- fb06 - Hochschule München

Entwurf, Inbetriebnahme und Test einer
Schaltbox für ein Formula Student Electric
Fahrzeug
Bachelorarbeit
Von
Michael Sommer
geb. am 08.12.1977
in Regensburg
Hochschule München
Fakultät für angewandte Naturwissenschaften und Mechatronik
Erstkorrektor:
Prof. Dr. Herbert Palm
Zweitkorrektor:
Tag der Einreichung: 20.01.2014
I. Abstrakt
I.
Abstrakt
Die Formula SAE ist ein internationaler Konstruktionswettbewerb. Es treten Studententeams
aus der ganzen Welt mit selbst gefertigten Fahrzeugen gegeneinander an. In Deutschland
starten in Hockenheim jedes Jahr Teams in zwei Klassen: Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor
und Fahrzeuge mit elektrischen Antrieb.
Um eine größtmögliche Sicherheit auf den Veranstaltungen zu gewährleisten, ist ein
umfangreiches Regelwerk zu befolgen. Darin stehen die sicherheitstechnischen
Mindestanforderungen an die Prototypen, um an den verschiedenen Disziplinen
teilzunehmen.
Die Sicherheitsanforderungen für Elektrofahrzeuge sind in den letzten Jahren deutlich
gestiegen. Eine Besonderheit ist die Vorgabe, dass einige Systeme, die der Sicherheit dienen,
nicht mit programmierbarer Elektronik verwirklicht werden dürfen.
Ziel dieser Arbeit war, speziell diese sicherheitsrelevanten Einzelsysteme, die im Regelment
der Formula Student Electric vorgeschrieben sind, zusammenzufassen.
II.
Abstract
Formula SAE is a international design competition. Students from all over the world compete
against each other with self constructed cars. Every year in Hockenheim, Germany, teams
start with two different types of vehicles: vehicles with combustion engine and vehicles with
electrical propulsion.
To get the most reachable safety on the events there is a big amount of safety rules. Before
starting at the different contests, the safety rules have to be fulfilled.
In the past there are increased safety requirements for electrical vehicles. There is a special
requirement: many of the safety systems have to be designed through non programmable
electronics.
The intention of this study is to integrate all these special subsystems in single system.
2
III. Inhaltsverzeichnis
III.
Inhaltsverzeichnis
I.
Abstrakt ............................................................................................................................... 2
II.
Abstract ............................................................................................................................... 2
III.
Inhaltsverzeichnis ............................................................................................................ 3
IV.
Abkürzungen und Begriffserklärung ............................................................................... 5
1.
Einleitung ............................................................................................................................ 6
1.1.
Zielsetzung der Arbeit ..................................................................................................... 7
1.2.
Hochvoltsystem – Kurzbeschreibung .............................................................................. 8
1.2.1.
Energiespeicher ........................................................................................................... 8
1.2.1.1.
Zellen ........................................................................................................................ 8
1.2.1.2.
Accumulator Management System (AMS)............................................................... 9
1.2.1.3.
Hauptrelais (AIR), Vorladeschaltung und Hauptsicherung ...................................... 9
1.2.2.
Central Electronic Housing ........................................................................................ 10
1.2.2.1.
IMD ......................................................................................................................... 10
1.2.2.2.
Zwischenkreiskondensator und Entladeschaltung ................................................ 10
1.2.2.3.
Leistungselektronik und Motoren ......................................................................... 10
1.2.3.
1.3.
Notauskreis / Shutdowncircuit .................................................................................. 11
S-Box .............................................................................................................................. 11
1.3.1.
Anforderungen des Reglements ................................................................................ 12
1.3.2.
Anforderungen Seitens Fahrzeug PWe4.13 .............................................................. 15
2.
S-Box.................................................................................................................................. 16
2.1.
Allgemeine Daten .......................................................................................................... 18
2.1.1.
Verwendete Grundschaltungen ................................................................................ 19
2.1.1.1.
Eingangsschaltung.................................................................................................. 19
2.1.1.2.
Diskret aufgebaute Gatter ..................................................................................... 20
2.1.1.3.
Verzögerungsglied.................................................................................................. 22
2.2.
Master-Platine ............................................................................................................... 24
2.2.1.
Life-Bit ........................................................................................................................ 24
2.2.2.
IMD und AMS Fehlerspeicher .................................................................................... 25
2.2.3.
BSPD ........................................................................................................................... 26
3
III. Inhaltsverzeichnis
2.2.4.
TSAL ........................................................................................................................... 28
2.2.5.
Switching Logic .......................................................................................................... 29
2.2.5.1.
Precharge ............................................................................................................... 31
2.2.5.2.
Aktivschalten des Tractive Systems ....................................................................... 31
2.3.
Slave-Platine .................................................................................................................. 33
2.4.
Precharge Circuit ........................................................................................................... 34
2.5.
Discharge Circuit............................................................................................................ 37
2.6.
HV-on Detect ................................................................................................................. 39
2.7.
LED Statusleiste ............................................................................................................. 41
3.
Test und Inbetriebnahme ................................................................................................. 42
3.1.
Test Slave-Platine .......................................................................................................... 43
3.2.
Test HV-on Platine ......................................................................................................... 45
3.3.
Test Precharge-Platine .................................................................................................. 47
3.4.
Test Discharge-Platine ................................................................................................... 49
3.5.
Test Master- und Staus-LED-Platine.............................................................................. 51
3.5.1.
Life-Bit ........................................................................................................................ 55
3.5.2.
AMS und IMD Fehler.................................................................................................. 55
3.5.3.
Brake System Plausibility Device ............................................................................... 55
3.5.4.
TSAL ........................................................................................................................... 57
3.5.5.
Precharge und TS Active ............................................................................................ 58
3.6.
Test Gesamtsystem ....................................................................................................... 59
3.6.1.
Verdrahtung............................................................................................................... 59
3.6.2.
Test ............................................................................................................................ 62
3.7.
4.
Integration in Fahrzeug ................................................................................................. 62
Diskussion und Ausblick .................................................................................................... 64
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 65
Abbildungsverzeichnis .............................................................................................................. 66
Tabellenverzeichnis .................................................................................................................. 67
Anhang...................................................................................................................................... 68
4
IV. Abkürzungen und Begriffserklärung
IV.
Abkürzungen und Begriffserklärung
Bezeichnung
SC (Shutdown-Circuit)
TS (Tractive System)
Beschreibung
Sicherheitskreis
Schaltungen und Verbindungen die mit dem
Hochvoltsystem galvanisch verbunden sind
Shut-Down-Button
Notausschalter
Inertia-Switch
mechanischer Beschleunigungsensor
Interlock
Sicherheitsschalter an Steckern; trennt SC
GLVS (Grounded Low Voltage System) Niedervoltkreis
GLVMS (Grounded Low Voltage Hauptschalter Niedervoltkreis
Master Switch)
TSMS (Tractive System Master Switch) Hauptschalter auf der rechten Seite des Fahrzeugs;
Freigabe zum Aktivieren des HV-Systems
HVD (High Voltage Disconnect)
Steckverbindung zum manuellen Unterbrechen des TS
Precharge-Circuit
Schaltung
zum
Vorladen
der
Zwischenkreiskondensatoren
Discharge-Circuit
Schaltung
zum
Entladen
der
Zwischenkreiskondensatoren
BSPD (Brake System Plausibility Plausibilitätsprüfung des anliegenden Bremsdruck und
Device)
Aktivität der Leistungselektronik
IMD (Insulation Monitor Device)
Isolationswächter
AMS bzw. BMS (Accumulator bzw. Überwachungssystem des Akkumulators
Battery Management Device)
AIR (Accumulator Insulation Relay)
Hauptrelais; Trennt den Akkumulator vom TS
AUX-Contact (Auxiliary Contact)
Prüfkontakt des AIR; der tatsächliche Status des
Arbeitskontakts kann hierüber ermittelt werden
LE (Leistungselektronik)
Leistungselektronik
zum
Umwandeln
der
Gleichspannung in Drehstrom für die Motoren
Intermediate Circuit
Zwischenkreiskondensator
TSAL (Tractive System Active Light)
Warnlicht als Hinweis für ein Aktives TS; befindet am
höchsten Punkt des Überrollbügels
CEH (Central Electronic Housing)
Zentrale
Antriebseinheit;
beherbergt
LEs,
Zwischenkreiskondensator und Schutzschaltungen
5
1. Einleitung
1. Einleitung
Mobilität stellt ein wesentliches Merkmal unserer Zeit dar. Um die Vereinbarkeit der
individuellen Fortbewegung auch in Zukunft zu gewährleisten, ist es unabdingbar, Wege zu
finden unsere begrenzten fossilen Ressourcen zu schonen. Eine Alternative zu herkömmlich
angetriebenen Fahrzeugen bietet die Umstellung auf regenerative Energiequellen. Hier
bleibt die Frage, ob die Energie in chemisch gebundener Form vertrieben werden soll, wie
zum Beispiel Biokraftstoff oder verdichteter Wasserstoff. Als zweiter Weg bietet sich
zentrale Umwandlung in elektrische Energie und Lieferung an den Abnehmer über
technologisch bewährte Netze an. Bei zweiter Variante muss die Energie in einem
entsprechenden Fahrzeug gespeichert werden. Die elektrische Energie wird hierzu in
chemischer
(z.B.
Akkumulatoren,
Elektrolytkondensatoren,
Supercaps)
oder
elektrostatischer (Folienkondensatoren) Form gespeichert.
Die heutigen gängigen Methoden der Speicherung elektrischer Energie zeichnen sich durch
die Fähigkeit aus, spontan und ohne Aktivierungsmechanismen ihre gespeicherte Energie
freizusetzen. Die Herausforderung besteht darin, eine unkontrollierte Freisetzung der
gespeicherten Energie zu verhindern bzw. zu unterbrechen.
6
1.1. Zielsetzung der Arbeit
1.1. Zielsetzung der Arbeit
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein System zur
zu sicheren Aufschaltung und Trennung des
Antriebsstrangs vom Akkumulator eines Formula Student Fahrzeugs zu entwickeln.
Abbildung 1: Formula Student Fahrzeug PWe4.13
Hierbei sollen die Grundanforderungen seitens des offiziellen Reglements der Formula
Student Germany (FSG) der Saison 2013 für das Fahrzeug PWe4.13 des Vereins
Munichmotorsport e.V. gelten. Eine grobe Übersicht über die verschiedenen Themenblöcke
dieser Arbeit
rbeit wird in der folgenden Grafik dargestellt.
7
1.2. Hochvoltsystem – Kurzbeschreibung
Funktion
Aufbau
Anforderungen
Eigene
Anforderungen
Reglement
Design
Test
teaminterne
Anforderungen
Blackbox /
Inbetriebnahme
Abbildung 2: Übersicht Themenblöcke
1.2. Hochvoltsystem – Kurzbeschreibung
Folgender Abschnitt umschreibt kurz die verschiedenen zur HV-Elektrik zählenden
übergeordneten Komponenten und deren Aufgaben am Beispiel des Fahrzeugs PWe4.13.
1.2.1.
Energiespeicher
Der elektrische Energiespeicher ist beim PWe4.13 in zwei Containern verteilt, die seitlich am
Fahrzeug angebracht sind. Die Container selbst sind aus faserverstärten Kunststoff gefertigt.
In den Containern finden sich die im Folgenden aufgelisteten Komponenten wieder.
1.2.1.1.
Zellen
Bei den eingesetzten Zellen handelt es sich Pouchzellen auf Lithium-Cobalt-Basis des Typs
Melasta LPA545135 [1]. Diese haben eine Kapazität von 6100 mAh und eine Nennspannung
von 3,7 V. Die Gesamtzahl aller Zellen beträgt 270. Diese sind in sechs Stacks aufgeteilt (drei
pro Container). Es sind je drei Zellen parallel (3p) zu einer elektrischen Gesamtzelle
8
1.2.1.2. Accumulator Management System (AMS)
verschalten. Von diesen Packs sind in jedem Stack 15 seriell verschalten (15s). Alle sechs
Stacks sind seriell miteinander verschaltet zu der Gesamtkonfiguration 90 seriell und 3
parallel (90s3p).
