A13-03 Kaksisuuntainen akkujen tasauskortti. Loppuraportti. Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt AS Syksy 2013

Transkriptio

1 A13-03 Kaksisuuntainen akkujen tasauskortti Loppuraportti Automaatio- ja systeemitekniikan projektityöt AS Syksy 2013 Arto Mikola Aku Kyyhkynen

2 Sisällysluettelo Sisällysluettelo Työn kuvaus Työn kulku Aiheeseen tutustuminen EAGLE-ohjelman opettelu Kortin suunnittelu EAGLE:lla Väliraportti Kortin valmistus ja kokoonpano Testaus ja muutokset Loppuraportti ja esitys Viimeistely Työn tulokset Työssä opittua Jatkoehdotuksia Yhteenveto... 11

3 1 Työn kuvaus Projektissa oli tavoitteena suunnitella ja rakentaa kaksi kappaletta kaksisuuntaisia akkujen tasauskortteja. LTC piiriin perustuvat kaksisuuntaiset tasauskortit tasaavat akkujen varauksia purkamalla korkeampivarauksisia akkuja matalampivarauksisiin akkuihin. Työn aikana ilmeni, ettei piiri toimi ilman ulkoista ohjausta, joten lisänä alkuperäiseen suunnitelmaan ohjelmoimme mikrokontrollerilla toteutetun bittiohjauksen piirille. Koska työssä puhutaan sekä lopputuloksena olevasta tasauspiiristä (board) että Linear Technology:n valmistamasta LTC piiristä (circuit), käytämme näille eri termejä sekaannuksen välttämiseksi. Kortilla tarkoitetaan rakennettuja tasauspiirejä, joihin kuuluu yhtenä osana LTC piiri, ja piirillä tarkoitetaan LTC komponenttia. Kaksisuuntaisella akkujen tasaamisella tarkoitetaan energian siirtämistä akkujen välillä varauserojen tasaamiseksi. Tavallisesti akkujen varauseroja tasataan purkamalla akkuja, joissa on korkeampi jännite vastusten avulla lämpöenergiaksi. Tässä työssä toteutettavan kortin tavoitteena oli tasata akkujen jännitteitä pienemmällä häviöllä, koska korkean varauksen omaavien akkujen energiaa ei tuhlata lämpöenergiaksi, vaan se käytetään matalamman varauksen omaavien akkujen lataamiseen. Työssä käytettiin piirin suunnitteluun EAGLE-ohjelmaa. Ohjauksen toteuttamiseen käytettiin mbed NXP LPC11U24 -mikrokontrolleria ja koodin kirjoittamiseen ja kääntämiseen käytettiin mbed Compiler -verkkoalustaa. Työssä käytetyt fyysiset komponentit olivat 2 kappaletta LTC piirejä, muuntajat, transistorit, kondensaattorit, vastukset, diodit, liittimet ja akut. Alkuperäisenä tavoitteena oli tehdä työtä 80 tuntia per henkilö, mutta lopullinen työmäärä oli yli 100 tuntia.

