Projektisuunnitelma 1(6) Akkujen aktiivinen balansointi Valvoja: Jorma Selkäinaho Työryhmä: Kalle Fagerman Johan Holmberg Otso Jousimaa Aleksi Jalonen
Projektisuunnitelma 2(6) Johdanto Projektimme jatkaa syksyllä aloitettua aktiivista akkujen balansointiprojektia. Projektin tavoitteena on tehostaa akkujen latausta ja käyttöä. Akkukennot kytketään sarjaan resistiivisten häviöiden minimoimiseksi. Kun akkuja ladataan ja puretaan, saman suuruinen virta kulkee jokaisen yksittäisen kennon lävitse. Tällöin akkujen varianssi johtaa koko kennoston heikkenemiseen ketju on yhtä vahva kuin sen heikoin lenkki. Balansointi purkaa ladatessa heikompia kennoja, jotta ne eivät ylikuormitu. Kun kennoston heikoin kenno on tyhjentynyt akustoa ei voi enää käyttää ennen latausta jottei heikko kenno vioitu. Perinteisesti balansointi on toteutettu purkamalla ylimääräinen teho lämmöksi vastuksiin. Sähköautoissa perinteinen balansointi on merkittävä hyötysuhdetta alentava tekijä. Aktiivinen balansointi ottaa tämän tehon hyötykäyttöön. Aktiivisessa balansoinnissa jokaiselle kennolle rakennetaan DC DC muuntaja, joka palauttaa tehon takaisin kennostolle. Suurissa kennostoissa ei ole käytännöllistä palauttaa tehoa koko kennostolle, joten kennosto jaetaan pakkoihin. Nämä DC DC pakat lomitetaan siten että tehoa voidaan siirtää pakkojen välillä. Rakenne Aiheeseen tutustuminen Tarkoitus on tutustua aiheeseen, sekä työssä käytettäviin komponentteihin (LTC3300 x ja LTC6803 x). Lisäksi päätetään muut käytettävät komponentit, kuten mikrokontrolleri ohjausta varten. Tutustumiseen kuuluu myös tapaaminen ohjaajan kanssa. Lisäksi tutustutaan edellissyksynä toteutetun kortin toimintaan (jos mahdollista, kortit saattavat olla rikki) ja siitä tehtyyn loppudokumenttiin. Komponenttivalinnat Sekä LTC3300 ja LTC6803 ovat osa tuoteperhettä, joilla on erilaisia ominaisuuksia. LTC3300 1 ja LTC6803 1 ja LTC6803 3 ovat suunniteltu toimimaan osana laajempaa kokonaisuutta ilman tasonsiirtimiä tai erottimia. LTC6803 3:ssa on mahdollisuus ottaa käyttösähköt akun ulkopuolelta. Näin mittaustarkkuus paranee eikä akun varaus kulu mittausten tekemiseen. Lisäksi se antaa mahdollisuuden käyttää ulkoista laboratoriovirtalähdettä testausvaiheessa.
Projektisuunnitelma 3(6) Mikrokontrollerina aiomme käyttää Atmelin piiriä, koska nämä ovat Arduinojen kautta tuttuja. LTC3300 tarjoaa 4.8 V käyttöjännitettä, joten valitsemme sirun joka toimii tuolla jännitteellä. Esimerkiksi ATMEGA328 voisi soveltua projektiin. ATMEGA328 PU on DIP koteloitu, eli sen voi laittaa istukkaan ja vaihtaa virheen sattuessa. Alustavasti aiomme siis käyttää mikropiireinä LTC3300 1:tä, LTC6803 3:ta ja ATMEGA328 PU:ta. Näin kehitystyö helpottuu ja virheistä voi ehkä vielä kierähtää jaloilleen. KICAD-ohjelmaan tutustuminen ja kortin suunnittelu Piirin suunnittelu toteutetaan avoimen lähdekoodin KICAD suunnitteluohjelmistolla, johon tutustutaan etukäteen. Kortti suunnitellaan sitä mukaa, kun ohjelmaa opitaan käyttämään. Ohjelmaan tutustumiseen varataan puoli päivää. Scheman laatimiseen varataan kaksi työpäivää, piirilevyn laatimiseen varataan kaksi työpäivää. Tähän vaiheeseen arvioidaan kuluvan 30+ tuntia. Kortit pyritään suunnittelemaan ketjutettaviksi, modulaarisiksi, testattaviksi ja valmistettaviksi. Ketjutuksella tarkoitetaan sitä, että samaa korttia voidaan käyttää kokonaisuuden ylimpänä, alimpana ja keskimmäisenä osana. Modulaarisuudella tarkoitetaan että kortti on valmistettavissa funktionaalisissa paloissa, jotka voidaan testata erikseen. Testattavuudella tarkoitetaan, että korttien kriittisiin signaaleihin varataan testipiste, johon on mahdollista kytkeä testauslaitteistoa. Valmistettavuudella tarkoitetaan mm sitä, että komponentit sijoitellaan siten, että ne eivät tule toistensa tielle kootessa ja juotostäplissä on thermal relief kytkentä tasoihin. Koneellisesti valmistetussa levyssä ei tarvitse kiinnittää erityistä huomiota itse piirilevyn valmistuksen kannalta olennaisiin asioihin, sillä tehdas tarkistaa nämä asiat. Kortin tilaaminen LTC3300 1 Valmistaja Linear Technology myy evaluointilautaa, jossa on käyttämillämme komponenteilla toteutettu balanseri. tämä kortti on toteutettu 4 kerroslevynä, jollaista ei ole mahdollista tehdä Aallon tiloissa. Demokortissa on erilliset kerrokset signaaleille, maatasolle ja suurille virroille. Erityisesti maan pysyminen maana on kriittistä, sillä LTC3300 1:n toiminta perustuu maavirtojen aistimiseen. Mikäli maataso ei ole riittävän laadukas, säädön laatu saattaa kärsiä. LTC3300 1:n datasheet ei kerro toleransseja epäideaalisuuksille, vaan esimerkiksi toteaa että Piiri tulee kytkeä pohjastaan usealla läpiviennillä kiinteään maatasoon, joka on ensimmäinen kerros piirin alla. On siis mahdollista ja jopa todennäköistä että nämä ovat kovia vaatimuksia joista ei sovi lipsua.