1.2.1.2.
Accumulator Management System (AMS)
Das Accumulator oder Battery Management System (AMS / BMS) überwacht sowohl die
Spannung als auch die Temperatur der einzelnen Zellen. Verwendet wird ein AMS vom Typ
Lithiumate pro der Firma Elithion [2]. Werden vom Zellhersteller vorgegebene Werte unter
bzw. überschritten, wird eine entsprechende Fehlermeldung über den Fahrzeugbus
ausgegeben und zusätzlich die Hauptrelais (AIRs) und die Leistungselektronik (LE) bzw. die
Ladeelektronik über eine hartverdrahtete Fehlerleitung deaktiviert. Ohne Freigabe des
Fehlerausgangs seitens des AMS ist ein Aktivieren der AIRs nicht möglich.
1.2.1.3.
Hauptrelais (AIR), Vorladeschaltung und Hauptsicherung
Die Hauptrelais stellen im deaktivierten Zustand eine galvanische Trennung beider Pole eines
jeden Containers sicher. Sie sind so auszulegen, dass die im Normalbetrieb auftretende
maximale Stromstärke noch getrennt werden kann. Im Falle des PWe4.13 werden AIRs mit
Hilfskontakten (Auxiliary Contact) verwendet. Über diese Kontakte kann festgestellt werden,
ob die Arbeitskontakte bei deaktiviertem Relais getrennt sind.
Das Vorladerelais (Precharge Relay) bildet zusammen mit den Vorladewiderständen die
Vorladeschaltung. Diese begrenzt den Ladestrom des Zwischenkreiskondensators
(intermediate circuit) der Leistungselektronik.
Laut Reglement muss mindestens ein Pol des Hochvolt-Systems (HV-System) manuell von
außen trennbar sein. Diese Hochvolt-Trennstelle (HV-Disconnetct, HVD) ist zusätzlich mit
einem Interlock-Schalter versehen, der den Sicherheitskreis (Shutdown Circuit, SC) bei
Betätigung unterbricht und so automatisch die AIRs öffnet.
9
1.2.2. Central Electronic Housing
1.2.2.
Central Electronic Housing
Das Central Electronic Housing (CEH) beinhaltet elektrische und mechanische Komponenten
des Antriebsstrangs. Im Folgenden werden die direkt auf das HV-System wirkenden
Komponenten beschrieben.
1.2.2.1.
IMD
Das Insulation Monitor Device (IMD) der Firma Bender vom Typ IR155-3203 [3] überwacht
die galvanische Trennung zwischen dem HV-und LV-System. Wird ein vorgeschriebener Wert
des Isolationswiderstands unterschritten, deaktiviert das IMD das HV-System über die S-Box
dauerhaft.
1.2.2.2.
Zwischenkreiskondensator und Entladeschaltung
Der Zwischenkreiskondensator (Intermediate Circuit) befindet sich direkt vor der
Leistungselektronik (LE). Dieser ist notwendig um störende Schwingungen zu dämpfen, die
von der LE generiert werden. Darüber hinaus werden Spannungsspitzen, die bei schnellen
Lastwechseln entstehen, auf niedrigen Werten gehalten, um die Endstufentransistoren der
LE nicht zu zerstören.
Bei einer Deaktivierung des HV-Systems muss in einer vorgegebenen Zeit die Spannung in
dem Zwischenkreiskondensator den Wert von 40 V unterschreiten. Dies wird durch eine
Entladeschaltung ähnlich der Vorladeschaltung realisiert.
1.2.2.3.
Leistungselektronik und Motoren
Der PWe4.13 wird über die beiden Hinterräder jeweils von einem Motor angetrieben. Die
Motoren arbeiten voneinander unabhängig. Bei den Motoren handelt es sich um permanent
erregte Drehstrommaschinen. Für deren Betrieb wandeln die Leistungselektroniken (LE) den
Gleichstrom aus dem Akkumulator in Drehstrom um, der zur Winkelposition der Motoren
synchron ist. Die Umwandlung des Gleichstroms erfolgt durch entsprechendes Schalten von
IGB-Transistoren. Rekuperation ist möglich, wird aber beim PWe4.13 nicht angewendet.
10
1.2.3. Notauskreis / Shutdowncircuit
1.2.3.
Notauskreis / Shutdowncircuit
Der Notauskreis (Shutdown Circuit / SC) ist eine Sicherheitseinrichtung, die die AIRs bei
definierten Anforderungsbedingungen öffnet und somit das HV-System deaktiviert. Folgende
Ereignisse führen zu einer Abschaltung:
-
Abschaltung über einen der beiden Hauptschalter
Betätigung eines Notausschalters (Shutdown Button)
Überschreitung eines Beschleunigungswertes
Durchfallen des Bremspedals
Öffnen des HVD
AMS Fehler
IMD Fehler
Auslösen des Brake System Plausibility Device (BSPD)
1.3. S-Box
Die Schaltbox (S-Box) ist eine elektronische Schaltung, die über die Freigabe zur Aktivierung
des HV-Systems durch die AIRs und die Vorladeschaltung entscheidet. Die S-Box umfasst
darüber hinaus alle im Reglement von 2013 vorgeschriebenen Schaltungen, die nicht
programmierbar verwirklicht werden dürfen. Es werden über die S-Box sicherheitsrelevante
Funktionen verschiedener Baugruppen miteinander verbunden.
-
Verbindet AIRs, LE, AMS, IMD, Shutdown Circuit
Beinhaltet BSPD
Steuert das Tractive System Active Light (TSAL)
HV-Warnleuchte an den Containern
Die S-Box selbst ist in folgende Baugruppen unterteilt:
-
Master Platine
Slave Platine
HV-on-Check
Precharge Circuit
Discharge Circuit
LED-Statusleiste
Eine Übersicht der Komponenten der S-Box und deren Integration in die in das
Gesamtsystem sind in Abbildung 31: Architektur HV-System PWe4.13 im Anhang zu sehen.
11
1.3.1. Anforderungen des Reglements
1.3.1.
Anforderungen des Reglements
Das Tractive System und das Grounded Low Voltage System (GLV-System) sind galvanisch
getrennt [EV1.2.7] [4]. Die Bereiche auf Platinen, die gleichzeitig Teile des GLV-Systems und
Tractive Systems beherbergen, sind klar gekennzeichnet und der maximal auftretenden
Spannung entsprechend separiert [EV4.1.7] [4].
Ein Ausfall des GLV-Systems führt automatisch zu einer Deaktivierung des Tractive Systems
[EV1.2.9] [4].
Die AIRs werden direkt über den Shutdown Circuit versorgt [EV5.1.1] [4]. Das Öffnen bzw.
Unterbrechen des Kreises deaktiviert alle AIRs [EV5.1.3] [4]. Sämtliche Schaltungen des
Shutdown Circuit öffnen diesen, sobald sie nicht mit Bordspannung versorgt werden
[EV5.1.6] [4]. Folgende Komponenten wirken direkt auf den Shutdown Circuit [EV5.1.2] [4],
wobei der Hauptschalter des Antriebssystems (Tractive System Master Switch, TSMS) der
letzte Schalter vor den AIRs ist [EV5.2.4] [4]:
-
Hauptschalter Niedervolt (Grounded Low Voltage Master Switch, GLVMS)
drei Notausschalter (Shut-Down Buttons)
Notausschalter bei durchfallendem Bremspedal (Brake-Over-Travel-Switch) [EV5.4]
[4]
Beschleunigungssensor
Interlockkontakte
IMD
AMS
Bremssystem Plausibilitätsprüfung (Brake System Plausibility Device)
Hauptschalter des Antriebssystems (Tractive System Master Switch, TSMS)
Der TSMS ist der Letzte Schalter des SC.
Beide Akkucontainer des PWe4.13 verfügen über je über eine Sicherung und zwei AIRs
[EV3.3.2, EV3.5.1, EV6.1] [4]. Die AIRs öffnen beide Pole der Container [EV3.5.2] [4] und die
Arbeitskontakte sind im Ruhzustand geöffnet (normally open, EV3.5.3 [4]).
Die HV-Stecker, die die Akkumulatoren mit dem CEH verbinden, können ohne Nutzung von
Werkzeug abgesteckt werden. Aus diesem Grund sind diese mit einem Interlock-Kontakt
versehen, der beim Abziehen eines der Stecker den Shut Down Circuit unterbricht und die
AIRs öffnet [EV3.3.6] [4].
Sobald eine Spannung an einer beliebigen Stelle des Tractive Systems 40 V überschreitet
muss eine Warnleuchte an den Containern aktiviert werden [EV3.3.8] [4]. Diese
Warnanzeige muss eigeneständig ohne externe, zusätzliche Beschaltung funktionieren
12
1.3.1. Anforderungen des Reglements
[EV3.3.10] [4] und durch eine nicht programmierbare Schaltung (hard wired) gesteuert
werden [EV3.3.9] [4].
Das AMS und das IMD können über eine direkte Leitung zur S-Box im Fehlerfall die AIRs
öffnen und so das TS deaktivieren [EV3.6.7, EV5.5.4] [4]. Der IMD-Fehler wird dem Fahrer
mittels roter Warnleuchte im Cockpit angezeigt [EV5.5.5] [4]. Ein AMS- bzw. IMD-Fehler wird
dauerhaft in der S-Box gespeichert und unterbricht den Shutdown Circuit [EV4.11.1, EV5.1.4,
EV5.1.5] [4]. Erst durch ein Zurücksetzen des Fehlers über einen für den Fahrer
unzugänglichen Resetknopf gibt das TS für eine erneute Aktivierung frei.
Die Tractive System Measuring points (TSMP) sind mit den Versorgungsleitungen der LEs
verbunden [EV4.5.5] [4]. Beide Anschlüsse sind mit je einem Widerstand abgesichert
(EV4.5.6).
Beim öffnen des HV Disconnect wird der Shutdown Circuit unterbrochen und die AIRs
deaktiviert [EV4.8.5] [4].
Der Zwischenkreiskondensator wird über den Vorladekreis (Pre-Charge Circuit) auf über 90%
der aktuellen Akkuspannung vorgeladen, bevor das letzte AIR geschlossen ist (EV4.12.1). Bei
geöffnetem Shutdown Circuit wird der Vorladekreis nicht aktiviert. Die Vorladezeit ist
entsprechend berechnet [EV4.12.2] [4].
Nach Deaktivierung des TS fällt innerhalb von fünf Sekunden die Spannung im TS auf unter
40 V [EV5.1.3] [4]. Hierfür ist eine Entladeschaltung (Dis-Charge-Circuit) verantwortlich.
Deren Entladewiderstände sind so dimensioniert, dass sie bis zu 15 Sekunden den
maximalen Entladestrom tragen können [EV4.12.3] [4]. Durch das verwendete, im
stromlosen Zustand geschlossene (normally closed) Relais der Entladeschaltung wird der
Zwischenkreiskondensator auch bei geöffnetem Shutdown Circuit entladen [EV4.12.4] [4].
Das Tractive-system-active light (TSAL) wird aktiviert sobald eines der AIRs geschlossen ist
oder die Spannung außerhalb der Container 40 V überschreitet [EV4.13.1] [4]. Das TSAL,
dessen Schaltung und Ansteuerung nicht programmierbar umgesetzt ist [EV4.13.4] [4],
blinkt mit einer Frequenz von 2 Hz bis 5 Hz [EV4.13.3] [4].
Die Bremssystem Plausibilitätsprüfung Schaltung (Brake System Plausibility Device, BSPD)
öffnet den Shutdown Circuit, wenn folgende Bedingungen für 0,5 Sekunden gleichzeitig
erfüllt sind:
-
es wird eine elektrische Gesamtleistung von über 5 kW an die Motoren abgegeben
eine starke Bremsung mit nicht blockierenden Rädern
Das BSPD kann nur durch Neustart des Fahrzeugs über den GLVMS zurückgesetzt werden.
Die Schaltung ist aus nicht programmierbaren Elementen aufgebaut [EV5.6] [4].
13
1.3.1. Anforderungen des Reglements
Abbildung 3: Skizze Shutdown Circuit EV5.1.3 [4]
14
1.3.2. Anforderungen Seitens Fahrzeug PWe4.13
1.3.2.
