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Die Pflichten des Sommersemesters 19 beziehen sich vor allem auf das Prüfen und Verbessern/Optimieren der vorhandenen 'Versorgung'. Es ging darum ein neues Konzept für den Akkubetrieb zu entwickeln. Darüber hinaus wurde das Powerpanel optimiert, nachdem durch Tests die fehlerhafte Funktion der aktuellen Platine festgestellt wurde. | |||
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Version vom 19. Juli 2019, 16:16 Uhr
Autor: Anna Blankenstein , Timo Schmidt
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.
Der PC wird durch eine Schutzbeschaltung auf der Powerplatine heruntergefahren, wenn die Spannung der Akkus zu gering ist.
Anforderungen
Pflichtenheft SoS19
Die Pflichten des Sommersemesters 19 beziehen sich vor allem auf das Prüfen und Verbessern/Optimieren der vorhandenen 'Versorgung'. Es ging darum ein neues Konzept für den Akkubetrieb zu entwickeln. Darüber hinaus wurde das Powerpanel optimiert, nachdem durch Tests die fehlerhafte Funktion der aktuellen Platine festgestellt wurde. Die Pflichten, die übernommen und bearbeitet worden sind, können über die folgende Datei vollständig eingesehen werden:
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 ca. 9,5 V ab. Ab einer Spannung von ca. 11,2 V wird sich der der PC einschalten lassen. (Realisierung dieser Schaltung im Fahrzeug ist für das Wintersemester 19/20 geplant).
Die Akkustandsanzeige gibt eine Angabe über den Ladezustand der Akkus.
Die Umschaltung der Stromquellen soll zwischen Netzteilbetrieb und Akkubetrieb wechseln.
Unterspannungs-Schutzschaltung
In Abb. 2 wird der Schaltplan des Unterspannungsschutz dargestellt. Dieser zeigt bereits den neuen Schaltplan, der zu diesem Zeitpunkt noch nicht im Fahrzeug umgesetzt ist.
Die Schaltung besteht aus einem als Komparator geschalteten Operationsverstärker (TL071) mit Hysterese. Bei Unterschreiten der Ausschaltschwelle von ca. 9,5 V wird der PC ausgeschaltet. Bei einer Akkuspannung von ca. 11,2 V wird das Netzteil 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
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 R7,R9 für den PC-Akku und R17, R18 für den Fahrzeug Akku.
Einstellung der Bargraphen läuft wie folgt ab:
- Höchste Spannung anlegen
- Potentiometer "oberes Limit" (R5/R17) einstellen, sodass alle LEDs leuchten
- Niedrigste Spannung anlegen
- Potentiometer "unteres Limit" (R9/R18) einstellen, sodass die unterste LED leuchtet
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.
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Abb. 7: Vorne
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Abb. 8: Hinten
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.
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 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. 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. Die Umsetzung erfolgt im WS_19/20. Die Testberichte zu den aktuellen Schaltungen sind entpsrechend der Anforderungsdefinitionen dem folgenden Ordner zu entnehmen: Testberichte
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.
Ausblick
Im Wintersemester 19/20 wird die neue Power-Platine gefräst bestückt und getestet werden.
Eine weitere Aufgabe im Wintersemester 19/20 wird sein, dass Akkukonzept umzusetzen.
Anleitungen
→ zum Artikel Optimierung PowerPanel Optimierung der Power-Platine
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