Projektisuunnitelma 4(6) Kortti siis täytyy tilata tehtaalta jolla on edellytykset työhön. Tyypillisesti kortin toimitusaika on noin kuukausi tilauksesta. Tästä myös muodostuu suurin riski työlle: kortti on saatava tilaukseen mahdollisimman nopeasti, mutta toisaalta kiirehtiminen lisää epäonnistumisen riskiä. Väliraportti Tässä vaiheessa tarkastellaan tehtyä työtä projektisuunnitelmaan verraten, ja päätetään mahdollisista muutoksista. Mikrokontrollerin ohjelmointi Mikrokontrollerin ohjelmointi toteutetaan C kielellä. Kehitysympäristö valitaan käytettävän mikrokontrollerin mukaan. On selvitettävä myös, millä komennoilla ohjainkorttia voi ohjata ja miten liikennöinti sen kanssa ohjelmoidaan. Testaus Ensin testataan toimivatko edellisen ryhmän tekemät kortit. Jos ne eivät toimi, tulee tehdä uudet. Mikäli mahdollista, yritetään vanhoilla korteilla kuitenkin testata tietoliikennettä mikrokontrollerin ja sen välillä. Lopuksi testataan itse lopullisen ohjauksen toimivuutta akkujen lataamisessa. Lataustestaukseen aiomme käyttää pienempiä testiakkuja. Loppuraportti ja viimeistely Loppuraportissa käsitellään toteutunut projekti, ja verrataan sitä projektisuunnitelmaan. Lisäksi arvioidaan toteutettu projekti lopputulosten pohjalta. Pohditaan, mikä työssä oli hyvää, mistä jäi kehittämisvaraa ja mikä epäonnistui tai jäi toteuttamatta. Lisäksi pidetään presentaatio, ja saadun palautteen perusteella viimeistellään raportti palautusta varten. Aikataulu ja työnjako Projektityö jaettiin alustavasti elektroniikka ja ohjelmointiosiin. Elektroniikkaryhmään kuuluvat Otso Jousimaa ja Aleksi Jalonen. Ohjelmointiryhmään kuuluvat Kalle Fagerman ja Johan Holmberg. Taulukosta 1 näkyy suunniteltu projektiaikataulu. Aikataulussa on huomioitu myös se skenaario, että edellisenä ryhmän tekemä kortti ei toimi.
Projektisuunnitelma 5(6) Taulukko 1. Aikataulu. Aloitusluento Aiheeseen perehtyminen x x x Suunnitelma ja esitys (29.1) x x KiCad perehtyminen x x Vanhaan projektiin/tasauskorttiin perehtyminen x x x Monitorikortin suunnittelu x x x x 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 x Mikrokontrollerin ja tasauskortin yhteyden testaus x x (x) (x) Mikrokontrollerin käytön suunnittelu x x x (x) (x) (x) Monitorikortin valmistus ja kokoonpano x x x Väliraportti ja esitys (5.3.) x x Integraatio x x x x (x) (x) (x) (x) Testaus x x x x x (x) (x) (x) (x) (x) Loppuraportti ja esitys (7.5) x x x Vaihtoehto B Vanha kortti ei toimi Uuden tasauskortin suunnittelu (x) (x) (x) (x) Tasauskortin valmistus ja kokoonpano (x) (x) (x) Riskien Hallinta Kokemus tällaisen piirin toteutuksesta on puutteellinen, mikä vaikeuttaa aikataulun suunnittelua ja ajankäytön hallintaa. Virheellinen kortin suunnittelu ja/tai kasaaminen voi pahimmillaan pilata koko työn. Lisäksi kun kortti tilataan ulkomailta, toimitus saattaa viivästyä, mikä sitten hidastaa mikrokontrollerin ohjelmointia, sillä sitä ei voi tehdä ennen kuin kortti on saapunut. Tähän täytyy varautua tilaamalla kortti mahdollisimman aikaisin mahdollisten ongelmien ja vikojen takia.
Projektisuunnitelma 6(6) Viime syksynä toteutetusta kortista ei ole saatavilla kaaviokuvia, mikä tarkoittaa sitä, että toiminnallisuus on selvitettävä erikseen. Tähän tulee varata aikaa. Vältämme tietojen menetyksen laiterikkojen ja inhimillisen erehdyksen johdossa säilytämme projektin tiedostoja githubissa. Git säilyttää tiedostoja versiohistorian kera jokaisen omalla koneella ja lisäksi pilvessä. Mahdolliset äkilliset elämäntilanteen muutokset voivat tuoda esteitä yksittäiselle ryhmän jäsenelle. Koska ryhmässämme on neljä jäsentä ja osa alueissa kaksi jäsentä, yhden jäsenen estyminen ei kaada projektia. Aikataulussamme on myös pelivaraa vapun jälkeen jolla voimme selvitä viiveistä. Viitteet LTC3300 1 LTC6803 1 DC2064A datasheet: www.linear.com/docs/42846 datasheet: www.linear.com/docs/30264 datasheet: www.linear.com/docs/43363