Anforderungen Seitens Fahrzeug PWe4.13
Die Versorgungsspannung der S-Box liegt zwischen 10,0 V bis 16,8 V. Der maximale
kurzfristige Stromverbrauch aller an den Shutdown Circuit angeschlossenen Verbraucher
überschreitet nie 5 A. Eine weitere Entlastung des Shutdown Circuits wird durch die
Pufferung der Versorgungsspannung mit Kondensatoren direkt vor den AIRs gewährleistet
[EV5.1.8] [4].
Alle Ein- und Ausgänge der S-Box, die als Schnittstelle zur Steuerelektronik des Fahrzeugs
dienen, sind TTL kompatibel ausgelegt [5]. Die Ausgänge sind gegen Fahrzeugmasse
kurzschlusssicher, die Eingänge sind verpolungssicher, dauerhaft spannugsfest bis +/- 30 V
und unempfindlich gegenüber statischer Elektrizität.
Die an das TS angeschlossenen Schaltungen sind für eine Spannung von 225 V bis 378 V
ausgelegt.
Das TS wird nur bei gültigem und dauerhaft anliegendem Überwachungsbit (Life-Bit) aktiv
gehalten. Ohne dieses werden die AIRs deaktiviert.
Bei Aktivierung des Niedervoltsystems des Fahrzeugs ist die Schaltung definiert Inaktiv, d.h.
die AIRs können unabhängig von zufälligen Schaltpegeln seitens der Fahrzeugsteuerung
während des Systemstarts für eine Zeit von 3 Sekunden nicht aktiviert werden.
Es ist nicht möglich ohne Aktivierung des Precharge Circuits die AIRs zu schließen.
Der Status des BSPD wird verzögerungsfrei an die Fahrzeugsteuerung weitergegeben.
Jede Art der Deaktivierung des TS führt zu einem sofortigen Abschalten der LEs über deren
Fehlereingänge. Umgekehrt führt ein Fehlerereignis einer oder beider LEs zum sofortigen
Öffnen der AIRs.
Der Status der S-Box wird für Schnelldiagnosen über eine LED-Leiste ausgegeben.
15
2. S-Box
2. S-Box
Im folgenden Kapitel werden die verschiedenen Baugruppen der S-Box, deren Funktion und
Konstruktion dargestellt. Die verschiedenen Baugruppen sind:
-
S-Box Master (Central Electronic Housing)
S-Box Slave (1x pro Container)
AIR (2x pro Container)
HV-on Test (1x pro Container)
Precharge Circuit (rechter Container)
Discharge Circuit (Central Electronic Housing)
Bremsdrucksensor (Brake Pressure Sensor, Bestandteil des Bremskreises)
Stromsensor TS (Central Electronic Housing)
TSAL Warnleuchte (höchster Punkt unter Überrollbügel)
TSMP (rechte Fahrzeugseite)
Schalter Shutdown Circuit; Positionen in Klammern
o GLVMS und TSMS (rechte Fahrzeugseite)
o 3x Shutdown Button (rechte und linke Fahrzeugseite, Cockpit)
o Inertia Switch (Cockpit)
o Brake Over Travel Switch (Bremspedal)
Zusätzlich sind folgende Fahrzeugkomponenten mit der S-Box verbunden:
-
LE Fehler Ein- und Ausgänge
BMS Fehler Ausgang
IMD Fehlerausgang
Eine Übersicht über die Verbindung zwischen den Komponenten ist in Abbildung 4
dargestellt.
16
TSAL
Accumulator Right
Brake
Pressure
Sensor
AMS/IMD
reset
2. S-Box
S-Box Status
Panel
Central Electronic Housing
Pre-Chg
-
S-Box Master
S-Box
Slave Right
-
TSAL
Control
AIR
-
Stacks
AIR
Controller
Brake System
Plausibility Device
Disable
AIRs
HV-ontest
>20V
HV_ON
LED
Switching Logic
&
Life-Bit
Reset
Accumulator Left
Latching
S-Box
Slave Left
AIR
CurrentSensor
TS
Fault
-
Stacks
-
AIR
AMS fault
IMD fault
IMD
Disable
AIRs
HV_ON
LED
HV-ontest
>20V
Dis-Chg
AMS
-
Shutdown
Circuit
AMS Fault
TSMP
Resistors
LE fault
(NC)
LE
right
GLVMS
Brake Over Travel
Switch
Inertia Switch
Shutdown Button
Shutdown Button
left
Shutdown Button
right
TSMS
TSMP
LE
left
Abbildung 4: Übersicht Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten
17
2.1. Allgemeine Daten
2.1. Allgemeine Daten
Die zulässigen Werte für die Versorgungsspannung liegen zwischen 10 V und 18 V. Alle
Ausgänge zur Fahrzeugsteuerung sind kurzschlussicher gegen Fahrzeugmasse und TTLkompatibel. Sämtliche von außen abgreifbaren Signale werden über Transistoren, die als
Low-Side-Switch fungieren, von den internen Signalen der S-Box entkoppelt. Damit soll das
Risiko verringert werden, dass von außen kommende Störungen über die Ausgänge Einfluss
auf Schaltzustände innerhalb der S-Box haben.
Die Eingänge, die mit der Steuerung des Fahrzeugs verbunden sind, sind low-aktiv und
werden über Pull-Up-Widerstände im nicht angeschlossenen Zustand auf einem definierten
Zustand gehalten. Diese Eingänge sind ebenfalls TTL-kompatibel. Durch die Pull-UpWiderstände können Open-Kollektor Ausgänge angeschlossen werden.
Die drei Bauelemente IC101, IC402 und D101 sind auf einer Aluminiumleiste montiert, die
mit der Platine verschraubt ist und über die Schrauben mit Ground verbunden ist. Das
Bauteil D101 ist gegenüber der Leiste isoliert.
18
2.1.1. Verwendete Grundschaltungen
2.1.1.
Verwendete Grundschaltungen
Im Schaltplan der S-Box erkennt man sich wiederholende Grundschaltungen. Zum besseren
Verständnis werden diese im folgenden Kapitel erläutert. Die Schaltung ist soweit möglich
aus generischen, auf dem Markt leicht erhältlichen Bauelementen aufgebaut.
2.1.1.1.
Eingangsschaltung
Die Schutzbeschaltung für Transistoren ist in Abbildung 5 zu sehen. Sie besteht aus der
Zenerdiode D1 und dem Widerstand R1. Für TTL-Konforme Pegel ist eine Zener-Diode mit
dem Wert 4,7 V verwendet worden. Der Widerstand R2 sorgt für einen definierten Pegel bei
nicht angeschlossenem Eingang.
Abbildung 5: Eingangsschaltung 1
Zum Schutz der Eingänge von Integrierten Schaltungen (Integrated Circuit, IC) wird auf
Grund des Latch-Up-Effekts die Schaltung nach Abbildung 6 verwendet.
Abbildung 6: Eingangsschaltung 2
19
2.1.1.2. Diskret aufgebaute Gatter
2.1.1.2.
Diskret aufgebaute Gatter
Für eine flexible Gestaltung der Schaltlogik bietet sich die Verwendung von diskret
aufgebauten Gattern an. In den Abbildungen 7, 8 und 9 werden ein Inverter, ein diskret
aufgebautes Nicht-Oder- (NOR) und ein Nicht-Und Gatter (NAND) gezeigt. Das Gate des
verwendeten Transistortyps 2N7002 [6] ist TTL-kompatibel.
Abbildung 7: Diskreter Inverter
Abbildung 8: Diskretes NOR-Gatter mit zwei Eingängen
20
2.1.1.2. Diskret aufgebaute Gatter
Abbildung 9: Diskretes NAND-Gatter mit vier Eingängen
21
2.1.1.3. Verzögerungsglied
2.1.1.3.
Verzögerungsglied
Die Schaltungen zum Verzögern eines Schaltereignisses bestehen im Wesentlichen aus
einem RC-Glied und einem Schmitt-Trigger vom Typ SN74LVC1G17 von Texas Instruments
[7]. Die in Abbildung 10 gezeigte Schaltung wird nach Systemstart bei einem Low-Pegel am
Eingang auf Grund des ungeladenen Kondensators zunächst einen Low-Pegel am Ausgang
annehmen, die in Abbildung 11 bei Systemstart entsprechend einen High-Pegel.
Abbildung 10: Verzögerungsglied „low“ nach Systemstart
Abbildung 11: Verzögerungsglied „high“ nach Systemstart
22
2.1.1.3. Verzögerungsglied
Die Übertragungsfunktion ist in Abbildung 12 wiedergegeben.
Abbildung 12: Übertragungsfunktion Verzögerungsglied
Die Verzögerungszeit Δt wird nach Gleichung 1 berechnet. Für die Trigger-Spannung Utrig
wird der Wert 2,19 V angenommen.
=−
(Gl. 1)
23
2.2. Master-Platine
2.2. Master-Platine
Die Master-Platine der S-Box (S-Box Master) bildet die zentrale Schnittstelle zwischen den
übrigen S-Box-Komponenten und der Steuerung des Fahrzeugs. Sie der Endpunkt des
Shutdown Circuits, hat jeweils einen Eingang für den Fehlerstatus des AMS und IMD und
speichert dauerhaft das Fehlerereignis, beherbergt das BSPD und die Steuerung des TSAL.
2.2.1.
Life-Bit
Das Life-Bit stellt eine Absicherung seitens der S-Box dar, mit der geprüft wird, ob die
fahrzeugseitige Steuerung valide Signale liefert. Sollte in Folge eines Hardwaredefekts oder
Softwarefehlers das Life-Bit gestört sein, wird das TS innerhalb von 0,5 Sekunden
deaktivieren. Ein gültiges Signal des Life-Bits stellt eine pulsierende Rechteckspannung dar,
deren high- bzw. low-Pegel zwischen 0,1 ms bis 10 ms lang anliegt. Der Schaltplan ist in
Abbildung 13 zu sehen.
Abbildung 13: Schaltplan Life Bit
24
2.2.2. IMD und AMS Fehlerspeicher
2.2.2.
IMD und AMS Fehlerspeicher
Zum Speichern eines IMD- oder AMS-Fehlers befindet sich das bistabile Relais Re201
(Abbildung 14) auf der Platine (Latching). Es kann nur über einen externen Taster
zurückgesetzt werden. Fehlersignale sind erst gültig, wenn diese durchgängig länger als 3
Sekunden anliegen. Hierdurch werden zufällige Pegel ignoriert. Das Relais unterbricht nach
einem Fehlerereignis die Stromversorgung der Haltespule von Relais Re202 (Abbildung 14)
und unterbricht so den Shutdown Circuit.
Abbildung 14: IMD und AMS Fehlerspeicher
25
2.2.3. BSPD
2.2.3.
BSPD
Das Brake System Plausibility Device BSPD) stellt sicher, dass eine Leistungsabgabe über Psoll
= 5 kW an die Motoren und die starke Betätigung der Bremse nach 0,5 Sekunden zu einer
Deaktivierung des TS führt.
Hierzu wird der anliegende Strom beider LEs über einen Stromsensor vom Typ DAHB s43 der
Firma LEM [8] ermittelt. Laut Reglement errechnet sich der Schwellwert für den Strom Isoll
aus der Nominalspannug Unom des Akkus wie folgt [EV5.6] [4]:
=
(Gl. 2)
Bei einer Spannung Unom = 333 V beträgt der Sollwert Isoll = 15 A. Der Sollwert ist
entsprechend mit Trimmer R303 (Abbildung 15) abgestimmt.
Als starke Betätigung der Bremse ist laut Reglement (EV5.6) ein Bremsvorgang ohne
blockierende Räder definiert. Hierfür wird der Bremsdruck des vorderen Bremskreises mit
einem Sensor vom Typ EPT3100 der Firma Variohm [9] ermittelt. Der Sollwert für die
Auslöseschwelle wurde in mehreren Testfahrten ermittelt und ist mit der Stellung von
Trimmer R307 (Abbildung 15) hinterlegt.
