Afstudeer Scriptie.
Naam: Johan Mol Student#: 0766990 Datum: 22 juni ’09
Johan Mol Pagina 3 van 51 23-6-2009 Samenvatting.
Op 1 november 2008 ben ik bij ZBT te Duisburg, Duitsland, van start gegaan met mijn afstudeeropdracht met als doel een brandstofcelcontroller te maken met geïntegreerde
motorcontroller. Deze controller moest ook functionaliteiten hebben om instellingen te wijzigen. Dit zodat een wanneer dit systeem klaar is het kan worden gebruikt om mensen te leren omgaan met een brandstofcel.
Dit document beschrijft de stappen die zijn doorlopen om tot een werkend eindresultaat te komen.
Eerst heb ik een plan van aanpak gemaakt. In dit document zijn achtergrondinformatie en voorwaardes beschreven. De planning die in het P.V.A. is bijgevoegd is gemaakt tijdens de specificatie fase. Dit omdat er dan meer duidelijkheid is hoeveel tijd verschillende fases van het project nodig hebben.
Daarna heb ik aan de hand van mijn afstudeeropdracht de verschillende systeem eisen bepaald. Deze eisen zijn in het specificatiedocument verder verdeeld in hard-, en software eisen.
Aan de hand van het specificatie document kon er worden begonnen aan het ontwerp. Dit ontwerp bestaat uit 2 delen. Architectuur, en detail ontwerp. Het detail ontwerp is zo opgesteld dat voor mij alle informatie beschikbaar is die tijdens de implementatie fase van belang is. In het design ontwerp is de nadruk gelegd op schakelingen, en beschrijvingen. De onderbouwing waarom verschilleden keuzes zijn gemaakt kunnen worden gevonden in dit verslag. Tijdens de implementatie fase is en veel aandacht naar het testen van verschillende
Johan Mol Pagina 4 van 51 23-6-2009 Inhoudsopgave. Versiebeheer. ... 2 Samenvatting... 3 Inhoudsopgave. ... 4 1 Introductie ... 6 1.2 Documentconventies ... 6 1.3 Doelgroep en suggesties ... 6
1.4 Scope van het project ... 6
1.5 Referenties ... 6
2 Afstudeeropdracht. ... 7
2.1 Relatie andere projecten... 7
2.2. Historie... 7
2.3 Afstudeeropdracht. ... 7
3. Plan van aanpak. ... 8
3.2.1 Projectomschrijving... 8
3.2.2 Op te leveren producten. ... 8
3.2.3 Omvang van het project... 8
3.2.4. Opdrachtgever. ... 8 3.2.5. Opdrachtnemer... 8 3.3. Projectactiviteiten... 9 3.3.1 Projectmatig werken ... 9 3.3.2 Specificatiefase... 9 3.3.3 Ontwerpfase ... 9 3.3.4 Implementatie en testfase... 9 3.3.5 Afstuderen ... 9 3.3.6 Acceptatie. ... 9 3.6 Kwaliteit... 10 3.7 Organisatiegegevens... 11 4. Specificatie eisen... 12 4.1.1 Algemene beschrijving... 12 4.1.2 Hardware eisen... 14 4.1.3 Software eisen. ... 15 4.2 Niet-functionele Specificaties ... 16 4.2.1 Performance Specificaties ... 16 4.2.2 Specificaties m.b.t. Veiligheid ... 16 4.2.3 Specificaties m.b.t. Kwaliteit ... 16 4.2.4 Oplevering ... 16 5 Architectuurontwerp... 17 5.1 Ontwerpbesluiten... 17 5.2 Contextdiagram ... 18 5.3 Systeem componenten ... 19
5.4.1 Cockpit buttons interface. ... 19
5.4.2 PC Interface. ... 19
5.4.3 Air pump interface... 19
5.4.4 Recycling pump interface. ... 20
5.4.5 Motor interface... 20
5.4.6 fan interface. ... 20
5.4.7 Purge klep interface... 20
5.4.8 Current interface. ... 20 5.4.9 Voltage interface... 20 5.4.10 Temperature interface. ... 20 5.4.11 RPM sensor interface. ... 20 5.5 Functionele beschrijving. ... 21 5.5.1 Opstarten. ... 21 5.5.2 Stoppen. ... 21 5.5.3 Instelling wijzigen... 21
Johan Mol Pagina 5 van 51 23-6-2009
6 Software detail ontwerp. ... 22
6.1 Microcontroller ... 22
6.2 Software... 22
6.3 Dataflow Diagram. ... 23
6.3.1 Main proces. ... 24
6.3.2 Control Speed proces. ... 26
6.3.3 Control Brandstofcel proces. ... 26
7. Hardware ontwerp. ... 27 7.1 Motor controller. ... 27 7.2 RPM sensor. ... 29 7.3 Beveiligingscircuit. ... 30 8 Implementatie. ... 32 8.1 Hardware. ... 32 8.1.1 Brandstofcellenstack... 33 8.1.2 Dc/dc converter... 34 8.1.3 Controller PCB. ... 34 8.1.4 Beveiligingscircuit. ... 36 8.1.5 Waterstof cicuit. ... 37 8.2 Software... 38 8.3 Test. ... 40 9. Aanbevelingen. ... 44 10. Reflectie verslag. ... 46 11. Literatuur... 48 12. bijlagen. ... 49 13. Woordenlijst. ... 50
Johan Mol Pagina 6 van 51 23-6-2009
1 Introductie
1.2 Documentconventies
De documenten worden aan de hand van templates gemaakt, zodat alle documentatie er als één geheel uitziet. Ook wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van dezelfde lettertypen en indelingen.
De documenten worden geschreven met het lettertypen “Arial”, lettergrootte 11. Elk document krijgt een versienummer. Vóór oplevering van een document wordt, indien mogelijk, door een extern persoon doorgelezen en zo nodig aangepast, waarna het versienummer op een gehele waarde wordt afgerond.
