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.
Der PC wird durch eine Schutzbeschaltung auf der Powerplatine heruntergefahren, wenn die Spannung der Akkus zu gering ist.

Pflichtenheft SoS19

Die Pflichten des Sommersemesters 19 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. 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 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. 1 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. 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:

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

Umschaltung der Stromquelle

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.

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 (Name: BOM_SMD Layout_SS19.xlsx).

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. 3 und 4 wird die Bestückte Platine dargestellt.

Abb. 3: Vorne
Abb. 4: Hinten

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

Akku Aufladen

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