Werden beide Bedingungen erfüllt, wird Verzögerungsfrei ein Signal an die
Fahrzeugsteuerung übermittelt, um ggf. die Motorleistung unter 5 kW zu reduzieren. Wird
die Bedingung 0,5 Sekunden ununterbrochen erfüllt, so wird der Shutdown Circuit
unterbrochen (Transistor T204, Relais Re202, Abbildung 15) und der Neustart des Fahrzeugs
wird durch Speicherung des Fehlers in der Fahrzeugsteuerung unterbunden.
26
2.2.3. BSPD
Abbildung 15: Schaltplan Brake System Plausibility Device
27
2.2.4. TSAL
2.2.4.
TSAL
Das TSAL wird durch drei Ereignisse aktiviert.
1. Messung einer Spannung von über 20 V an den beiden HV-Ausgängen der Container
durch die HV-on-Platinen
2. Aktivierung einer Relais-Ansteuerung der Switching Logic
3. Geschlossener Auxiliary-Kontakt eines AIRs
Die Auswertung der Ereignisse geschieht durch die Schaltung bestehend aus den
Transistoren T405 bis T407.
Das TSAL wird über eine Oszillatorschaltung um den IC401 (Abbildung 16) mit einer Frequenz
von rund 4 Hz gepulst. Um den Stromverbrauch möglichst gering zu halten, ist ein ImpulsPausen-Verhältnis von ca. 1:60 (R402, R401, Abbildung 16) eingestellt. Im Warnlicht selbst
befinden sich zwei rote Leistungs-LEDs in Serienschaltung vom Typ Seoul P4 [10]. Der Strom
für die LEDs wird auf unter 350 mA begrenzt durch den Festspannungsregler IC402 und die
Widerstände R406 und R407.
Bei aktviertem TSAL wird der Ausgang K102 Pin6 einen Low-Pegel ausgegeben.
Abbildung 16: Schaltplan Tractive System Active Light
28
2.2.5. Switching Logic
2.2.5.
Switching Logic
Die Schaltlogik auf der S-Box entscheidet über die Aktivierung der AIRs. Hierzu werden
mehrere Signale über eine Logikschaltung ausgewertet. Alle von Fahrzeugseite gesteuerten
Schaltmöglichkeiten der S-Box setzen folgende Ausgangsbedingungen voraus:
-
es liegen keine aktuellen bzw. gespeicherten (Latching) IMD- oder AMS-Fehler vor
ein gültiges Life-Bit-Signal ist vorhanden
der Shutdown Circuit ist durchgängig geschlossen
die Bedingungen zum Auslösen des BSPD sind nicht erfüllt
Wird eine der Ausgangsbedingungen nicht erfüllt, wird das TS durch Öffnen der AIRs
deaktiviert. Eine Aktivierung ist erst nach Herstellung aller oben genannten Bedingungen
möglich.
Der Schaltplan ist in Abbildung 17 dargestellt.
29
2.2.5. Switching Logic
Abbildung 17: Schaltplan Switching Logic
30
2.2.5.1. Precharge
2.2.5.1.
Precharge
Die Vorladung (Precharge) des Zwischenkreiskondensators wird durch ein low-Signal am
Eingang D0 gestartet. Hierdurch werden beide AIRs des linken Containers, das AIR im
negativen HV-Strang des rechten Containers geschlossen und der Dis-Charge Circuit
deaktiviert. Hierzu wird eine Spannung von über 4 V an Klemme K104 Pin 5 der MasterPlatine ausgegeben. Zusätzlich wird der Precharge Circuit im rechten Container aktiviert
(Klemme K104, Pin 3, Master-Platine). Der beschriebene Schaltzustand wird in Abbildung 18
gezeigt.
Accumulator Right
Pre-Chg
AIR
45s3p
AIR
HV-ontest
>20V
HV_ON
LED
LE
right
Accumulator Left
45s3p
Intermediate
Circuit
AIR
AIR
HV-ontest
>20V
HV_ON
LED
LE
left
Abbildung 18: Schaltzustand „Precharge”
2.2.5.2.
Aktivschalten des Tractive Systems
Um das letzte AIR schließen zu können muss als zusätzliche Voraussetzung ein positiver HVon Test beider Containerausgänge vorliegen, d.h. die Spannung an HV-Anschlüssen der
Container muss wenigstens jeweils 20 V überschreiten. Dies soll eine unbeabsichtigte
Aktivierung aller AIRs ohne Vorladung oder bei einem Kurzschluss auf LE-Seite wird von der
Switching Logic verhindert.
31
2.2.5.2. Aktivschalten des Tractive Systems
Liegen an beiden HV-Anschlüssen über 20 V an, gibt der Ausgang K102 Pin7 ein Low-Signal
aus.
Nach erfolgreich durchgeführtem Precharge wird das letzte AIR durch Anlegen eines LowSignals an den Eingang D1 (K102 Pin4) geschlossen. Nach ca. 0,5 Sekunden ist der Eingang D0
(Percharge) wieder auf high zu setzen.
Das TS wird nur durch das Low-Signal an Eingang D1 im aktiven Zustand gehalten. Liegt an
dem Eingang D0 länger als 8 Sekunden ein Low-Pegel an, werden die AIRs geöffnet und der
Startvorgang muss wiederholt werden. Hiermit soll verhindert werden, dass nach einer nicht
erkannten Deaktivierung des Systems, die Fahrzeugsteuerung unbeabsichtigt mit dem
Vorladen des Zwischenkreiskondensators beginnt. Der Schaltzustand des aktiven TS ist in
Abbildung 19 dargestellt.
Accumulator Right
Pre-Chg
AIR
45s3p
AIR
HV-ontest
>20V
HV_ON
LED
LE
right
Accumulator Left
45s3p
Intermediate
Circuit
AIR
AIR
HV-ontest
>20V
HV_ON
LED
LE
left
Abbildung 19: Schaltzustand TS aktiv
32
2.3. Slave-Platine
2.3. Slave-Platine
Die Slave-Platine schaltet beide in einem Container befindlichen AIRs. Hierzu wird das
Steuersignal zum Aktivieren der AIRs der Master-Platine an den Transistor T2 bzw. T3
geleitet. Bei den Transistoren handelt es sich um FETs (Feld Effekt Transistor) mit TTLkompatiblen Gate vom Typ BSO119N von Infineon. Die FETs ist als Low-Side-Switch mit dem
negativen Spulenanschluss der AIRs verbunden. Der positive Spulenanschluss wird direkt
vom Shutdown Circuit versorgt. Auf der Slave-Platine befinden sich mehrere
Elektrolytkondensatoren, die das Abschalten der AIRs durch öffnen des Shutdown Circuits
um bis zu 250 ms Verzögern [EV5.1.8] [4].
Die verwendeten AIRs vom Typ EV200HAANA der Firma Tyco-Kilovac [11] besitzen eine
integrierte Vorschaltelektronik. Laut Datenblatt beträgt der Einschaltstrom 3,8 A für 130 ms,
der Haltestrom ca. 0,13 A bei 12 V. Ein gleichzeitiges Schließen mehrerer AIRs übersteigt die
maximal zulässige Stromstärke des Shutdown Circuits von 5 A. Um das zu verhindern ist eine
Verzögerungsschaltung für ein AIR auf der Slave-Platine integriert und wird mit dem
Widerstand R7 (Abbildung 20) eingestellt. Die Verzögerungszeit der Slave-Platine im linken
Container beträgt t1 = 1,1 s (R7 = 22 kΩ), im rechten Container t2 = 0,5 s (R7 = 10 kΩ). Die
Diode D8 bewirkt, dass die AIRs verzögerungsfrei deaktiviert werden können.
Während des Ladevorgangs sind die Container nicht mit der Master-Platine verbunden.
Damit das AMS auch in dieser Situation die AIRs deaktivieren kann, wird der die FaultLeitung des AMS zusätzlich auf den Slave-Platinen ausgewertet. Bei aktiver Fehlerleitung
wird das Relais Re1 (Abbildung 20) geöffnet und die AIRs werden deaktiviert.
33
2.4. Precharge Circuit
Abbildung 20: Schaltplan Slave-Platine
2.4. Precharge Circuit
Der Precharge Circuit dient zur Vorladung des Zwischenkreiskondensators (Abbildung 21).
Der Precharge Circuit wird aus dem Relais Re11 vom Typ Mini K HV (Tyco) [12] und den
Leistungswiderständen R11 bis R16 gebildet. Die Widerstände vom Typ LTO 50 von Vishay
[13] haben einen Wert von 100 Ω und eine maximale Verlustleistung von 50 W. Die in Serie
geschalteten Widerstände haben einen Gesamtwert von Rges 600 Ω. Für die benötigte
Vorladezeit für den Zwischenkreiskondensator mit der Kapazität von C = 1600 µF, um 90 %
der aktuellen Akkuspannung zu erreichen, ergibt sich aus der Formel Gl. 3 tC = 2,2 s.
34
2.4. Precharge Circuit
=−
Gl. 3
ln(1 − 0,9)
Bei der Festlegung der Vorladezeit muss die längste Einschaltverzögerung der AIRs durch die
Slave-Platine berücksichtigt werden, in diesem Fall t1 = 1,1 s (Gl. 4).
'(
=
Gl. 4
+
Somit ergibt sich eine Gesamtzeit tpre von 3,3 s.
Die Gehäuse der Leistungswiderstände mit der Bauform TO220 sind zur Kühlung auf einer
Aluminiumleiste (spezifische Wärmekapazität cAlu = 897 J / kg / K) montiert. Diese hat eine
ausreichende Wärmekapazität, um die Temperatur der Widerstände im zulässigen Bereich
(ΔTR max = 80 K) für eine Zeit t15 = 15 s [EV4.12.2] [4] bei maximal möglicher Verlustleistung zu
halten. Die Masse mAlu = 53 g ergibt sich aus der Formel Gl. 5.
*+ , =
-. /01
234 -. 56 7
=
-.
8/
01
9 : 234 -. 56 7
Gl. 5
Für die Berechnung steht eine Excel-Tabelle auf der CD im Anhang [14] zur Verfügung.
35
2.4. Precharge Circuit
Abbildung 21: Schaltplan Precharge-Platine
36
2.5. Discharge Circuit
2.5. Discharge Circuit
Nach Deaktivierung des TS wird mit dem Discharge Circuit (Abbildung 22) die Entladung des
Zwischenkreiskondensators innerhalb von tdis = 5 s auf unter Udis = 40 V sichergestellt. Die
Widerstände des Discharge Circuits sind baugleich zu denen des Precharge Circuits. Das
Relais G81B von Gigavac [15] ist vom Typ „normally closed“, d.h. bei nicht versorgter Spule
sind die Arbeitskontakte geschlossen. Damit ist der Discharge Circuit bei Ausfall des GLVSystems aktiv. Der maximal zulässige Gesamtwiderstandswert, um die Entladezeit
einzuhalten, kann mit Gleichung Gl. 6 berechnet werden.
=−
/;
=
< ;
=
Gl. 6
-.
Der Gesamtwiderstand muss folglich unter 1372 Ω liegen. Tatsächlich werden die gleichen
Widerstände, die auch schon bei der Precharge-Schaltung verwendet werden, eingesetzt.
Für die thermische Absicherung gelten die gleichen Voraussetzungen wie unter Punkt 2.4.
für die Precharge-Schaltung.
Zusätzlich befinden sich auf der Discharge-Platine die Schutzwiderstände für die TSMP. Diese
haben einen Wert von 10 kΩ und entsprechen somit der Vorschrift EV4.5.6 [4]. Mit einer
erlaubten Verlustleistung von bis zu 7 W sind diese für einen dauerhaften Kurzschluß der
TSMP ausgelegt.
37
2.5. Discharge Circuit
Abbildung 22: Schaltplan Discharge-Platine
38
2.6. HV-on Detect
2.6. HV-on Detect
Der HV-on Detect ist in beiden Akkucontainern integriert und über je eine eigene Leitung mit
der Master-Platine verbunden (Abbildung 23). Die Schaltung und überwacht die HVAusgänge. Liegt eine Spannung von knapp 20 V oder mehr an, wird eine an jedem Container
angebrachte Warnleuchte aktiviert. Auf Grund der Serienschaltung der beiden Container
wurde als Auslösespannung der halbe Wert der TS-Active Spannung von 40 V gewählt
[EV3.3.8] [4].
