Starkstrom e.V. - Entwicklung eines neuen HV Lademoduls
Entwicklung eines Ladegeräts für "Formular Student" Hochvolt-Akku
Studiengang
Elektrotechnik (B.Eng.)Projektbeschreibung
Ziel ist es, dass dieses neu entwickelte Ladegerät das Alte ersetzen kann, um einem drohenden Ausfall aufgrund von Zuverlässigkeitsproblemen vorzubeugen und gleichzeitig die Ladeleistung zu erhöhen. Dadurch sollen weniger Wartezeiten und somit mehr Testzeit ermöglicht werden.
Um dies zu ermöglichen, wird ein Netzteil mit bis zu 800 V und 12 kW Leistung verwendet. Die Steuerung des Ladevorgangs erfolgt über einen Raspberry Pi, der mit einer selbstentwickelten Platine über CAN mit dem Akku und dem Netzteil kommunizieren kann. Über CAN sendet der Akku wichtige Daten wie Minimal- und Maximalwerte von Temperatur und Spannung, den Spannungswert jeder Zelle, den fließenden Strom im Akku sowie anstehende Isolations- oder Battery-Managementfehler.
Um die Sicherheit zu gewährleisten, befinden sich im Ladegerät jeweils ein Schütz für den positiven und negativen Pfad zwischen Netzteil und Akku. Diese können erst schalten, wenn der Akku meldet, dass alle Werte innerhalb des sicheren Bereichs liegen. Zur Messung der Ladespannung sind CAT-III-Buchsen verbaut. In deren Messabgriffen befindet sich jeweils ein hochohmiger Widerstand, um bei einer niederohmigen Verbindung zwischen den Potentialen den Strom zu begrenzen. Um mögliche Kapazitäten zu entladen, ist dauerhaft ein niederohmiger Widerstand zwischen Plus- und Minuspfad geschaltet. Diese Verbindung wird nur bei geschlossenen Schützen im Akku vom Akku selbst deaktiviert.
Um einen angenehmen Transport quer durch Europa zu ermöglichen, wurde das Netzteil mit der Beschaltung in einem Flightcase verbaut. Durch die Quaderform ist es leicht zu stapeln und mit den verbauten Griffen leicht zu tragen.
Beteiligte Personen
| Studierendengruppe: | Jochen Lutz, Nico Kalchschmid, Vincent Wagner |
| Betreuer: |
Veranstaltung
Systems Engineering 1 (IK)
Laufzeit
WS 2023/24
Anforderungen
Funktionale Anforderungen:
- Bei Bedarf muss das Ladegerät, unter Einhaltung der maximalen Gesamtspannung des Akkus, dazu in der Lage sein, diesen bis zu einer Ladeschlussspannung von 600 V zu laden.
- Bei einem SOC von 20 % soll der neue Charger den Akku innerhalb von 45 Minuten auf 80 % SOC laden.
- Das Gerät soll innerhalb von 5 Minuten funktionsbereit sein und in der gleichen Zeit auf den Transport vorbereitet werden können.
- Beim Transport muss das System eine quader- oder würfelförmige Außenkontur haben.
Nicht funktionale Anforderungen (Qualitätsanforderungen):
- Im betriebsbereiten Zustand muss der Charger dem Reglement der Formula Student Germany entsprechen.
- Außerdem muss das Laden und Überwachen des Akkumulators ohne Anschluss zusätzlicher Geräte (z. B. Laptop) möglich sein.
Umsetzung
Um die Steuerung des Ladevorgangs zu ermöglichen, wird ein Raspberry Pi verwendet, welcher durch eine selbstentwickelte Platine über CAN mit Akku und Netzteil kommunizieren kann, sowie LEDs und die Trennschütze im Ladegerät ansteuern kann.
Für die Steuerung und LV-Versorgung des Akkus steht ein Netzteil zur Verfügung, welches 230 V AC in 24 V DC umwandelt.
Auf der Platine wird als CAN-Transceiver ein TCAN1462VDRQ1 von Texas Instruments und als CAN-Controller ein MCP2515-I/ST verwendet. Dieser CAN-Controller wandelt die CAN-Nachrichten in SPI um, sodass der Raspberry Pi damit umgehen kann.
Die LEDs werden über einen Mosfet geschaltet, da die GPIOs des Raspberry Pi nicht den Strom für die LED bereitstellen können.
Die Trennschütze müssen ebenfalls über eine Mosfetschaltung angesteuert werden.
Bei der Sicherheitsbeschaltung für die Messpunkte handelt es sich jeweils um einen 15 kOhm Widerstand, der bei einem Kurzschluss oder bei Körperdurchströmung den Strom begrenzen soll. Zum Entladen der Kapazitäten in Leitungen oder dem Ausgang des Netzteils befindet sich ein PTC-Widerstand mit 2 kOhm zwischen den Pfaden.
Diese Verbindung wird nur unterbrochen, wenn die Schütze im Akku geöffnet sind und dieser das Signal gibt, dass die Entladung nicht mehr stattfinden soll. Dies geschieht durch die Ansteuerung eines selbstleitenden Mosfets. Dadurch ist auch im Ausfall der Spannung der Discharge aktiv.
Die Komponenten befinden sich in einem Gehäuse, das mit Rackschienen im 19-Zoll-Format ausgestattet ist. Hierin kann das Netzteil befestigt werden. Für die Steuerungskomponenten wurde ein extra Zwischenboden eingebaut, mit einer Blende davor, in welcher Hauptschalter, Not-Aus, die Fehler-LEDs, der Akku-LV-Stecker und der Reset-Taster befestigt sind. Bei geschlossenen Türen ist das Gehäuse quaderförmig, gut stapelbar und leicht zu tragen.
Verwendung
Das Ladegerät wird beim Formula Student Team der Hochschule StarkStrom Augsburg e.V. eingesetzt.
Dabei dient es zum Laden der selbstentwickelten Hochvolt-Prototyp-Akkus.
Über das am Raspberry Pi angeschlossene Touch-Display kann der Ladevorgang gestartet, gestoppt und überwacht werden. Das geschlossene Gehäuse erleichtert den Transport im Vergleich zum Vorgänger, der ein herausstehendes Touch-Display hatte, wodurch beim Transport nichts auf ihm gestapelt werden konnte. Die nun geschlossene Form macht es ideal für das Laden in der Werkstatt sowie auf Testfahrten oder bei Events in ganz Europa.
Zudem ermöglicht die erhöhte Ladeleistung eine Zeitersparnis, indem der Ladevorgang verkürzt wird und somit mehr Zeit für dynamische Tests des Rennautos zur Verfügung steht.