1.3 Doelgroep en suggesties
Het afstudeerdocument is in eerste instantie geschreven voor de opdrachtgever en de opdrachtnemer. Verder is het document geschreven voor personen met een technische achtergrond die met dit project te maken hebben.
1.4 Scope van het project
Dit project is een op zich zelf staand project binnen de Shell Eco-marathon dat eindigt wanneer er een prototype is gebouwd, en is opgeleverd met de volgende documenten.
• gebruikers handleiding
• goed becommentarieerde broncode
• schema’s benodigd voor technische controle bij Shell.
1.5 Referenties
In dit document zal regelmatig verwezen worden naar het plan van aanpak, de
afstudeeropdracht, het specificatie document en het ontwerp document. Deze documenten zijn te vinden in de bijlagen.
Johan Mol Pagina 7 van 51 23-6-2009
2 Afstudeeropdracht.
2.1 Relatie andere projecten
Het project is een deelproject van het project Shell Eco-marathon 2009. De doelstelling van het project is het bouwen van een voertuig dat zal deelnemen aan de Shell Eco-marathon op 6, 7 en 8 mei in Lauzits. Dit deelproject heeft als doelstelling het maken van de complete aandrijflijn. 2.2. Historie
In 2007 heeft de Hogeschool Rotterdam voor het eerst meegedaan aan de Shell Eco-marathon, er is toen te veel gezelligheid en te weinig resultaat behaald.
In 2008 ben ik bij het project gekomen en heb een aandrijflijn ontwikkeld. In verband met
problemen aan de rest van het voertuig, veranderende specificaties, en een gemist aan ervaring van mijn kant werkte de aandrijflijn niet zo als zou moeten.
Naar aanleiding van de resultaten van 2008 een andere organisatie structuur opgezet om dit jaar een hoop problemen vooraf het hoofd te bieden.
2.3 Afstudeeropdracht.
1 Afstudeeropdracht.
Mijn afstudeeropdracht bestaat uit het maken van een waterstof-brandstofcell die wordt gebruikt bij de Shell eco-marathon. Vorig jaar is er een Brandstofcell aangeschaft bij ZBT, deze brandstofcel is niet geschikt om dit jaar in de zelfde set-up mee te doen. Om er voor te zorgen dat de doelstellig van dit jaar (1 op 2000) te halen is er besloten om 1 of meerdere mensen stage te laten lopen bij ZBT om een brandstofcell te maken.
per 1 november zal ik een volledige maand in Duitsland op cursus gaan om de werking van de fuelcell te doorgronden, en zodoende onderzoek kan doen naar manieren om het rendement hoger te krijgen. Daarna is het de bedoeling dat ik 4 maanden lang 1 week op school, en 1 week in Duitsland aan mijn opdracht werk.
Naast dat onderzoek is het de opdracht deze resultaten te verwerken tot een ontwerp, en dit ontwerp te bouwen en te testen.
Nadat de feulcell is getest zal de grote test zijn op 6, en 7 mei op het circuit van Lausitz. Daar wordt dan de Shell eco marathon 2009 gehouden.
2 Specificaties. 2.1 Veilig
REQ-1: systeem volledig te stoppen met 2 druk knoppen REQ-2: systeem stopt volledig bij te hoge H2 concentratie REQ-3: bij systeemstop wordt stroom afgesloten REQ-4: bij systeemstop wordt waterstof afgesloten
REQ-5: na een stop kan systeem alleen met externe batterij worden gestart.
REQ-6: Systeem heeft een begrenzing van de stroomsterkte.
2.2 Zuinig
REQ-1: systeem rendement minimaal 50%
REQ-2: terugbrengen van aantal H2-connectoren ivm lekverliezen
2.3 Betrouwbaar
REQ-1: trilings bestendig. REQ-2: kortsluit beveiligd.
REQ-3: systeem zal volledig autonoom draaien.
2.4 Toegankelijk
REQ-1: Verschillende variabelen moeten softwarematig kunnen worden aangepast.(in overleg met ZBT)
REQ-2: Wisselen van waterstoffles moet eenvoudig mogelijk zijn, zonder demontage van componenten
REQ-3: Het verwijderen van de fuelcell unit voor onderhoud en/of reparatie moet eenvoudig mogelijk zijn, dus zonder demontage van componenten. Hooguit het loskoppelen van elektriciteitsdraden en het losschroeven van enkele connectoren is toegestaan.
REQ-4: De druk in het systeem en de waterstofflow moeten te allen tijde goed afleesbaar zijn.
REQ-5 systeem zal zelfstandig starten nadat er op de startknop is gedrukt. Dit moet wel gebeuren nadat de extra accu is aangesloten.
2.5 Licht van gewicht
REQ-1: de massa van de nieuwe aandrijving moet lager zijn dan de massa van de vorige aandrijving.
2.6 Klein van formaat
REQ-1: de ruimte die de vorige brandstofcelconfiguratie innam is de maximale ruimte die gebruikt mag worden voor de nieuwe brandstofcelconfiguratie inclusief waterstofaanvoer; REQ-2: de totale afmeting van de elektronische regeling (geïntegreerde fuelcell- en motorcontroller) mag niet groter zijn dan de ruimte die voorheen werd gebruikt voor de componenten van de aansturing van de motor (ruimte onder montageplaat fuelcell).
2.7 Datalogging.
REQ-1: gegevens over voltage, stroomsterkte, temperatuur, rendement, flow, en snelheid moeten realtime (elke 5 seconde) worden verstuurd.
REQ-2: Na de race moeten gegevens over minimale, en maximale stroomsterktes, en voltages worden uitgelezen. Zo ook de gegevens die realtime zijn verzonden, maar dan met een interval van 30 seconden.