Die Schaltung ist für eine Spannung von maximal 300 V dauerhaft ausgelegt. Folglich beträgt
die zulässige Spannung des Gesamtsystems (Serienschaltung beider Container) 600 V. Bis zu
dieser Spannung wird die Schaltung nicht durch Verpolung beschädigt.
Die Schaltschwelle ist mit der Zenerdiode D2 eingestellt. Die Widerstände R3 bis R12
begrenzen den Basisstrom des Transistors T1. Sobald der Transistor bei Überschreitung der
Zenerspannung niederohmig wird, fließt ein Strom durch die folgenden, in Serie
geschalteten Bauteile:
-
Warn-LED an Klemme K22
LED D4
Optokoppler IC1
Widerstand R2
Zur Begrenzung dieses Stroms ist der Widerstand R2 verantwortlich. Die Kombination aus
dem Leistungswiderstand R1 und Zenerdiode D1 begrenzt die Spannung durch die
Serienschaltung.
Zur Berechnung der Bauteile befindet sich eine Exceltabelle auf der CD im Anhang [14].
39
2.6. HV-on Detect
Abbildung 23: Schaltplan HV-on-Platine
40
2.7. LED Statusleiste
2.7. LED Statusleiste
Die LED Statusleiste dient zur Anzeige des aktuellen Schaltzustands der S-Box. Die
augegbenen Signale und deren Bedeutung sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Nr. LED
1
Farbe
LED
grün
Schaltzustand bei Bezeichnung
leuchtender LED
aktiv
PWR
2
blau
aktiv
D0
3
grün
aktiv
D1
4
gelb
inaktiv
AIR release
5
6
gelb
gelb
unterbrochen
aktiv
Shutdown Circuit
BSPD
7
gelb
aktiv
latching FLT
8
9
10
11
gelb
gelb
gelb
gelb
aktiv
aktiv
aktiv
aktiv
BMS flt
IMD flt
alive_Bit
D0_timeout
12
13
blau
grün
aktiv
aktiv
Re_pre-chg
Re_pos
14
grün
aktiv
Re_neg
15
rot
aktiv
AIR_AUX
Beschreibung
Versorgung der Master-Platine durch
GLVS
Precharge-Signal
von
Fahrzeugsteuerung
Signal zur Aktivierung des TS durch
Fahrzeugsteuerung
bei erloschener LED sind beide HV-on
Detcts aktiv
Precharge erfolgreich
D0 (TS) kann aktiviert werden
Shutdown Circuit offen / geschlossen
Bedingungen zum Auslösen des BSPD
sind erfüllt
gespeichertes
AMS/
IMDFehlerereignis liegt vor
AMS (BMS) Fehler
IMD Fehler
Life-Bit fehlerhaft
zulässige
Precharge-Zeit
übreschritten
Relais Precharge aktiv
positive HV-Anschluss durch AIR
aktivgeschalten
negativer HV-Anschluss durch AIR
aktivgeschalten;
Discharge-Circuit deaktiviert
Auxiliary-Kontakt von mindestens
einem AIRs geschlossen
Tabelle 1: Bezeichnung LED-Statusleiste
Der Precharge-Vorgang kann erst gestartet werden, wenn alle gelben LEDs außer AIR release
(LED Nr. 4) aus sind. Diese muss nach erfolgreichem Precharge ebenfalls erlöschen. Um das
TS endgültig aktiv zu schalten, müssen alle gelben LEDs aus sein. Bei korrekt aktiviertem TS
leuchten lediglich die LEDs PWR, D1, Re_pos, Re_neg und AIR_AUX.
41
3. Test und Inbetriebnahme
3. Test und Inbetriebnahme
Die Platinen sind den Layouts auf der CD im Anhang entsprechend gefertigt. Die Bestückung
ist nach den Stücklisten und dem Bestückungsplan auf der CD [14] im Anhang durchgeführt.
Für die Tests sind folgende Geräte erforderlich:
-
-
vier geregelte DC-Netzteile (Netzteil A, B, C und D) mit Spannungs- und
Stromanzeige; einstellbare Ausgangsspannung und -strom 0 V bis 30 V bzw. 0 A bis
5A
HV-Spannungsquelle mit einstellbarer Ausgangspannung 0 V bis 300 V und
Strombegrenzung auf unter 200 mA
Multimeter mit Spannungsmessbereich bis 300 V DC und Strommessbereich bis 10 A
DC
Funktionsgenerator mit pulsierender Rechteckspannung; Pegel low 0,7 V, high 3 V;
Frequenz 10 Hz bis 200 kHz; Dutycycle 10 % bis 90 %
Schalter zum simulieren von Eingangssignalen
Alle Tests werden den aufgeführten Tabellen entsprechend durchgeführt. Die Ausgänge bzw.
Anzeigen sind mit den Werten in den Tabellen unter dem Punkt Ergebnis zu vergleichen. Bei
Abweichungen ist die aufgebaute Schaltung auf Fehler zu untersuchen.
42
3.1. Test Slave-Platine
3.1. Test Slave-Platine
Für den Test der Slave-Platine werden zwei Netzteile, drei Multimeter und zwei Relais vom
Typ EV200 HAANA benötigt. Die Verkabelung ist entsprechend der Abbildung 24 und den
Tabellen 2 bis 4 durchzuführen. Netzteil A ist auf eine Spannung von 14 V und einen Strom
von 5 A, Netzteil B auf eine Spannung von 5 V und einen Strom von 200 mA einzustellen. Die
Multimeter befinden sich im Messmodus für Widerstände.
Abbildung 24: Testaufbau Slave-Platine
43
3.1. Test Slave-Platine
Klemme K1
PinBezeichnung Pin
Nr.
1 + 2 GND
3 + 4 SC_AIR highside
5
Re1
6
Re2
7
AUX
8
BMS flt / AIR
disable
Verbunden mit
Netzteil A minus
Netzteil A minus
Schalter S1 an Netzteil B plus
Schalter S2 an Netzteil B plus
Multimeter 1 Widerstandsmessung gegen GND
Schalter S3 an Netzteil B plus
Tabelle 2: Slave-Platine Klemme K1
Klemme K2
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
Low-Side
2
SC_AIR highside
3
AUX
4
AUX
Verbunden mit
Re2 (EV200) negativ
Re2 (EV200) positiv
Re2 (EV200) AUX 1
Re2 (EV200) AUX 2
Tabelle 3: Slave-Platine Klemme K2
Klemme K3
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
Low-Side
2
SC_AIR highside
3
AUX
4
AUX
Verbunden mit
Re1 (EV200) negativ
Re1 (EV200) positiv
Re1 (EV200) AUX 1
Re1 (EV200) AUX 2
Tabelle 4: Slave-Platine Klemme K3
Für den Test ist der Ablauf von Tabelle 5 zu befolgen. Bei Testschritt 5 ist die
unterschiedliche Verzögerungszeit der Slave-Platine des linken und rechten Containers zu
beachten.
44
3.2. Test HV-on Platine
Eingang
Funktion
Re1
Re2
BMS flt
Kommentar
AIR1
AIR2
AIR dis
(high =
aktiv)
(high =
aktiv)
(high =
ok)
Klemme
Pin
Testschritt
1
2
3
4
5
6
7
Ergebnis
verbunden mit
AIRs offen, AMS flt
AIRs offen
AIR 1 aktiv
AIRs offen
AIR 2 aktiv; Verzögerung
beim Schließen: SlavePlatine links ca. 1 s, rechts
ca. 0,5 s
AIR 1 und 2 aktiv
AMS flt
K1
AUX
Multimeter 2
K1
Re1 , HV 1+2
Multimeter 3
Re2, HV 1+2
5
6
8
7
Schalter
S1
Schalter
S2
Schalter
S3
Multimeter 1
Multimeter 2
Multimeter 3
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
1
1
> 10 MΩ
> 10 MΩ
<1Ω
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
<1Ω
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
> 10 MΩ
<1Ω
(Verzögerung
beachten)
> 10 MΩ
> 10 MΩ
0
1
1
1
1
1
1
1
0
<1Ω
> 10 MΩ
> 10 MΩ
Tabelle 5: Test Slave-Platine
3.2. Test HV-on Platine
Die HV-on Platine wird zunächst mit einem Niedervoltnetzteil (Netzteil A) und einem
Multimeter getestet. An der Klemme K22 ist eine LED im 5mm Kunststoffgehäuse direkt
anzuschließen (rot, 20 mA). Das Multimeter befindet sich im Messmodus für Widerstände.
Die Verkabelung ist entsprechend der Abbildung 25 und den Tabellen 6 bis 8 durchzuführen.
Abbildung 25: Testaufbau HV-on-Platine
45
3.2. Test HV-on Platine
Klemme K1
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
Optokoppler
Emitter
2
Optokoppler
Collector
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung negativ
Multimeter Widerstandsmessung positiv
Tabelle 6: HV-on-Platine Klemme K1
Klemme K2
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
HV 2+3
4
HV +
Verbunden mit
Netzteil A plus
nicht angeschlossen
Netzteil A minus
Tabelle 7: HV-on-Platine Klemme K2
Klemme K22
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
LED K
2
LED A
Verbunden mit
Kathode LED rot
Anode LED rot
Tabelle 8: HV-on-Platine Klemme K22
Für den Test ist der Ablauf von Tabelle 9 Testschritte 1 und 2 zu befolgen.
Für Testschritt 3 bis 5 ist das Netzteil durch die HV-Spannungsquelle zu ersetzen. Hierzu ist
die Platine und die HV-on LED an Klemme K22 entsprechend zu isolieren. Die Platine darf
während des Tests auf keinen Fall berührt werden.
46
3.3. Test Precharge-Platine
Eingang
Funktion
HV -
Klemme
Ergebnis
HV +
K2
Bezeichnung Klemme
verbunden mit
Multimeter
K22
K1
HV-on LED
Pin
Testschritt
LED rot
1
2
Minuspol Netzteil A /
HV-Spannungs-quelle
Pluspol Netzteil A / HVSpannungs-quelle
1 und 2
1 und 2
1
HV aus
Netzteil A: 0 V bis 15 V
0
> 1 MΩ
2
HV an
Netzteil A: 20 V bis 30 V
1
< 100 Ω
Achtung!
Testschritt 3 und 4 mit HV-Spannungsquelle! Hinweis im Text beachten!
3
4
5
HV aus
HV an
HV aus
HV-Spannungsquelle: 0 V bis 15 V
0
> 1 MΩ
HV-Spannungsquelle langsam bis
300 V hochregeln; Schaltung für
mindestens 5 min bei 300 V
betreiben; auf keinen Fall Platine
berühren
HV-Spannungsquelle: 0 V bis 15 V
1
0
< 100 Ω
> 1 MΩ
Tabelle 9: Test HV-on-Platine
3.3. Test Precharge-Platine
Die Precharge-Platine wird mit Netzteil A (14 V, 1 A) und Netzteil B (5 V, 100 mA) getestet.
Die Minuspole der Netzteile werden miteinander verbunden. Zusätzlich wird ein Multimeter
im Messmodus für Widerstände angeschlossen. Die Verdrahtung erfolgt gemäß Abbildung
26 und den Tabellen 10 bis 12.
Abbildung 26: Testaufbau Precharge-Platine
47
3.3. Test Precharge-Platine
Klemme K11
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
GND
2
SC_AIR highside
3
Pecharge
Verbunden mit
Minuspol Netzteil A und B
Pluspol Netzteil A
Pluspol Netzteil B
Tabelle 10: Precharge-Platine Klemme K11
Klemme K12
Pin-Nr.
Bezeichnung
Pin
1 oder 2
HV -
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung negativ
Tabelle 11: Precharge-Platine Klemme K12
Klemme K13
Pin-Nr.
Bezeichnung
Pin
1 oder 2
HV +
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung positiv
Tabelle 12: Precharge-Platine Klemme K13
Für den Test ist der Ablauf von Tabelle 13 zu befolgen.