4 2 Työn kulku Projekti alkoi sujuvasti. Pysyimme hyvin aikataulussa ja tuntiseuranta noudatti suunnitelmaamme. Kortin kokoonpanemiseen kului kuitenkin kauemmin aikaa kuin osasimme odottaa, minkä takia jäimme hieman jälkeen. Lopuksi selvisi, ettei korttia voinut käyttääkään niin kuin olimme ymmärtäneet, ja jouduimme toteuttamaan sille mikrokontrollerilla ajettavan ohjelman, joka syöttää piirille ohjauskomentoja. Emme myöskään ehtineet tehdä kortille monitorikorttia, joka olisi mahdollistanut sen älykkään ohjaamisen. Työ koostui kahdeksasta vaiheesta. Seuraavaksi käydään läpi tarkemmin eri vaiheiden toteutumista ja niihin käytettyä aikaa. 2.1 Aiheeseen tutustuminen Tämän vaiheen tavoitteena oli ymmärtää, mistä työssä on kyse ja selvittää, miten tähän tavoitteeseen voidaan päästä. Tutustuimme akkujen tasaajan (LTC3300-1) toimintaan ja ominaisuuksiin ja siihen, miten se kytketään akkuihin ym. komponentteihin. Tässä vaiheessa projektia piirin datasheet sisälsi kuitenkin liikaa yksityiskohtaista tietoa ja päädyimme ratkaisuun, että tutustumme siihen paremmin projektin edetessä samalla kun ymmärryksemme lisääntyy. Lopuksi teimme työstä projektisuunnitelman. Tähän vaiheeseen kuului myös aloitusluento ja aiheeseen tutustuminen ohjaajan kanssa. Tähän vaiheeseen suunnittelimme käyttävämme noin 14 tuntia per henkilö, mikä myös toteutui (Aku 15 tuntia, Arto 14 tuntia). 2.2 EAGLE-ohjelman opettelu Tässä vaiheessa tutustuimme EAGLE-piirisuunnitteluohjelman toimintaan. Tavoitteena oli saada riittävä osaaminen piirien suunnitteluun. Tähän vaiheeseen suunnittelimme käyttävämme noin 7 tuntia per henkilö, koska ohjelma oli meille ennalta tuntematon. EAGLE-ohjelman käyttäminen osoittautui kuitenkin melko helpoksi, ja tähän vaiheeseen käytimme vain pari tuntia. Suuri osa ohjelman opetteluun varatusta ajasta siirtyi kortin suunnitteluvaiheeseen. 2.3 Kortin suunnittelu EAGLE:lla Oleellinen osa projektia oli kortin suunnittelu. Kun olimme oppineet EAGLE:n perusominaisuudet, aloimme suunnitella akkujen tasauskorttia. Tämän vaiheen tuloksena saimme piirustukset, joista pystyimme valmistamaan tasauskortit piirinjyrsijällä. Tähän vaiheeseen arvioimme käyttävämme noin 18 tuntia per henkilö. Toteutunut tuntimäärä, 26 tuntia, oli suunnitelman mukainen ottaen huomioon, että siirsimme tähän osan EAGLE-ohjelman opetteluun varatusta ajasta.

5 2.4 Väliraportti Väliraporttia tehdessä vertasimme sen hetkistä edistymistä projektisuunnitelmaan ja raportoimme kaikista muutoksista. Tähän vaiheeseen käytimme noin 5 tuntia per henkilö, mikä oli lähellä suunniteltua 6 tunnin tavoitetta. 2.5 Kortin valmistus ja kokoonpano Kun olimme suunnitelleet kaksi korttia EAGLE:lla, aloitimme niiden valmistuksen. Piirien valmistaminen ei ollut meille tuttua ja yritimmekin varata siihen riittävästi aikaa. Kortin valmistaminen osoittautui kuitenkin työläämmäksi ja jäimme hieman jälkeen aikataulusta. Varasimme tähän vaiheeseen 14 tuntia per henkilö ja käytimme noin 19 tuntia. 2.6 Testaus ja muutokset Testaamisvaiheessa kokeilimme valmistamiemme korttien toimintaa. Epäonneksemme liitimme akut sarjaan kytkettyihin kortteihin väärässä järjestyksessä, minkä seurauksena toisen kortin piiri tuhoutui. Toinen kortti vaikutti kuitenkin selviytyneen, joten muutimme sitä niin, että sen saisi toimimaan itsenäisesti. Lisäksi meille selvisi, etteivät kortit toimi ilman niitä ohjaavaa viestintää, toisin kuin olimme aluksi saaneet ymmärtää. Tätä varten yritimme ohjelmoida ohjausta mbed mikrokontrollerilla. Saimme aikaan kontrollisignaalin, mutta piiri ei reagoinut signaaliin millään tavalla. Yritimme myös lukea piirin voimassaolevat komennot redback-komennolla, mutta emme saaneet piiriltä vastausta. Joko toteutimme ohjauksen väärällä tavalla, tai sitten piiri on epäkunnossa johtuen joko hajoamisesta tai virheellisestä valmistuksesta. Tähän vaiheeseen suunnittelimme käyttävämme noin 10 tuntia per henkilö, mutta käytimme siihen 30 tuntia. 2.7 Loppuraportti ja esitys Tässä vaiheessa raportoimme, mitä projektissa on tehty, miten hyvin projektisuunnitelma toteutui ja projektin lopputulokset. Raportoimme toteutuneen ajankäytön sekä kohtaamamme ongelmat. Analysoimme projektimme kulkua ja tuloksia ja pohdimme, mitä olisi pitänyt tehdä toisin. Lopuksi pidämme esityksen, jossa kerromme työstä ja lopputuloksista. Tähän vaiheeseen suunnittelimme käyttävämme noin 9 tuntia per henkilö, mikä on melko lähellä toteutunutta 7 tunnin ajankäyttöä. 2.8 Viimeistely Esitelmän jälkeen viimeistelimme loppuraporttia. Tähän suunnittelemme käyttävämme noin 2 tuntia per henkilö, joka myös toteutui. Aikataulu on havainnollistettu seuraavalla sivulla taulukossa 1. Siinä X:t tarkoittavat suunniteltua ja vihreä tausta tarkoittaa toteutunutta ajankäyttöä.