Johan Mol Pagina 8 van 51 23-6-2009
3. Plan van aanpak.
Dit hoofdstuk zal inzicht geven over het tot stand komen van het project. Dit hoofdstuk bevat alleen relevante informatie met betrekking tot het plan van aanpak, voor het complete document verwijs ik naar bijlage.
3.2.1 Projectomschrijving
Mijn afstudeeropdracht bestaat uit het maken van een waterstof brandstofcel die wordt gebruikt bij de Shell Eco-marathon.
Vorig jaar is er een Brandstofcel aangeschaft bij ZBT, deze brandstofcel is niet geschikt om dit jaar in de zelfde set-up mee te doen. Om er voor te zorgen dat de doelstellig van dit jaar (1 op 2000) te halen is er besloten om mij stage te laten lopen bij ZBT om een brandstofcel controller te maken.
per 1 november zal ik een volledige maand in Duitsland op cursus gaan om de werking van de brandstofcel te doorgronden, en zodoende onderzoek kan doen naar manieren om het
rendement hoger te krijgen. Daarna is het de bedoeling dat ik 4 maanden lang 1 week op school, en 1 week in Duitsland aan mijn opdracht werk.
Naast dat onderzoek is het de opdracht deze resultaten te verwerken tot een ontwerp, en dit ontwerp te bouwen en te testen.
Nadat de brandstofcel is getest zal de grote test zijn op 6, 7 en 8 mei op het circuit van Lausitz. Daar wordt dan de Shell Eco-marathon 2009 gehouden.
3.2.2 Op te leveren producten.
Naast de definitieve controller zullen de volgende zaken worden opgeleverd:
- Planning
- Plan van Aanpak
- Specificaties document
- Architectuurontwerp
- Ontwerpdocument
- Handleidingen
3.2.3 Omvang van het project.
Het afstudeertraject loopt over een periode van 1 jaar. Hiermee wordt in september 2008 begonnen, de afronding zal aan het einde van het schooljaar plaats vinden.
3.2.4. Opdrachtgever.
De afstudeeropdracht is opgesteld door Projectgroep Shell Eco-marathon 2009. 3.2.5. Opdrachtnemer.
Johan Mol Pagina 9 van 51 23-6-2009 3.3. Projectactiviteiten
3.3.1 Projectmatig werken
Vanuit de opleiding is het projectmatig werken volgens het V-model een gebruikelijke vorm van systematisch werken binnen projecten. Deze vorm van werken zal gedurende dit
afstudeerproject toegepast worden. De volgende fasen behoren bij deze werkvorm: • Specificatiefase
• Ontwerpfase • Implementatiefase • Unit test fase • Integratiefase • Acceptatietestfase
3.3.2 Specificatiefase
Aan het begin van dit project wordt begonnen aan het opstellen van het Plan Van Aanpak. Na goedkeuring door de Hogeschool Rotterdam, zal aan het V-model worden begonnen. Allereerst worden de eisen, waar de controller aan moet voldoen, nader onderzocht en uitgespecificeerd. Dit wordt gedocumenteerd in het specificatiedocument.
3.3.3 Ontwerpfase
Als de specificatie documenten zijn goedgekeurd, zal begonnen worden met het ontwerpen. Hieronder valt het definiëren en uitdenken van het totale soft- en hardwarepakket, wat de beschreven specificaties mogelijk moet kunnen maken. Dit alles wordt gedocumenteerd in het ontwerpdocument.
3.3.4 Implementatie en testfase
Tijdens de implementatiefase wordt het ontwerp uit de ontwerpfase in de praktijk uitgevoerd. Alle deelcomponenten zullen worden getest. Wanneer een deelcomponent is goedgekeurd zal het deelcomponent aan de controller worden toegevoegd. Een deelcomponent kan een
software functie zijn, een hardware functie, of een combinatie van beide, 3.3.5 Afstuderen
Zodra het softwarepakket opgeleverd kan worden, kan het afstudeerverslag afgerond worden. Dit verslag zal minimaal twee weken voor de afstudeerdatum worden ingeleverd bij de
Hogeschool Rotterdam.
Hierna zal het afstudeertraject worden afgerond in de vorm van een eindpresentatie. 3.3.6 Acceptatie.
De producten worden opgeleverd aan de opdrachtgever, deze zal het product beoordelen en feedback geven. Indien het product niet aan de wensen van de opdrachtgever voldoet, dient er aangeven te worden op welke punten verbeteringen nodig zijn.
Deze punten zullen worden genoteerd verbeterd, waarna alleen de gewijzigde punten opnieuw ingeleverd en beoordeeld worden. Nadat deze punten correct zijn bevonden zal het gehele product worden geaccepteerd.
Definitieve acceptatie vindt plaats door middel van het zetten van een handtekening door de opdrachtgever op het document of door goedkeuring per mail.
Johan Mol Pagina 10 van 51 23-6-2009 3.6 Kwaliteit
Documentatie
Alle documentatie binnen deze afstudeeropdracht zal structureel en volgens het V-model worden opgebouwd, hierbij worden indien beschikbaar template`s van de Hogeschool gebruikt. Elk document heeft een eigen functie binnen het project en wordt gecontroleerd door zowel de student als de begeleider. De inhoud van technische documenten zoals het ontwerpdocument wordt door collega’s bij ZBT beoordeeld.
Technieken
Binnen de afstudeeropdracht mag de student gebruik maken van voor hem bekende technologieën en methoden, tenzij anders vastgelegd.
De meest gebruikelijke softwareprogramma’s die gebruikt worden binnen het kader van het project en de uitvoering hiervan zijn:
- Microsoft Word Tekstverwerker
- Microsoft Excel Tekstverwerker voor het maken van overzichtelijke schema’s, diagrammen en grafieken.