Eingang
Funktion
SC_AIR
Klemme
Pin
Testschritt
verbunden mit
Precharge
K11
Ergebnis
HV – / HV +
K12 / K13
2
3
Netzteil A
Netzteil B
Multimeter 1
1
Precharge deaktiviert
0
0
> 10 MΩ
2
Precharge deaktiviert
1
0
> 10 MΩ
3
4
Precharge aktiv
1
0
1
1
600 Ω
> 10 MΩ
Precharge deaktiviert
Tabelle 13: Test Precharge-Platine
48
3.4. Test Discharge-Platine
3.4. Test Discharge-Platine
Die Discharge-Platine wird mit Netzteil A (14 V, 1 A) und Netzteil B (5 V, 100 mA) getestet.
Die Minuspole der Netzteile werden miteinander verbunden. Zusätzlich werden zwei
Multimeter im Messmodus für Widerstände angeschlossen. Die Verdrahtung erfolgt gemäß
Abbildung 27 und den Tabellen 14 bis 18.
Abbildung 27: Testaufbau Discharge-Platine
Klemme K21
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
GND
2
SC_AIR highside
3
Pecharge
Verbunden mit
Minuspol Netzteil A und B
Pluspol Netzteil A
Pluspol Netzteil B
Tabelle 14: Discharge-Platine Klemme K21
Klemme K22
Pin-Nr.
Bezeichnung
Pin
1 oder 2
HV -
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung negativ
Tabelle 15: Discharge-Platine Klemme K22
49
3.4. Test Discharge-Platine
Klemme K23
Pin-Nr.
Bezeichnung
Pin
1 oder 2
HV +
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung positiv
Tabelle 16: Discharge-Platine Klemme K23
Klemme K24
Pin-Nr.
Bezeichnung
Pin
1 oder 2
TSMP -
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung negativ
Tabelle 17: Discharge-Platine Klemme K24
Klemme K25
Pin-Nr.
Bezeichnung
Pin
1 oder 2
TSMP +
Verbunden mit
Multimeter Widerstandsmessung positiv
Tabelle 18: Discharge-Platine Klemme K25
Für den Test ist der Ablauf von Tabelle 19 zu befolgen.
Eingang
Funktion
SC_AIR
Klemme
Pin
Testschritt
verbunden mit
Discharge
K21
Ergebnis
HV - / HV +
TSMP - / TSMP +
K22 / K23
K24 / K25
2
3
Netzteil A
Netzteil B
Multimeter 1
Multimeter 2
1
Discharge deaktiviert
0
0
> 10 MΩ
> 10 MΩ
2
Discharge deaktiviert
1
0
> 10 MΩ
> 10 MΩ
3
4
Discharge aktiv
1
0
1
1
600 Ω
> 10 MΩ
20,6 kΩ
> 10 MΩ
Discharge deaktiviert
Tabelle 19: Test Discharge-Platine
50
3.5. Test Master- und Staus-LED-Platine
3.5. Test Master- und Staus-LED-Platine
Die Master-Platine ist über die Klemme K105 mit der Klemme der Status-LED-Platine
verbunden. Das Netzteil A ist an Klemme K101 (PWR) mit dem Pin 1 GND (Minus-Pol) und
Pin 2 VCC (Plus-Pol) verbunden. Eine Spannung von 14 V ist eingestellt, der Strom ist auf 300
mA begrenzt. Nach zuschalten des Netzteils liegt die Stromaufnahme zwischen 150 mA und
250 mA und die Status-LED PWR leuchtet. Folgende Spannungen sind an den Anschlüssen
messbar:
-
K106 (IMD)
o Pin 2 (Supply VLT) 14 V
K107 (Current Sensor)
o Pin 2 (VCC 5V) 5V
Pin 3 (Shutdown Circuit IN) von Klemme K101 ist mit VCC verbunden. An Pin 4 muss die
Spannung VCC (14 V) entsprechen.
Netzteil B ist auf 3 V eingestellt und dessen Minuspol mit GND verbunden. Minuspole von
Netzteil C und D sind ebenfalls mit GND verbunden.
Für die nächsten Tests ist die Master-Platine wie folgt verdrahtet:
51
3.5. Test Master- und Staus-LED-Platine
Abbildung 28: Testaufbau Master-Platine und Status-Platine
52
3.5. Test Master- und Staus-LED-Platine
Klemme K101 (PWR)
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
GND
2
VCC
3
SC IN
4
TSMS
5
TSMS return
6
SC AIR highside
Verbunden mit
Netzteil A, C und D minus
Netzteil A plus
Netzteil A plus
Mit Pin 5 (TSMS return) über Schalter S1
Mit Pin 4 (TSMS) über Schalter S1
Messpunkt
Tabelle 20: Master-Platine Klemme K101
Klemme K102 (primary control)
PinBezeichnung Pin Verbunden mit
Nr.
3
alive Bit
Funktionsgenerator
4
D0
Schalter S2 an GND
5
D1
Schalter S3 an GND
6
TSAL FB
Messpunkt
7
AIR Release / Messpunkt
Precharge OK
8
SC FB
Messpunkt
9
BSP FB
Messpunkt
10
BMS / IMD Messpunkt
latching
11
BMS fault FB
Messpunkt
12
IMD fault FB
Messpunkt
Tabelle 21: Master-Platine Klemme K102
Klemme K103 (secondary control)
PinBezeichnung Pin
Verbunden mit
Nr.
3
BMS fault
Schalter S4 an Netzteil A plus
4
Brake Pressure Front
Netzteil C Pluspol
9
BMS / IMD reset +
Taster S5 an Netzteil A plus
10
BMS / IMD reset GND
Tabelle 22: Master-Platine Klemme K103
Klemme K104 (container control)
PinBezeichnung Pin Verbunden mit
Nr.
3
Re pre-chg
Messpunkt
4
Re pos
Messpunkt
5
Re neg + dis-chg Messpunkt
6
AIR AUX
Schalter S6 an GND
7
HV-on 1
Schalter S7 an GND
8
HV-on 2
Schalter S8 an GND
Tabelle 23: Master-Platine Klemme K104
53
3.5. Test Master- und Staus-LED-Platine
Klemme K106 (IMD)
PinBezeichnung Pin
Nr.
3
IMD check +
Verbunden mit
Schalter S9 an Netzteil A plus
Tabelle 24: Master-Platine Klemme K106
Klemme K107 (Current Sensor)
PinBezeichnung Pin Verbunden mit
Nr.
3
Bat current low Netzteil D
Tabelle 25: Master-Platine Klemme K107
Klemme K108 (TSAL)
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
TSAL-Flash LED 2
TSAL-Flash LED +
Verbunden mit
TSAL LED Kathode
TSAL LED Anode
Tabelle 26: Master-Platine Klemme K108
Die Trimmer R303 und R307 befinden sich Mittelstellung. Die Pins 2 und 3 von Jumper K2
sind überbrückt (Prüfung des Life-Bits aktiv).
54
3.5.1. Life-Bit
3.5.1.
Life-Bit
Zum Testen des Life-Bits ist der Ablauf aus Tabelle 27 zu befolgen.
Eingang
Funktion
Kommentar
Ergebnis
alive Bit
Re_pre-chg
Re_pos
Re_neg +
dis-chg
alive Bit
Life Bit
Ansteue-rung
Precharge
Circuit
Ansteue-rung
AIR HV+
Ansteue-rung
AIR HV- und
Discharge
gelb
(high = aktiv)
Klemme
Bezeichnung
Klemme
Pin
Testschritt
Life-Bit
1
2
verbunden mit
Life Bit
inaktiv
Life Bit
fehlerhaft
K102
K104
primary control
Container Control
3
Statusleiste
3
4
5
0
low
low
low
1
low
low
low
low
low
low
0
0
low
low
low
1
Funktions-generator
3
Life Bit OK
< 10 Hz
100 Hz - 10 kHz
4
Life Bit
fehlerhaft
> 200 kHz
Tabelle 27: Test Master-Platine
3.5.2.
AMS und IMD Fehler
Für den folgenden Test sind die Netzteile C und D abzuschalten (0 V).
Zum Testen des AMS und IMD Fehlereingangs und Fehlerspeichers ist der Ablauf aus Tabelle
38 (AMS und IMD Fehler) zu befolgen.
Die Tests werden mit angeschlossenem IMD und AMS wiederholt.
3.5.3.
Brake System Plausibility Device
Die Schalter für den AMS- und IMD-Fehler sind geschlossen, AMS- / IMD-Fehlerspeicher ist
zurückgesetzt (Tabelle 38, Punkt 10 und 11).
Die Schaltschwelle des Bremsdrucksensors kann mit Trimmer R303 und des Stromsensors
mit Trimmer R307 justiert werden (Tabelle 28, Punkt 5 und 6). Entsprechende Werte für die
Referenzspannung werden dem Datenblatt des Bremsdrucksensors [9] und Stromsensors [8]
55
3.5.3. Brake System Plausibility Device
entnommen. Die Trimmer sind so justiert, dass das BSPD bei der jeweiligen
Referenzspannung auslöst.
Eingang
Funktion
TSMS
Kommentar
Ergebnis
Brake
Pressure
front
Bat
current
low
Brems-druck
TS StromSensor
SC AIR
highside
(VCC = ok)
Klemme
Bezeichnung
Klemme
Pin
Testschritt
1
3
Brake
Pressure hoch
TS-Current
hoch
4
Brake
Pressure und
Current hoch;
BSPD
ausgelöst
2
5
6
Schaltschwelle
Brake
Pressure
einstellen
Schaltschwelle
TS-Current
einstellen
Shutdown
Circuit
BSPD
Brake System
Plausibility
Status
gelb
gelb
(low = ok)
K101
K103
K107
K101
K103
PWR
primary
control
Current
Sensor
PWR
primary
control
4 und 5
4
3
6
9
Netzteil C
Netzteil D
1
0V
0V
VCC
low
0
0
1
5V
0V
VCC
low
0
0
1
0V
5V
VCC
low
0
0
1
5V
5V
0V
high
1
1
1
Referenzspannung
entsprechend
gewünschter
Schaltschwelle
5V
Trimmer R303
einstellen
5V
Referenzspannung
entsprechend
gewünschter
Schaltschwelle
Trimmer R307
einstellen
Schalter S1
zwischen Pin
4 und 5
verbunden mit
BSPD inaktiv
BSP FB
1
Statusleiste
Tabelle 28: Test BSPD
56
3.5.4. TSAL
3.5.4.
TSAL
Die Schalter für den AMS- und IMD-Fehler sind geschlossen, AMS- / IMD-Fehlerspeicher ist
zurückgesetzt (Tabelle 38, Punkt 10 und 11). BSPD ist nicht aktiv (Netzteil C und D sind
ausgescahltet). Der Test wird mit angeschlossenen HV-on Platinen wiederholt. Die
Verdrahtung der Platinen kann Abbildung 25 entnommen werden.
Eingang
Funktion
TSMS
Kommentar
1
2
3
4
5
6
D0
AIR AUX
Life Bit
Precharge
(low =
aktiv)
Auxiliary
Kontakt
(low =
aktiv)
Ergebnis
HV-on 1
HV-on 2
HV-on Platine linker bzw.
rechter Container
(low = aktiv)
TSAL FB
TSAL
Cockpit-LED
(high =
aktiv)
TSAL
AIR AUX
TSAL-LED
rot
Klemme
K101
K102
K104
K102
Bezeichnung
Klemme
PWR
primary control
container control
primary
control
TSAL
6
1 und 2
Pin
Testschritt
alive Bit
4 und 5
Statusleiste
3
4
6
7
8
Funktionsgenerator
Schalter S2
/ GND
Schalter S6
/ GND
Schalter S7
/ GND
Schalter S8
/ GND
1
1 kHz
high
high
high
high
low
inaktiv
0
1
1 kHz
low
high
high
high
high
aktiv
0
1
1 kHz
high
low
high
high
high
aktiv
1
1
1 kHz
high
high
low
high
high
aktiv
0
1
1 kHz
high
high
high
low
high
aktiv
0
1
1 kHz
high
high
high
high
high
aktiv
0
Schalter S1
verbunden zwischen Pin 4
und 5
mit
TSAL aus
TSAL
aktiv
TSAL
aktiv
TSAL
aktiv
TSAL
aktiv
TSAL
aktiv
K108
Tabelle 29: Test TSAL
57
3.5.5. Precharge und TS Active
3.5.5.
