teilweise erfüllt. Das Fahrzeug wird zwar mit den Akkumulatoren die im Fahrzeug verbaut sind versorgt, allerdings werde die Akkus nicht vor einer Zerstörung durch Tiefenentladegeschützt

Zusammenfassung

Die Versorgung des PC ist funktionstüchtig. Genauso wie die Akkustandanzeige für den PC-Akku und den Akku des Fahrantriebs.
Beim Unterschreiten einer kritischen Spannung wird der PC heruntergefahren.
Die im Sommersemester entworfenen Platine muss im Wintersemester 19/20 gefräst, bestückt und eingebaut werden.
Anschließend muss der Tiefenentladeschutz auf seine Funktionsweise geprüft werden.

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.
Die Vertauschung von Wörtern kann schnell dazuführen, dass Systeme Funktionen haben, die nicht implementiert sind.

Literatur

Anleitungen

Akku Aufladen

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