- MS Project De projectplanning kan met dit programma overzichtelijk gemaakt worden.
- WinAVR Compiler voor het aansturen van embedded systems met C taal. - AVR Studio programmer op programma’s in een AVR chip te laden.
- MS Visio Programma om schema’s mee te maken.
- Hyper Terminal Terminal venster om verschillende onderdelen van de controller mee te testen.
- Visual basic Programma om een duidelijk GUI te maken voor de controller. - AxiomSYS Ontwerpprogramma om modulatiemodellen mee te creëren.
Johan Mol Pagina 11 van 51 23-6-2009 3.7 Organisatiegegevens.
Afstudeerbedrijf
Naam: Zentrum für BrennstoffzellenTechnik ZBT GmbH Adres: Carl-Benz-Straße 201 D-47057 Duisburg Germany Tel: +49-203-7598-0 Fax: +49-203-7598-2222 Email: info@zbt-duisburg.de Contactpersonen
Naam: Peter Beckhaus Telefoon: +4920375983022
E-mail: p.beckhaus@zbt-duisburg.de Functie: brandstofcels & systems.
Personen met projectverantwoordelijkheid Naam: sonke gössling
Telefoon: +4920375981171
E-mail: s.goessling@zbt-duisburg.de Functie: brandstofcels & systems. Organisatiegegevens Hogeschool Hogeschool Rotterdam Cluster Engineering G.J. de Jonghweg 4-6 3015 GG Rotterdam Telefoon : 010 241 41 41 Telefax : 010-2415891 Contactpersonen Hogeschool Naam: Dhr. P.J.Zandee Telefoon: 010 241 41 41 E-mail: P.J.Zandee@hro.nl Functie: Afstudeercoördinator Naam: Dhr. D. Versluis Telefoon: 0107944463 E-mail: D.versluis@hro.nl Functie: Begeleidend docent Opdrachtnemer
Naam: Dhr. Johan Mol
Adres: Prins Bernhardstraat 38 Pc/Plaats: 3214cr Zuidland
Telefoon: 0181-451423 Mobiel: 0614327122
E-mail: mol00639@planet.nl Functie: Afstudeerstudent
Johan Mol Pagina 12 van 51 23-6-2009 4. Specificatie eisen.
Nadat er een plan van aanpak kunnen we het project starten. In de afstudeeropdracht is een lijst met systeem eisen gegeven. In het specificatie document (bijlage) zijn de verschillende systeem eisen verdeeld in hardware, en software eisen.
Om duidelijk te maken welke eisen moeten worden gerealiseerd in hardware, en welke eisen in software is de volgende verdeling gemaakt.
REQ-# Dit is een systeemeis die nog moet worden onderverdeeld. HWREQ-# Dit zijn de hardware eisen.
SWREQ-# Dit zijn de software eisen. 4.1.1 Algemene beschrijving.
De brandstofcel die wordt gebruikt bij de Shell eco-marathon is een PEMFC. Deze fuelcell laat waterstof en zuurstof reageren zodat er elektriciteit en water uit komt. Deze elektriciteit zullen wij gebruiken om het voertuig aan te drijven.
Om er voor de zorgen dat de reactie goed blijft verlopen is het van belang dat de brandstofcel in goede conditie blijft. Dit houd in dat er voldoende waterstof in het systeem moet zitten. De waterdamp wordt afgevoerd, en er voldoende zuurstof wordt aangevoerd.
Omdat de brandstofcel zo zuinig mogelijk moet worden is het van belang de brandstofcel zo te regelen dat er niet te veel, maar ook zeker niet te weinig lucht wordt aangevoerd. Een teveel aan lucht zal de stack uitdrogen, maar ook zorgen voor een te hoog verbruik van de luchtpomp. Uit onderzoek van ZBT is gebleken dat de hoeveelheid lucht alleen afhankelijk is van de
stroomsterkte. Er is gebleken dat er tussen de 2 en 3 keer zoveel lucht door de stack moet worden gepompt dan nodig is voor de reactie met waterstof. Dit omdat de cellen een hoge luchtweerstand hebben en er bij een lagere luchtstroom een turbulentie optreed in de cellen aan het einde van de stack. Hierdoor kan de reactie onstabiel worden, en het rendement van de fuelcell stack dalen.
De hoeveelheid lucht die benodigd is is te berekenen met de volgende formule:
23 19
(
lucht* 6, 022 *10 *1, 602 *10
* 2 * 2 * 0, 21) / (60 * 22, 4 * *
)
Stoel
=
V
−I N
In deze formule zijn de volgende variabelen opgenomen.
Stoel. Dit is de verhouding tussen de hoeveelheid verbruikte zuurstof, en de hoeveelheid aangevoerde zuurstof.
lucht
V Dit is de hoeveelheid aangevoerde zuurstof. Dit is in normaal liters per minuut. I dit is de stroomsterkte.
Johan Mol Pagina 13 van 51 23-6-2009 Door voor in de volgende formule voor Stoel 1 in te vullen kan de waterstofflow worden
berekend.
23 19
(
2
flow*6,022*10 *1,602*10
*2) / (60 * 22, 4* *
)
Stoel
=
H
−I N
Daarnaast is deze brandstofcel uitgevoerd met een recyclingpomp. Deze pomp wordt gebruikt om overtollig water uit de stack te pompen. Dit gebeurd door de waterstof met hoge snelheid door de stack te pompen.
Johan Mol Pagina 14 van 51 23-6-2009 4.1.2 Hardware eisen.
In dit hoofdstuk zal een opsomming worden gegeven van de verschillende hardware eisen. In het specificatie document zijn deze eisen verdeeld in de volgende onderwerpen.
• Veiligheid. • Zuinigheid. • Betrouwbaarheid. • Autonomie • Toegankelijk • Licht van gewicht • Formaat.