Precharge und TS Active
Die Schalter für den AMS- und IMD-Fehler sind geschlossen, AMS- / IMD-Fehlerspeicher ist
zurückgesetzt (Tabelle 38, Punkt 10 und 11). BSPD ist nicht aktiv (Netzteil C und D sind
ausgescahltet). Der Test wird mit angeschlossenen HV-on Platinen und Slave-Platinen
wiederholt. Die Verdrahtung der Platinen erfolgt nach Tabelle 34 Pin Nr. 7 und 8.
Eingang
Funktion
TSMS
Kommentar
Klemme
Bezeichnung
Klemme
Testschritt
1
Pin
PWR
4 und
5
verbunden mit
AMS IMD
Fehler
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
K101
Reset bei
aktivem AMS
IMD Fehler
Reset bei
aktivem AMS
Fehler
Reset bei
aktivem IMD
Fehler
Reset
Fehlerspeicher
AMS Fehler
(Auslöseverzögerung
ca. 3 s)
Reset
Fehlerspeicher
IMD Fehler
(Auslöseverzögerung
ca. 3 s)
Reset
Fehlerspeicher
AMS / IMD ok
BMS
fault
Ergebnis
BMS /
IMD
reset
IMD
check
SC AIR
highside
SC FB
BMS /
IMD
latching
BMS
Fault FB
IMD
Fault FB
Shutdo
wn
Circuit
latching
FLT
BMS flt
IMD flt
AMS / IMD
Fehlerspeicher
Status
AMS
Fehler
Status
IMD
Fehler
Status
gelb
gelb
gelb
gelb
(high = ok)
(high =
ok)
(high =
ok)
AMS
Fehler
IMD
Fehler
Shutdow
n Circuit
Status
(0 V =
Fehler)
(0 V =
Fehler)
(VCC = ok)
(high =
ok)
K103
seconda
ry
control
K106
K101
K102
IMD
PWR
primary
control
6
8
10
11
12
Statuslei
ste
3
9
3
Schalt
er S1
Schalter
S4
Taster
S5
Schalter
S9
0
1
0
0
0
0
0
0
0V
0V
low
low
0V
0V
high
high
high
high
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0V
low
low
high
high
1
1
1
1
1
0
1
1
0V
low
low
high
low
1
1
1
0
1
1
1
0
0V
low
low
low
high
1
1
0
1
1
1
1
0
VCC
high
high
high
high
0
0
0
0
1
0
0
1
0V
low
low
low
high
1
1
1
0
1
1
1
1
VCC
high
high
high
high
0
0
0
0
1
1
0
0
0V
low
low
high
low
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
VCC
VCC
high
high
high
high
high
high
high
high
0
0
0
0
0
0
0
0
Tabelle 30: Test Precharge und TS aktiv
58
3.6. Test Gesamtsystem
3.6. Test Gesamtsystem
Zum Test des Gesamtsystems bietet sich an, alle Komponenten auf einem Brett zu
montieren (Abbildung 29)
Abbildung 29: Testaufbau mit allen Komponenten der S-Box
3.6.1.
Verdrahtung
Ausgehend von der Masterplatine wird die Verdrahtung mit den Platinen HV-on linker
Container, HV-on rechter Container, Slave-Platine linker Container, Slave-Platine rechter
Container, Precharge- und Discharge-Platine, AMS und IMD vorgenommen.
59
3.6.1. Verdrahtung
Klemme K101 (PWR)
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
GND
2
3
4
5
6
VCC
SC IN
TSMS
TSMS return
SC AIR highside
Verbunden mit
Netzteil A, C und D minus
Slave links, Klemme K1, Pin 1 und 2
Slave rechts, Klemme K1, Pin 1 und 2
HV-on links, Klemme K1, Pin 1
HV-on rechts, Klemme K1, Pin 1
Precharge, Klemme K11, Pin 1
Discharge, Klemme K21, Pin 1
Netzteil A plus
Netzteil A plus
Mit Pin 5 (TSMS return) über Schalter S1
Mit Pin 4 (TSMS) über Schalter S1
Slave links, Klemme K1, Pin 3 + 4
Slave rechts, Klemme K1, Pin 3 + 4
Precharge, Klemme K11, Pin 2
Discharge, Klemme K21, Pin 2
Tabelle 31: Master-Platine Klemme K101
Klemme K102 (primary control)
PinBezeichnung Pin Verbunden mit
Nr.
3
alive Bit
Funktionsgenerator
4
D0
Schalter S2 an GND
5
D1
Schalter S3 an GND
6
TSAL FB
Messpunkt
7
AIR Release / Messpunkt
Precharge OK
8
SC FB
Messpunkt
9
BSP FB
Messpunkt
10
BMS / IMD Messpunkt
latching
11
BMS fault FB
Messpunkt
12
IMD fault FB
Messpunkt
Tabelle 32: Master-Platine Klemme K102
Klemme K103 (secondary control)
PinBezeichnung Pin
Verbunden mit
Nr.
3
BMS fault
BMS Fehleraugang
Slave links, Klemme K1, Pin 8
Slave rechts, Klemme K1, Pin 8
4
Brake Pressure Front
Netzteil C Pluspol
9
BMS / IMD reset +
Taster S5 an Netzteil A plus
10
BMS / IMD reset GND
Tabelle 33: Master-Platine Klemme K103
60
3.6.1. Verdrahtung
Klemme K104 (container control)
PinBezeichnung Pin Verbunden mit
Nr.
3
Re pre-chg
Precharge, Klemme K11, Pin 3
4
Re pos
Slave rechts, Klemme K1, Pin 5
5
Re neg + dis-chg Slave links, Klemme K1, Pin 5 und 6
Slave rechts, Klemme K1, Pin 6
Discharge, Klemme K21, Pin 3
6
AIR AUX
Slave links, Klemme K1, Pin 7
Slave rechts, Klemme K1, Pin 7
7
HV-on 1
HV-on links, Klemme K1, Pin 2
8
HV-on 2
HV-on rechts, Klemme K1, Pin 2
Tabelle 34: Master-Platine Klemme K104
Klemme K106 (IMD)
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
Electronic GND
2
Supply VLT
3
IMD check +
4
IMD PWM
Verbunden mit
Bender IMD, Electronic GND
Bender IMD, Supply VLT
Bender IMD, IMD check +
Bender IMD, PWM
Tabelle 35: Master-Platine Klemme K106
Klemme K107 (Current Sensor)
PinBezeichnung Pin Verbunden mit
Nr.
1
GND
LEM Sensor, GND
2
VCC 5V
LEM Sensor, 5V Versorgung
3
Bat current low LEM Sensor, low current range
4
Bat current high LEM Sensor, high current range
5
Tabelle 36: Master-Platine Klemme K107
Klemme K108 (TSAL)
PinBezeichnung Pin
Nr.
1
TSAL-Flash LED 2
TSAL-Flash LED +
Verbunden mit
TSAL LED Kathode
TSAL LED Anode
Tabelle 37: Master-Platine Klemme K108
Zusätzlich wird Netzteil B an beide HV-on Platinen mit je einem Schalter S7 bzw. S8
angeschlossen.
61
3.6.2. Test
3.6.2.
Test
Die Tests sind gemäß den Tabellen aus Kapitel 3.1. bis 3.5.5. zu wiederholen. Als
Eingangssignal dient die jeweils angeschlossene Komponente.
3.7. Integration in Fahrzeug
Die Verdrahtung im Fahrzeug erfolgt nach den Tabellen 30 bis 36. Zusätzlich sind die AIRs,
die HV-on Platinen, die Precharge- und die Discharge-Platine an den HV-Kreis anzuschließen.
Dies erfolgt gemäß Abbildung 31. Die Ansteuerung durch die Fahrzeugsteuerung (MicroAuto-Box, MAB) erfolgt nach dem Flussdiagramm in Abbildung 30.
62
3.7. Integration in Fahrzeug
Abbildung 30: Flussdiagramm Fahrzeugsteuerung
63
4. Diskussion und Ausblick
4. Diskussion und Ausblick
Die S-Box funktioniert im Fahrzeug PWe4.13 zuverlässig. Nach Aufbau, Test und Integration
in das Fahrzeug wurden keine Änderungen vorgenommen. Bei den technischen Abnahmen
auf den offiziellen Formula Student Veranstaltungen 2013 in Deutschland, Spanien und
Italien wurden keine Mängel festgestellt.
Bei der Integration in das Fahrzeug stellte sich die Aufteilung auf der Master-Platine der
Signal Ein- und Ausgänge auf acht verschiedene Stecker als unübersichtlich heraus. Hier ist
eine Lösung mit nur drei Steckern zu erarbeiten.
Die Linearspannungsregler auf der Master-Platine entwickelten im Betrieb bei sommerlichen
Temperaturen sehr hohe Temperaturen von bis zu 80°C. Ein Ersatz durch einen integrierten
Step-down-Converter ist empfehlenswert. Hierdurch kann zusätzlich die Stromaufnahme der
Schaltung verringert werden.
Als zusätzliche Absicherung der an das GLV-System angeschlossenen Platinen ist ein
Verpolschutz durch eine Diode sinnvoll.
Auf Grund einer Empfehlung des LE-Herstellers sind für eine zukünftige Version die
Integration zusätzlicher Fehler Ein- und Ausgänge vorzusehen. Bei einem Fehler der LE kann
das TS Verzögerungsfrei über die S-Box deaktiviert werden. Umgekehrt kann bei
Deaktivierung durch die S-Box die LE ohne Umweg über den CAN-Bus sicher abgeschalten
werden.
Die Speicherung des Fehlers des BSPD sollte nicht von der Fahrzeugsteuerung (Software)
sondern durch die S-Box (Hardware) umgesetzt werden. Damit werden sicherheitsrelevante
Funktionen nicht auf verschiedene Subsysteme verteilt.
Um ein vorzeitiges Aktivieren des TS auf Grund von fehlerhafter Software zu verhindern,
sollte Hardwaretechnisch eine Mindestzeit für den Prechargevorgang auf der S-Box
integriert werden.
Auf der Discharge-Platine sollte eine Stromsparschaltung für das Relais verwirklicht werden.
Diese reduziert die Wärmeentwicklung im Relais und verringert die Stromlast im GLVSystem.
Auf Grund der modularen Bauweise der S-Box sollte eine Adaption an zukünftige
Anforderungen des Reglements leicht durchführbar sein. Die Komponenten können einzeln
manipuliert und getestet werden.
64
0. <Literaturverzeichnis
Literaturverzeichnis
1. Melasta. Product Specification. [CD] Shenzhen : Melasta, 2012.
2. Elithion. Elithion. [Online] Elithion, 2012. http://elithion.com/lithiumate_pro.php.
3. Bender. Isometer IR155. [CD] 2010.
4.
SAE
International.
[Online]
SAE,
05.
http://students.sae.org/cds/formulaseries/rules/2014_fsae_rules.pdf.
03
2013.
5. Brechmann, Dziezia, Hörnemann, Hübscher, Jagla, Petersen. Elektrotechnik Tabellen der
Kommunikationselektronik. Braunschweig : Westermann, 1996. S. 273.
6. Fairchild Semiconductor. 2N7000 / 2N7002. [CD] s.l. : Fairchild Semiconductor, 1995.
7. Texas Instruments. SINGLE SCHMITT-TRIGGER BUFFER SN74LVC1G17. [CD] s.l. : Texas
Instruments, 2011.
8. LEM. Automotive Current Transducer DHAB S/43. [CD] s.l. : LEM.
9. Variohm Eurosensor. Drucksensor EPT3100. [CD] Heidelberg : Variohm Eurosensor, 2013.
10. Seoul Semiconductor. Seoul P4. [CD] s.l. : Seoul Semiconductor, 2008.
11. Tyco Electronics. Kilovac EV200. [CD] s.l. : Tyco Electronics.
12. —. Mini K HV. [CD] s.l. : Tyco Electronics.