6 Taulukko 1: Aikataulu Aloitusluento Aiheeseen tutustuminen Suunnitelma ja esitys (1.10.) EAGLE:n opettelu Kortin suunnittelu Väliraportti ja esitys (29.10.) Kortin valmistus ja kokoonpano Testaus ja muutokset Loppuraportti ja esitys (3.12.) Viimeistely (DL ) X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X Ryhmätyöskentelyn järjestely oli helppoa, koska ryhmässämme oli vain kaksi jäsentä. Sovimme yhteisistä sopivista ajoista ja tapasimme koululla tai muualla. Tällä tavoin molemmat tekivät myös yhtä suuren työmäärän. Taulukossa 2 alla on esitetty arviot ja toteutuneet työtunnit henkilöä kohden, jotka on havainnollistettu seuraavalla sivulla kuvassa 1. Taulukko 2: Tuntiseuranta Yht. Ero Suunnitelma Toteutunut: Aku Toteutunut: Arto

7 Tuntia Toteutunut Suunnitelma Tot. kum. Suun. kum Viikko Kuva 1: Ajan käyttö 3 Työn tulokset Työn lopputuloksena saimme yhden akkujen tasauskortin, jonka tarkoituksena on tasata kolmesta kuuteen akun sarjan. Toinen, hajonnut kortti, voidaan mahdollisesti saada toimintakuntoiseksi vaihtamalla kortin LTC piiri uuteen ja kääntämällä muuntajien toisen puolen polariteetti toisin päin (katkaisemalla muuntajien jaloista lähtevät liitokset ja kytkemällä ne ristiin). Seuraavalla sivulla kuvassa 2 on esitetty tasauspiirit ja akkupaketti ja samoin seuraavalla sivulla kuvassa 3 on tarkempi kuva tasauspiiristä. Lisäksi työn tuloksiin lukeutuvat suunnittelemiemme korttien piirustukset (toisen kortin piirustus kuvassa 4). Teimme kaksi kappaletta piirustuksia käytettäväksi ketjussa siten, että toinen on ketjun ensimmäisen ja toinen ketjun viimeisen kortti. Piirustusten erot ovat melko pienet.

8 Kuva 2: Tasauskortit ja akkupaketti Kuva 3: Tasauspiiri

9 Kuva 4: Toisen tasauskortin piirustus Tasauskortin älykäs käyttö vaatii vielä monitorikortin (joka käyttää LTC piiriä) suunnittelun ja toteutuksen ja tasausalgoritmin suunnittelun mikrokontrollerilla tai vastaavalla. Toteutimme yksinkertaisen ohjaussignaalin mbed mikrokontrollerin avulla, mutta se ei herätä korttia. Yritimme vielä toteuttaa mikrokontrollerilla readback-toiminnon, jonka avulla tarkastimme, ottaako kortti lähetetyt käskyt vastaan. Emme saaneet piiriltä vastaussignaalia. Johtopäätös on, että joko ohjaus on virheellinen tai toinenkin kortti on epäkunnossa. Seuraavalla sivulla kuvassa 5 on esitetty ohjaukseen käytettävä mikrokontrolleri.