• Datalogging.
HWREQ-1: systeem volledig te stoppen met 2 druk knoppen HWREQ-2: systeem stopt volledig bij te hoge H2 concentratie HWREQ-3: bij systeemstop wordt stroom afgesloten
HWREQ-4: bij systeemstop wordt waterstof afgesloten
HWREQ-5: na een stop kan systeem alleen met externe batterij worden gestart. HWREQ-7: systeem rendement >50% bij normale belasting.
HWREQ-8: beveiligingscircuit zal galvanisch gescheiden worden zodat veiligheidssystemen kunnen worden gevoed vanuit een accu.
HWREQ-9: terugbrengen van aantal H2-connectoren i.v.m. lekverliezen
HWREQ-9: Om er voor te zorgen dat het systeem trillingsbestendig is zal zullen alle componenten moeten worden bevestigd op een gedempte ondergrond.
HWREQ-10: Het systeem zal moeten worden gezekerd met een zekering van 25 A.
HWREQ-11: systeem moet de volgende actuatoren zonder tussenkomst van de gebruiker aan kunnen sturen. • Motor controller. • Luchtpomp • Koel ventilatoren • Recycling pomp • Inlaatklep • Uitlaatklep • Rs232 verbinding • Snelheidsmeter • Temperatuur sensor • Voltage meter • Stroomsterkte meter.
HWREQ-12: Wisselen van waterstoffles moet eenvoudig mogelijk zijn.
HWREQ-14: Het verwijderen van de brandstofcel unit voor onderhoud en/of reparatie moet eenvoudig mogelijk zijn.
HWREQ-15: De druk in het systeem en de waterstofflow moeten te allen tijde goed afleesbaar zijn.
HWREQ-16: de massa van de nieuwe aandrijving moet lager zijn dan de massa van de vorige aandrijving.
HWREQ-17: de ruimte die de vorige brandstofcelconfiguratie innam is de maximale ruimte die gebruikt mag worden voor de nieuwe brandstofcelconfiguratie inclusief waterstofaanvoer; HWREQ-18: de totale afmeting van de elektronische regeling (geïntegreerde brandstofcel- en motorcontroller) mag niet groter zijn dan de ruimte die voorheen werd gebruikt voor de
componenten van de aansturing van de motor (ruimte onder montageplaat brandstofcel). HWREQ-19: Er zal een SD-kaart interface moeten worden gerealiseerd.
Johan Mol Pagina 15 van 51 23-6-2009 HWREQ-20: er zal een interface moeten worden gerealiseerd waar een communicatie systeem aan kan worden gekoppeld.
4.1.3 Software eisen.
In dit hoofdstuk zal een opsomming worden gegeven van de verschillende software eisen. In het specificatie document zijn deze eisen verdeeld in de volgende onderwerpen.
• Veiligheid. • Zuinigheid. • Betrouwbaarheid. • Autonomie • Toegankelijk • Licht van gewicht • Formaat.
• Datalogging.
SWREQ-1 software moet bij goed functioneren van de hardware niet vast kunnen lopen. SWREQ-2 wanneer er een fout optreed die niet direct gevaar oplevert voor de bestuurder zal het systeem niet ingrijpen.
SWREQ-3: systeem zal zorgen voor de regeling van de luchtpomp. SWREQ-4: systeem zal een PID temperatuur regeling bevatten, SWREQ-5: systeem zal een snelheid PID regeling bevatten. SWREQ-6: systeem zal een regeling bevatten voor het purgen.
SWREQ-7: systeem zal een regeling bevatten voor de recycling pump. SWREQ-8: systeem moet op tijd worden geregeld.
SWREQ-9: systeem moet aandrijving stoppen wanneer de rem wordt gebruikt.
SWREQ-9: Verschillende variabelen moeten softwarematig kunnen worden aangepast. SWREQ-10: gewenste snelheid moet door middel van een keuze schakelaar in te stellen zijn. SWREQ-11: gegevens over voltage, stroomsterkte, temperatuur, rendement, flow, en snelheid moeten realtime (elke 5 seconde) worden verstuurd.
Johan Mol Pagina 16 van 51 23-6-2009 4.2 Niet-functionele Specificaties
4.2.1 Performance Specificaties
P-SPEC-1: elke 10ms zal er een nieuwe waarde worden berekend voor de luchtpomp P-SPEC -2: elke seconde zal er een nieuwe waarde worden bepaald voor de temperatuur regeling.
P-SPEC -3: elke 5 seconde zal de nieuwe waarde voor de motor worden berekend. P-SPEC -4: in geval van een rem actie zal de motor direct worden uitgeschakeld. 4.2.2 Specificaties m.b.t. Veiligheid
V-SPEC-1: waterstofsysteem mag alleen worden veranderd met veiligheidsbril. V-SPEC-2: systeem mag alleen worden bediend door mensen met voldoende kennis. V-SPEC-3: Systeem moet ten alle tijden droog worden gehouden.
4.2.3 Specificaties m.b.t. Kwaliteit
K-SPEC-1: Systeem moet onder normaal gebruik door bekwame mensen niet kapot gaan. 4.2.4 Oplevering
De oplevering van dit systeem bestaat uit de volgende onderdelen. • Software ontwerp
• Hardware ontwerp • Gebruikers handleiding • Prototype
• Broncode + commentaar. • Acceptatie test documenten. • Schema’s voor acceptatie bij Shell.
Johan Mol Pagina 17 van 51 23-6-2009
5 Architectuurontwerp
Dit hoofdstuk bevat een samenvatting van het architectuurontwerp van het systeem dat is gerealiseerd tijdens mijn afstudeer periode. Het volledige architectuur ontwerp is te vinden in het design document. Dit document is te vinden in de bijlagen.
