Powerpanel-Platine

Autor: Kevin Hustedt, Moritz Oberg

Einleitung

Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung einer neuen Powerpanel-Platine für das autonome Auto. Das Fahrzeug besitzt drei Akkus, zwei um den PC mit Strom zu versorgen und einen dritten für die Antriebe des Fahrzeugs. Bei der Entwicklung der neuen Platine, orientiert man sich an der alten Platine. Diese bietet drei Grundfunktionen: Unterspannungsschutz, Umschaltung von Akku- auf Netzbetrieb sowie die Anzeige des Akkustands. Beim alten Schaltungsdesigne sind einige Fehler aufgefallen, die nun durch eine neue Schaltung behoben werden sollen.

Anforderungen

Im Lastenheft des Projektes autonomes Auto wird die Energieversorgung mit Akkus gefordert:

Für das Pflichtenheft wurden folgende Anforderungen erstellt:

Aufbau der aktuellen Platine

Die Funktion und der Aufbau der, aktuell im Fahrzeug verbauten Platine ist hier zu finden. Nach Sichtung der vorhandenen Dokumentation sind wir, in Absprache mit Marc Ebmeyer zu dem Entschluss gekommen, die Schaltung neu zu entwerfen und eine neue Platine zu entwickeln. Welche Teile des vorhandenen Schaltungskonzepts übernommen werden können, steht zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht fest. Das Überprüfen der Funktionsweise der aktuellen Platine ist aktuell nicht möglich, auf Grund der Auswirkungen des COVID-19 Virus.

Entwicklung des Unterspannungsschutzes

Der Unterspannungsschutz soll die Spannungsversorgung für den PC ab einer Spannung von 14,9 V einschalten und soll beim Unterschreiten von 12,6 V den PC wieder vom Akku trennen. Dafür wurde bisher eine Komparator-Schaltung mit Hysterese genutzt, die einen MOSFET schaltet. Die Hysterese wurde hier über einem Widerstand in der Rückführung eingestellt, was allerdings ein unabhängiges Einstellen der Schaltpunkte nicht zulässt.

Das erste Ziel der neuen Schaltung soll sein, dass die Schaltpunkte unabhängig voneinander eingestellt werden können.

1. Konzept: Komparator-Schaltung mit einstellbarem Trigger

Abbildung 1: Komparator-Schaltung mit einstellbarem Trigger
Die Schaltung aus Abbildung 1, finden sie hier
Als erste Idee haben wir eine Komparator-Schaltung mit einstellbarem Trigger getestet. Diese Schaltung nutzt zwei Operationsverstärker als Vergleicher, die jeweils über ein Potenziometer eingestellt werden können. OPV1 ist für den einschaltpunkt und OPV2 für den abschaltpunkt zuständig. Beide Ausgänge werden mit dem Operationsverstärker OPV3 zusammengeführt.

Diese Schaltung funktioniert nur, wenn die Operationsverstärker eine positive und negative Spannung als Versorgungsspannung bekommen. Eine negative Spannung könnte man durch eine Verschiebung des Nullpunktes erreichen, dies erhöht allerdings den Schaltungsaufwand. Beim Simulieren ist uns außerdem aufgefallen, dass sich die Schaltpunkte verschieben können. Des weiteren fehlt eine feste Referenzspannung. Verwendet man einen Spannungsteiler aus Widerständen als Referenz, dann sinkt die Referenzspannung bei einer sinkenden Akkuspannung mit ab.

2. Konzept: Komparator-Schaltung + FlipFlop

Abbildung 2: Komparator-Schaltung mit FlipFlop
Die Schaltung aus Abbildung 2, finden sie hier
Beim zweiten Konzept wurde die Idee mit den zwei Komparatoren aus dem ersten Konzept übernommen. Der OPV_1 schaltet das angeschlossene FlipFlop ein und arbeitet als nichtinvertierender Komparator. Der OPV_2 schaltet beim unterschreiten einer einstellbaren Spannung das FlipFlop wieder aus. Als Referenzspannung für die Vergleicher wird jeweils eine Zenerdioden genutzt. Die Referenzspannung muss kleiner sein als die des Schaltpunktes, da die Spannung der Referenz sonst mit der des Akkus absinkt. Mit den Spannungteilern aus R8 und R9 sowie R7 und R6 werden die Schaltpunkte eingestellt. Beispiel für die Berechnung des Spannungsteilers für den Schaltpunkt des OPV_1:

Gegeben:
Referenzspannung = 3,3V
Schaltpunkt = 14,9V
R7 = 30kΩ

Gesucht: R6

$3{,}3V=14{,}9V*\frac{R6}{R6+30k\Omega }$

$3{,}3V*30k\Omega=14{,}9V*R6-3{,}3V*R6$

$R6=\frac{3{,}3V*30k\Omega}{14{,}9V-3{,}3V}$

$R6=8{,}5k\Omega$

Optimierung des Stromverbrauchs der Komparatorschaltung

Abbildung 3: Komparator-Schaltung mit FlipFlop und Spannungsregler
Die Schaltung aus Abbildung 3, finden sie hier
Bei der genauen Betrachtung der Schaltung aus Konzept 2 fiel auf, dass auch bei einer Spannung von unter 12,6 V ein Stom von insgesamt ca 9 mA über die beiden Zener Dioden fließt. Dieser Strom belastet den Akku und könnte zu einer Tiefentladung führen. Um dieses Problem zu umgehen wurden die Dioden durch einen Spannungsregler ersetzt, welcher aus einer variablen Eingangsspannung, größer 3,3 V, eine konstante Spannung von 3,3V erzeugt. Dieser Spannungsregler kann sowohl für den Operationsverstärker OPV1 als auch für OPV2 die Referenzspannung liefern. Der Spannungsregler selbst, hat einen Stromverbrauch von nur 3,9 µA.

Durch diese Änderung, konnte der Stromverbrauch der gesamten Schaltung auf 640 µA gesenkt werden, bei 12,6V. Dies entspricht einer Einsparung von ca 1400%, im Vergleich zur vorherigen Schaltung.

Treiberschaltung für MOSFET

Abbildung 4: Treiberschaltung für MOSFET
Die Schaltung aus Abbildung 4, finden sie hier
Die Spannungsversorgung zum PC wird mit dem MOSFET Q2 geschaltet. Das Gate des MOSFETs hat eine Kapazität und muss zum Schalten auf- bzw. entladen werden. Da die Operationsverstärker sowie das verwendete FlipFlop nur einen geringen Strom liefern, benötigt man eine Treiberschaltung damit der MOSFET in einer bestimmten Zeit zuverlässig schaltet. Dafür wird ein Bipolar-Transistor verwendet, der den Strom zum Schalten liefert.

Zusammenfassung

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