13. Vishay. LTO50. [CD] s.l. : Vishay, 2008.
14. Sommer, Michael. Bachelorabeit S-Box - CD. [CD] München : s.n., 2014.
15. Gigavac. Gigavac G81A-G81B. [CD] s.l. : Gigavac.
65
0. Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Formula Student Fahrzeug PWe4.13 .................................................................... 7
Abbildung 2: Übersicht Themenblöcke ...................................................................................... 8
Abbildung 3: Skizze Shutdown Circuit EV5.1.3 [4] ................................................................... 14
Abbildung 4: Übersicht Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten ........................... 17
Abbildung 5: Eingangsschaltung 1............................................................................................ 19
Abbildung 6: Eingangsschaltung 2............................................................................................ 19
Abbildung 7: Diskreter Inverter ................................................................................................ 20
Abbildung 8: Diskretes NOR-Gatter mit zwei Eingängen ......................................................... 20
Abbildung 9: Diskretes NAND-Gatter mit vier Eingängen ........................................................ 21
Abbildung 10: Verzögerungsglied „low“ nach Systemstart ..................................................... 22
Abbildung 11: Verzögerungsglied „high“ nach Systemstart .................................................... 22
Abbildung 12: Übertragungsfunktion Verzögerungsglied........................................................ 23
Abbildung 13: Schaltplan Life Bit.............................................................................................. 24
Abbildung 14: IMD und AMS Fehlerspeicher ........................................................................... 25
Abbildung 15: Schaltplan Brake System Plausibility Device..................................................... 27
Abbildung 16: Schaltplan Tractive System Active Light ........................................................... 28
Abbildung 17: Schaltplan Switching Logic ................................................................................ 30
Abbildung 18: Schaltzustand „Precharge” ............................................................................... 31
Abbildung 19: Schaltzustand TS aktiv....................................................................................... 32
Abbildung 20: Schaltplan Slave-Platine .................................................................................... 34
Abbildung 21: Schaltplan Precharge-Platine ............................................................................ 36
Abbildung 22: Schaltplan Discharge-Platine ............................................................................ 38
Abbildung 23: Schaltplan HV-on-Platine .................................................................................. 40
Abbildung 24: Testaufbau Slave-Platine .................................................................................. 43
Abbildung 25: Testaufbau HV-on-Platine ................................................................................. 45
Abbildung 26: Testaufbau Precharge-Platine .......................................................................... 47
Abbildung 27: Testaufbau Discharge-Platine ........................................................................... 49
Abbildung 28: Testaufbau Master-Platine und Status-Platine................................................. 52
Abbildung 29: Testaufbau mit allen Komponenten der S-Box................................................. 59
Abbildung 30: Flussdiagramm Fahrzeugsteuerung .................................................................. 63
Abbildung 31: Architektur HV-System PWe4.13 ...................................................................... 69
66
0. Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Bezeichnung LED-Statusleiste.................................................................................. 41
Tabelle 2: Slave-Platine Klemme K1 ......................................................................................... 44
Tabelle 3: Slave-Platine Klemme K2 ......................................................................................... 44
Tabelle 4: Slave-Platine Klemme K3 ......................................................................................... 44
Tabelle 5: Test Slave-Platine..................................................................................................... 45
Tabelle 6: HV-on-Platine Klemme K1 ....................................................................................... 46
Tabelle 7: HV-on-Platine Klemme K2 ....................................................................................... 46
Tabelle 8: HV-on-Platine Klemme K22 ..................................................................................... 46
Tabelle 9: Test HV-on-Platine ................................................................................................... 47
Tabelle 10: Precharge-Platine Klemme K11 ............................................................................. 48
Tabelle 11: Precharge-Platine Klemme K12 ............................................................................. 48
Tabelle 12: Precharge-Platine Klemme K13 ............................................................................. 48
Tabelle 13: Test Precharge-Platine........................................................................................... 48
Tabelle 14: Discharge-Platine Klemme K21 ............................................................................. 49
Tabelle 15: Discharge-Platine Klemme K22 ............................................................................. 49
Tabelle 16: Discharge-Platine Klemme K23 ............................................................................. 50
Tabelle 17: Discharge-Platine Klemme K24 ............................................................................. 50
Tabelle 18: Discharge-Platine Klemme K25 ............................................................................. 50
Tabelle 19: Test Discharge-Platine ........................................................................................... 50
Tabelle 20: Master-Platine Klemme K101 ................................................................................ 53
Tabelle 21: Master-Platine Klemme K102 ................................................................................ 53
Tabelle 22: Master-Platine Klemme K103 ................................................................................ 53
Tabelle 23: Master-Platine Klemme K104 ................................................................................ 53
Tabelle 24: Master-Platine Klemme K106 ................................................................................ 54
Tabelle 25: Master-Platine Klemme K107 ................................................................................ 54
Tabelle 26: Master-Platine Klemme K108 ................................................................................ 54
Tabelle 27: Test Master-Platine ............................................................................................... 55
Tabelle 28: Test BSPD ............................................................................................................... 56
Tabelle 29: Test TSAL................................................................................................................ 57
Tabelle 30: Test Precharge und TS aktiv .................................................................................. 58
Tabelle 31: Master-Platine Klemme K101 ................................................................................ 60
Tabelle 32: Master-Platine Klemme K102 ................................................................................ 60
Tabelle 33: Master-Platine Klemme K103 ................................................................................ 60
Tabelle 34: Master-Platine Klemme K104 ................................................................................ 61
Tabelle 35: Master-Platine Klemme K106 ................................................................................ 61
Tabelle 36: Master-Platine Klemme K107 ................................................................................ 61
Tabelle 37: Master-Platine Klemme K108 ................................................................................ 61
Tabelle 38: Test AMS und IMD Fehler ...................................................................................... 70
Tabelle 39: Test BSPD ............................................................................................................... 71
Tabelle 40: Test Precharge und TS Aktiv .................................................................................. 72
67
0. Anhang
Anhang
68
Abbildung 31: Architektur HV-System PWe4.13
0. Anhang
Eingang
Funktion
TSMS
5
6
7
8
9
10
11
IMD
Fault
FB
Shutdow
n Circuit
IMD Fehler
Shutdown
Circuit
Status
AMS /
IMD
Fehlerspeicher
Status
AMS
Fehler
Status
IMD
Fehler
Status
gelb
latching
FLT
BMS flt IMD flt
gelb
gelb
gelb
PWR
IMD
PWR
4 und 5
3
9
3
6
8
10
11
12
Schalter S1
zwischen Pin 4
und 5
Schalter S4
/ VCC
(Netzteil A)
Taster S5 /
GND
Schalter S9
/ VCC
(Netzteil A)
0
1
0
0
0
0
0
0
0V
0V
low
low
0V
0V
high
high
high
high
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0V
low
low
high
high
1
1
1
1
1
0
1
1
0V
low
low
high
low
1
1
1
0
1
1
1
0
0V
low
low
low
high
1
1
0
1
1
1
1
0
VCC
high
high
high
high
0
0
0
0
1
0
0
1
0V
low
low
low
high
1
1
1
0
1
1
1
1
VCC
high
high
high
high
0
0
0
0
1
1
0
0
0V
low
low
high
low
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
1
1
VCC
VCC
high
high
high
high
high
high
high
high
0
0
0
0
0
0
0
0
AMS IMD Fehler
2
4
BMS
Fault
FB
SC AIR
highside
primary
control
Pin
3
SC FB
BMS /
IMD
latching
IMD
check
secondary
control
Bezeichnung Klemme
verbunden mit
BMS /
IMD
reset
AMS
Fehler
Kommentar
Testschritt
1
BMS
fault
Ergebnis
Reset bei aktivem
AMS IMD Fehler
Reset bei aktivem
AMS Fehler
Reset bei aktivem
IMD Fehler
Reset
Fehlerspeicher
AMS Fehler
(Auslöseverzögerung ca. 3 s)
Reset
Fehlerspeicher
IMD Fehler
(Auslöseverzögerung ca. 3 s)
Reset
Fehlerspeicher
AMS / IMD ok
Statusleiste
Tabelle 38: Test AMS und IMD Fehler
70
0. Anhang
Eingang
Funktion
TSMS
Kommentar
1
2
3
Bat current
low
Brems-druck
TS StromSensor
SC AIR
highside
BSP FB
Shutdown
Circuit
BSPD
Brake System
Plausibility
Status
gelb
gelb
(VCC = ok)
(low = ok)
Klemme
K101
K103
K107
K101
K103
PWR
primary control
Current Sensor
PWR
primary control
4 und 5
4
3
6
9
Schalter S1
zwischen Pin 4
und 5
Netzteil C
Netzteil D
1
0V
0V
VCC
low
0
0
1
5V
0V
VCC
low
0
0
1
0V
5V
VCC
low
0
0
1
5V
5V
0V
high
1
1
1
Referenzspannung
entsprechend
gewünschter
Schalt-schwelle
5V
Trimmer R303
einstellen
5V
Referenzspannung
entsprechend
gewünschter
Schalt-schwelle
Trimmer R307
einstellen
verbunden mit
BSPD inaktiv
Brake
Pressure hoch
TS-Current
hoch
5
Brake
Pressure und
Current hoch;
BSPD
ausgelöst
Schaltschwelle
Brake
Pressure
einstellen
6
Schaltschwelle
TS-Current
einstellen
4
Brake
Pressure
front
Bezeichnung
Klemme
Pin
Testschritt
Ergebnis
1
Statusleiste
Tabelle 39: Test BSPD
71
0. Anhang
Eingang
Funktion
Testschritt verbunden mit
Ergebnis
SC AIR
highside
AIR
Release /
Precharge
OK
Re prechg
Re
pos
Re neg +
dis-chg
TSAL
D0
D1
AIR
release
Shutdown
Circuit
D0
timeout
Re
prechg
Re
pos
Re
neg
TSMS
alive Bit
D0
D1
HV-on 1
HV-on 2
Schalter
Pin 4
und 5
Funktionsgenerator
Schalter
/ GND
Schalter
/ GND
Schalter
/ GND
Schalter
/ GND
high
high
high
high
VCC
high
low
low
low
inaktiv
0
0
1
0
0
0
0
0
high
high
high
VCC
high
high
low
high
aktiv
1
0
1
0
0
1
0
1
high
high
high
high
high
high
VCC
VCC
high
high
low
low
low
low
low
low
inaktiv
1
0
0
0
1
1
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
TS deaktiviert
1
1 kHz
2
Precharge
kürzer als 8 s
1
1 kHz
1
1
1 kHz
1 kHz
low
(< 8 s)
low
(> 12
s)
high
1 kHz
1 kHz
1 kHz
low
(< 8 s)
high
high
low
low
low
low
low
low
low
low
VCC
VCC
VCC
low
low
low
high
high
low
low
high
high
high
high
high
aktiv
TS aktiv
1
1
1
aktiv
1
1
0
8
Deaktivierung
durch
Shutdown
Circuit (TSMS)
0
1 kHz
high
low
low
low
0V
low
low
low
low
aktiv
0
1
0
1
0
0
0
0
9
Schließen des
Shutdown
Cicuits; AIRs
bleiben inaktiv
1
1 kHz
high
low
low
low
VCC
low
low
low
low
aktiv
0
1
0
0
0
0
0
0
10
TS deaktiviert
1
1 kHz
high
high
high
high
VCC
high
low
low
low
inaktiv
0
0
1
0
0
0
0
0
3
4
5
6
7
Precharge
länger als 12 s
(timeout)
TS deaktiviert
Precharge
(darf nicht
länger als 8 s
aktiv sein)
inaktiv
aktiv
Tabelle 40: Test Precharge und TS Aktiv
72
Name: Michael Sommer
geb. 08.12.1977
Matr.Nr.: 17122300
Erklärung
gemäß § 13 Abs. 5 RaPO
Hiermit erkläre ich, dass ich die Diplomarbeit selbstständig verfasst, noch nicht anderweitig für
Prüfungszwecke vorgelegt, keine anderen als die angegebenen Quellen oder Hilfsmittel benützt
sowie wörtliche und sinngemäße Zitate als solche gekennzeichnet habe.
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Ort, Datum
Unterschrift