5.1 Ontwerpbesluiten
Voordat er aan een het ontwerp van een systeem kan worden begonnen zullen er verschillende ontwerp besluiten moeten worden gemaakt. Deze ontwerp besluiten moeten goed worden onderbouwd. Wanneer deze besluiten goed worden overdacht zal er later in het project profijt van worden ondervonden. In het ontwerpdocument zijn verschillende besluiten opgesteld.
• Er word gebruik gemaakt van een ATmega128.
• PWM signalen worden geschakeld met 2kHz en een resolutie van 1%.
• In de Atmega128 zitten PWM counters die tot 512 tellen. De maximale output zal worden gesteld op 510. Dit houd in dat 100% uitvoer in werkelijkheid 99,6% is.
• Door middel van een timer interrupt zal elke 10 mS een functie worden aangeroepen om de brandstofcel te regelen.
• Voor het prototype wordt gebruik gemaakt van een standaard print die binnen ZBT wordt gebruikt om een prototype te maken voor de firma Swarco.
• De voeding van deze print zal bestaan uit een reeds bestaande voeding. Deze voeding wordt door ZBT in vergelijkbare systemen gebruikt.
• Voor een groot deel van de hardware zal gebruik worden gemaakt van reeds
aangeschafte materialen. Hierbij moet worden gedacht aan bijvoorbeeld de luchtpomp en de brandstofcellenstack.
• Systeem moet zonder direct solderen kunnen worden onderhouden.
De onderbouwing van deze ontwerpbesluiten is te vinden in het gelijknamige hoofdstuk van het ontwerp document. Dit document is te vinden in de bijlagen.
Johan Mol Pagina 18 van 51 23-6-2009 5.2 Contextdiagram
Aan de hand van de hardware specificaties is een een context diagram opgesteld. Dit context diagram bevat alle interfaces die moeten worden gerealiseerd. Deze interfaces zijn aangegeven als rechthoekige blokken. Dit context dia gram zal worden gebruikt bij de realisatie van de software. PC Interface Current Interface Voltage Interface Temperature Interface Recycling pump Interface RPM sensor Interface Air-pump Interface Cockpit buttons interface Purge Valve Interface ATMega128 Cooling fan. interface Motor interface EEPROM
Figuur: context diagram.
Om een beter inzicht te krijgen in de werking van de systeem interfaces zal er in de volgende paragrafen een beschrijving worden gegeven van de interfaces. De interfaces zullen worden gebruikt om verschillende deelcomponenten van het systeem te laten communiceren met de processor.
Bij de beschrijving van de interfaces word aangegeven wat voor soort signaal er als output van de processor wordt gebruikt.
Johan Mol Pagina 19 van 51 23-6-2009 5.3 Systeem componenten
De software van het systeem zal uit de volgende componenten bestaan. • Brandstofcel controller
• PID temperatuur controller • PID speed controller.
De hardware van het systeem zal bestaan uit de volgende componenten. • Air pump. • Recycling pump. • Motor • Koel ventilator • Purge klep • Current sensor • Brandstofcel stack • Temperatuur sensor • RPM sensor. • voeding • beveiliging. • Controller PCB. 2.4 Systeeminterfaces
Het aandrijfsysteem van de Phidippides 2 bestaat uit verschillende hardware componenten die moten worden aangestuurd vanuit de software. Om voor het software ontwerp een beter inzicht te krijgen in de werking zullen de hardware interfaces hieronder worden beschreven.
5.4.1 Cockpit buttons interface.
Op deze interface zullen de knoppen in de cockpit worden aangesloten. Deze interface zorgt er voor dat wanneer er een stand is ingeschakeld dat de bijbehorende ingang naar massa worden geschakeld.
Voor deze interface moeten de aangesloten pinnen van de processor worden ingesteld op input met interne pull-up weerstand ingeschakeld.
5.4.2 PC Interface.
Op deze interface is een PC aangesloten naar deze PC zullen verschillende gegevens over de werking van het systeem worden gestuurd. Ook kan het systeem worden geprogrammeerd door middel van een PC met Hyperterminal.
Voor deze interface zal de processor een USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter) activeren.
5.4.3 Air pump interface.
Op deze interface zal de luchtpomp worden aangesloten. Deze luchtpomp zal er voor zorgen dat er voldoende zuurstof in de stack aanwezig is om de reactie goed te laten verlopen. Ook zal doormiddel van deze pomp de luchtvochtigheid worden geregeld.
Johan Mol Pagina 20 van 51 23-6-2009 5.4.4 Recycling pump interface.
Op deze interface zal de recycling pomp worden aangesloten. Deze pomp zorgt er voor dat het water dat na de reactie is ontstaan zal worden afgevoerd.
Deze interface zal worden aangesloten op een PWM uitput van de processor.
5.4.5 Motor interface.
Op deze interface zal de motor worden aangesloten. De motor zorgt voor de aandrijving van de motor.
Deze interface zal worden aangesloten op een PWM uitput van de processor. 5.4.6 fan interface.
Op deze interface zullend de koel ventilatoren worden aangesloten.
Deze interface zal worden aangesloten op een PWM uitput van de processor. 5.4.7 Purge klep interface.
Op deze interface zal de purge klep worden aangesloten. Deze klep zal worden gebruikt om de brandstofcel te reinigen.
Deze interface zal worden aangesloten op een standaard uitgang. 5.4.8 Current interface.
Op deze interface zal een lem current sensor worden aangesloten.
Deze interface zal worden aangesloten op een ADC converter ingang zonder pull up weerstand ingeschakeld.
5.4.9 Voltage interface.
Met behulp van deze interface zal het voltage van de brandstofcellenstack worden bepaald. Deze interface zal worden aangesloten op een ADC converter ingang zonder pull up weerstand ingeschakeld.