10 Kuva 5: mbed NXP LPC11U24 Korttien ketjuttaminen tapahtuu liittämällä ensimmäisen kortin SO-liitin jälkimmäisen SI-liittimeen ja vastaavasti Output-liitin Input-liittimeen. SO- ja SI-liittimiä pitkin kulkee piirien sarjaliikenne, jota pitkin kortit ohjaavat toistensa toimintaa. Input- ja Output-liittimiä pitkin kulkee muut liitännät korttien välillä. Kortit liitetään akkuihin kuvan 2 mukaisesti. Akkujen liittäminen kortteihin tapahtuu kuvan 5 (alla) mukaisesti. Kuvassa numerot 1-6 tarkoittaa kyseisen akun anodia (+) ja V- ensimmäisen akun katodia (-). _-merkillä merkattuja pinnejä ei käytetä _ V Kuva 5: Akkujen liitos piiriin

11 4 Työssä opittua Emme olleet ennen työtä suunnitelleet emmekä valmistaneet piirilevyjä, joten työn aikana opimme paljon EAGLE:n käytöstä ja piirilevyn valmistuksesta. EAGLE:a opimme käyttämään varsin nopeasti hyvien nettitutoriaalien ansiosta. Korttien juottamiseen meillä meni melko paljon aikaa, koska kortit olivat suhteellisen monimutkaisia. Myös ylimääräisenä lisänä tarvittu binäärikäskyjen toteuttaminen mikrokontrollerilla oli opettavaista. Olisimme päässeet parempaan lopputulokseen, jos olisimme lukeneet LTC3300-1:n datasheet:iä tarkemmin etukäteen. Lisäksi meidän olisi pitänyt varmistaa asiat, jotka oletimme toimivan eritavalla datasheet:issa mainituista asioista, kuten muuntajien eri puolien polariteetit ja ohjauksen tarpeellisuus. 5 Jatkoehdotuksia Jos työskentelyä tasauskortin kanssa tullaan jatkamaan, tärkeintä olisi selvittää kortin toimivuus. Tämä voidaan tehdä antamalla kortille ensin toimintakäskyjä SPI-väylän kautta mikrokontrollerilla, ja tämän jälkeen antamalla kortille readback-komennon ja lukemalla kortin voimassa olevat käskyt. Emme itse saaneet kortilta vastausta redback-komentoon, mutta voi olla, että annoimme vääränlaiset ohjaussignaalit. Mikäli kortti toimii (eli vastaa mikrokontrollerille), olisi seuraava askel toteuttaa kortin kanssa yhteistyössä toimiva LTC piiriin perustuva monitorikortti. Tasauskortin, monitorikortin ja mikrokontrollerin yhdistelmällä voitaisiin saada aikaan älykkäästi akkuja tasaava BMS (battery management system, akkujen tasausjärjestelmä). Jos kortti taas ei toimi, pitää tehdä uusi tai uudet kortit. Uusien korttien tekemisessä voi käyttää apuna tekemiämme EAGLEpiirustuksia. 6 Yhteenveto Alkuperäisenä tavoitteena oli toteuttaa itsenäisesti akkuja tasaavat kortit. Toinen korteista tuhoutui, kun yhdistimme kortteja kiinni akkuihin ensimmäistä kertaa. Selviytyneestä kortista yritimme modifioida itsenäisesti toimivan, mutta emme ole varmoja, onko se ehjä. Työn edetessä selvisi, että LTC piirit eivät tasaa akkuja itsenäisesti, vaan tarvitsevat avukseen akkujen tilaa valvovan monitoripiirin ja tasausta ohjaavan mikrokontrollerin. Monitoripiirin suunnitteluun ja valmistamiseen meillä ei ollut aikaa, ja mikrokontrolleriohjauksen jouduimme toteuttamaan kiireessä.

12 Työn ei voida sanoa onnistuneen, mutta opimme projektia tehdessä asioita piirisuunnittelusta, valmistuksesta ja testaamisesta, joten työ oli meille hyödyllinen ja mielenkiintoinen. Käytimme työhön paljon enemmän aikaa, yhteensä yli 100 tuntia per henkilö kuin suunniteltu 80 tuntia per henkilö.