Weiterentwicklung eines DC/DC-Wandlers zum Laden von Lithium-Akkus

Randbedingungen

Bearbeitungszeitraum

  • SS 2022
  • Beginn: 02/2022
  • Spätestes Enddatum für Gesamtprojekt inklusive Dokumentation: 25.09.2022

Anzahl Studierende: 1-2 Betreuer

  • Prof. Tim Fischer
  • M.Eng. Markus Krautter

Details

  • Leiterplattenentwicklung mit Eagle
  • Analoge Messschaltungen
  • Steuerung von DC/DC-Wandlern
  • Programmierung 32-bit-ARM-Mikrocontroller in C
  • Kenntnisse des ESP32
  • Vorhandene Basis:
    • Akkupack (aus momentan laufender Studienarbeit):
      • 7s1p/7s2p 22,4 V
      • LiFePo4-Akku-Zellen, Bauform 26700, 3,2 V, 4 Ah
      • Battery-Management-System (BMS)
      • Akkupack ist in Gehäuse eingebaut und wird in eine „Ladeschale“ zur Kontaktierung eingeschoben (vgl. Akkuwerkzeuge)
    • Li-Ladeplatine (aus vorheriger Studienarbeit):
      • Basiert auf ESP32
      • Ansteuerung DC/DC-Wandler mit Motor-PWM
      • Messung der Spannungen und Ströme mit OnBoard ADC des ESP32
      • Kommunikation zwischen BMS und Lader über RS485 (Modbus)
      • Steuerung über Weboberfläche

Projektziele

  • Implementierung DC/DC-Wandler (Buck/Boost)
    Eingangsspannung variabel 12 - 50 V
  • ESP32
    • ESP32-WROOM-Module, 4 MB Flash
    • Implementierung der Firmware ausschließlich mittels Bibliotheken des Espressif IDF für den ESP32 in C (zu Testzwecken Arduino IDE mit Libraries von Arduino möglich)
    • Entwicklungsumgebung: VS Code + PlatformIO
    • Saubere, modulare Programmierung
  • Überarbeitung der bestehenden Platine
    Evaluation der Genauigkeit der integrierten ADCs, Bewertung der Eignung für das Vorhaben, ggf. externe ADCs notwendig
  • Weboberfläche zur Steuerung:
    • Zwei Lademodi:
      • Standard-Ladestrom einstellbar: schonendes Laden mit moderatem Strom
      • Schnelllademodus: Laden mit nahezu Maximalstrom der Zellen (nach Datenblatt)
    • Anzeige aller relevanten Parameter im Betrieb
    • Parametrierung angeschlossener Akkupacks (Ersteinrichtung)
  • Schnittstelle zum BMS
    • Transferleistung in Absprache mit BMS-Projekt
    • Definition/Überarbeitung des Übertragungsprotokolls (Request & Response)
    • Auslesen wichtiger Parameter von BMS vor dem Laden
      • Einlesen der Parameter vom BMS eines Akkus nach dem Verbinden
      • Überprüfung der Plausibilität
    • Erkennung grober Fehlerfälle z.B. beim Anschluss von Akkus falscher Konfiguration oder von nicht systemkompatiblen Akkus
  • Anvisierte Kosten für Platinen und Bauteile in 10er Stückzahl: ~ 30 €, ggf. bis 50 € wenn unbedingt notwendig
  • Konstruktion eines Gehäuses:
    • Anbindung der vorhandenen „Ladeschale“ als Teil des Gehäuses
    • so klein wie möglich, stoßfest, evtl. wasserdicht oder spritzwassergeschützt
    • Aufnahme für Lader-Platine
    • Anschluss für Spannungsversorgung
    • Gehäusefertigung z.B. mittels 3D-Druck oder Lasercutter
  • Optional: MPPT am Eingang für den Anschluss von Solarmodulen