5.4.10 Temperature interface.
Met behulp van deze interface zal de temperatuur van de brandstofcellenstack worden bepaald. Deze interface zal deels bestaan uit een TWI(two wire interface) bus en een deel software. 5.4.11 RPM sensor interface.
Met behulp van deze interface zal de RPM. sensor worden aangesloten. Deze interface zal worden aangesloten op een interrupt pin op de processor.
5.4.12 EEPROM.
De interne EEPROM van de atmega128 zal worden gebruikt. De benodigde divers zijn reeds geleverd met het software pakket “WinAVR”
Johan Mol Pagina 21 van 51 23-6-2009 5.5 Functionele beschrijving.
Nadat er is beschreven hoe de verschillende hardwarecomponenten moeten worden worden aangesloten is het van belang een functionele beschrijving te hebben van het systeem. De functionele beschrijving van dit systeem is in dit hoofdstuk beschreven.
5.5.1 Opstarten.
Het opstarten van het systeem zal moeten worden gebeuren volgends de volgende stappen. • Aansluiten waterstof systeem.
• Testen waterstof systeem op lekken. • Aansluiten start accu.
• Testen waterstof systeem op lekken.
• Houd de beide remmen ingedrukt. (of sluit de remmen niet aan op het systeem) • Start systeem door op startknop te drukken.
• Testen op waterstof lekken. • Start accu loskoppelen.
• Wegrijden door de remmen los te laten.(mits aangesloten). 5.5.2 Stoppen.
Het stoppen van het systeem gebeurd door middel van het indrukken van een stopknop. Zorg er in elk geval voor dat de start accu is losgekoppeld.
5.5.3 Instelling wijzigen.
Het wijzigen van een instelling gaat volgens de volgende stappen. • Aansluiten van de rs-232 verbindingskabel.
• Open hyper terminal.
• Stel baud rate setting in op 9600,8,1,N. • Sluit externe start accu systeem aan. • Volg aanwijzingen op scherm.
Binnen de command line interface zijn de volgende commando’s het belangrijkste. • Type “status” om instellingen weer te geven.
• Type “setup” om instellingen te wijzigen. • Type “exit”om instellingen op te slaan.
• Type “reset” om opnieuw te starten zonder instellingen op te slaan. De volgende instellingen moeten kunnen worden gewijzigd.
• Minimale waarde luchtpomp. (%)
• Relatieve stijging luchtpomp uitvoer. (%/A) • Uitvoer recycling pomp. (%)
• Gewenste temperatuur.(C) • Tijd tussen twee keer purgen.(S) • Tijd dat de purgeklep is geopend.(mS) • Omtrek van het achterwiel.(cm)
• KC,Ti, en Td van snelheid PID regeling. • KC, Ti en Td van temperatuur PID regeling. • Tijd die moet worden gepurged bij het starten.(S)
Johan Mol Pagina 22 van 51 23-6-2009 6 Software detail ontwerp.
In dit hoofdstuk zal een gedetailleerd ontwerp worden gemaakt van de software van het systeem. De verschillende paragrafen zijn beknopt weergegeven. Het volledige software ontwerp is te vinden in de bijlagen.
6.1 Microcontroller
Voordat de software kan worden ontwikkeld moet er worden gekeken welke pinnen van de processor kunnen worden gebruikt voor de verschillende interfaces. Aan de hand van het architectuur ontwerp kan worden bepaald hoeveel, en welke functies moeten worden gebruikt van de processor.
Aan de hand van de gekozen aansluitingen kunnen verschillende low level functies worden geschreven.
In verband met het bestaande ontwerp van het processorboard zijn verschillende pinnen niet zelf te kiezen, er zal dus in de software gebruik van moeten worden gemaakt. Voor een overzicht van gebruikte poorten wordt verwezen naar het design document.
6.2 Software
In verband met een eventueel vervolg project met betrekking tot software is er voor gekozen de software modulair en leesbaar te schrijven. Om dit te bewerkstelligen zal en een low level library worden geschreven die alle benodigde functies van de micro controller zal aansturen.
Deze functies worden ondergebracht in de volgende header file: “AIC_library.h”, de functies zullen worden geschreven in bijbehorend “AIC_library.c”.
De functies die tijdsafhankelijk zijn zullen worden ondergebracht in de volgende header file: “timebased.h”, de functies zullen worden geschreven in bijbehorend “timebased.c”.
De main functie zal voor alle input en output zorgen. Dit houd in dat er verschillende global variables zijn die kunnen worden gebruikt in elke functie nadat file “glob.h” is included.
Voor de comand line interface zal ook een extra header file worden gemaakt. Deze header file heet: CMDline.h. En bijbehorend CMDline.c.
Het project zal dus uit de volgende files bestaan: AIC_library.h AIC_library.c
timebased.h timebased.c ZBT_controller.c glob.h CMDline.h CMDline.c
Johan Mol Pagina 23 van 51 23-6-2009 6.3 Dataflow Diagram.
Wanneer het contextdiagram verder wordt uitgediept komen we dichter bij de functionaliteit van het systeem. Hieronder is het dataflow diagram van het systeem weergegeven. In de volgende paragrafen zullen de de verschillende processen worden omschreven.
Main process. Global variables 10 mS timer interrupt process RPM sensor interrupt process 13 12 8 9 19 18 3 Control Speed. Control temperature 16 17 7 6 1415 1 2
Control Fuel Cell
5 10 11 4 20 21 22
Johan Mol Pagina 24 van 51 23-6-2009 6.3.1 Main proces.
Aan de hand van de functionele beschrijving is een basisstroom diagram gemaakt. Dit
basisstroom diagram is daarna uitgebreid met de verschillede software eisen. Het uiteindelijke basisstroom diagram is hieronder weergegeven.
Power on Initialize Input/Output Read eeprom values Start_timer
Start_rpm Reset counters
Start button pressed
USART return recieved No
no
Command line interface. Yes
Save Eeprom values. Enable interrupts.
yes
start up purge.
Get inputs
Ms_flag_bool = true Yes Start Control Fuel Cell Seconds_flag_bool
No Set outputs. No Seconds_count_int % 5 = 0 no yes
Start Control Speed Seconds_count_int
% purge_delay_int =0
Start control temperature Yes Purge
Yes
no
Figuur: basisstroom diagram main functie.
Ik heb gekozen voor een ontwerp met behulp van een basisstroom diagram omdat ik gewent ben om te programeren in de programeertaal “C”. “C” is een sequentiële programeertaal, dit houd in dat verschillende commando’s achter elkaar zullen worden uitgevoerd.
Door een ontwerp te maken met behulp van een basisstroom diagram kan dit heel eenvoudig worden geïmplementeerd in software. Dit doordat elke blok in het diagram zijn eigen code heeft.
Johan Mol Pagina 25 van 51 23-6-2009 Deel processen.
In de volgende paragrafen zal een beschrijving worden gegeven van de deelprocessen uit basis stroom diagram op pagina 24. Voor een gedetailleerde omschrijving wordt verwezen naar het design document. Dit document is te vinden in de bijlagen.
Initialize Input/Output.
Dit deelproces zorgt er voor dat de verschillende pinnen van de atmega128 processor worden geconfigureerd. Dit moet worden gedaan zodat de verschillende hardware interfaces er op kunnen worden aangesloten.
Read EEPROM values.
Dit deelproces wordt gebruikt om verschillende waardes uit de EEPROM te lezen.
Start_timer.
Dit deelproces zal worden gebruikt om de timer te starten. De timer moet draaien op een 8 bit timer met een 1024x frequentie deler. Dit houd in dan met een 16.7 MHz klok de waarde 144 overeenkomt met 10 mS.
Strart_RPM.
Zet registers goed voor het bepalen van de snelheid. Hoerbij moet worden gedacht aan het enablen van de interrupt die wordt gebruikt.
Reset_counters.
Dit deelproces zal verschillende variabelen op 0 zetten. Welke variabelen dit zijn is af te lijden uit het dataflow diagram. Dit dataflow diagram in te vinden in het design document.
Start button pressed.
Controleer of de startknop is ingedrukt.
USART return recieved.
Controleer of karakter “return” is ontvangen.
Command line interface.
Dit deelproces zal er voor zorgen dat verschillende waardes kunnen worden ingelezen.
Enable_interrupts.
Dit deelproces zal er voor zorgen dat de verschillende interrupt routines zullen worden gestart.
Start up purge.
Om een goede werking van de brandstofcel te garanderen is het nodig de brandstofcel te reinigen. Dit wordt gedaan door een hoeveelheid waterstof door de stack te purgen. Deze hoeveelheid waterstof is in te stellen door de purge tijd in te stellen.
Dit deelproces zal er voor zorgen dat er de ingestelde tijd zal worden gepurged.
Save EEPROM Values.
Dit deelproces wordt gebruikt om verschillende waardes in de EEPROM op te slaan.
Get inputs.
Dit deelproces zal aan de hand van de stand van de snelheidsschakelaar in de cockpit de gewenste snelheid bepalen.
Johan Mol Pagina 26 van 51 23-6-2009 Ook zal de variabele speed op 0 worden gezet wanneer er langer dan 5 seconde geen waarde is berekend.
Purge.
Dit deelproces zal er voor zorgen dat er om een bepaalde tijd wordt gepurged. Dit purgen houd in dat de purgeklep wordt geopend en na een bepaalde tijd weer dicht gaat.
Start control brandstofcel.
Dit deelproces start “control speed” proces.
Start control speed.
Dit deelproces start “control brandstofcel” proces.
Start control temperature.
Dit deelproces start “control temperatuur” proces. Set_outputs.
Dit deelproces zet de verschillende uitvoer waardes die zijn berekend op de uitgangen van de processor.
6.3.2 Control Speed proces.
Het control temperatuur proces zal bestaan uit een PID regelaar. 6.3.3 Control Brandstofcel proces.
Voor de regeling van de brandstofcel wordt alleen gebruik gemaakt van de stroomsterkte. De volgende grafiek geeft weer hoe de output van de luchtpomp afhankelijk is van de stroomsterkte. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35
Johan Mol Pagina 27 van 51 23-6-2009
7. Hardware ontwerp.
Naast dat er gebruik wordt gemaakt van de standaard PCB die door ZBT is ontwikkeld zullen er verschillende extra hardware blokken moeten worden gemaakt. In de volgende paragrafen zal ik de belangrijkste blokken beschrijven.
7.1 Motor controller.
Bij het ontwerp van de motor controller moet er rekening worden gehouden met het feit dat een motor inductief is. Dit betekend dat de mosfet moet worden beschermd tegen spanningspieken. De complete schakeling is te vinden in het design document. Dit document is te vinden in de bijlage.
Figuur: snubber-schakeling parallel aan de mosfet.
Deze spanningspieken ontstaan wanneer en een inductieve belasting wordt aangesloten zoals een motor. Doordat de belasting inductief is zal de stroom na-ijlen op de spanning.
Wanneer de mosfet wordt geopend zal de inductieve belasting zich gaan gedragen als een stroombron. Wanneer er geen maatregelen worden genomen zal er een spanning piek
optreden. Immers U=I *R. Dit betekend wanneer de mosfet word geopend R heel groot wordt. Dit betekend dat bij gelijkblijvende stroom ook een hele hoge spanning komt te staan over de mosfet.
Dit effect is op te lossen door een diode anti-parallel aan de belasting te plaatsen. Deze diode zal in theorie er voor zorgen dat de stroom door de diode gaat lopen, en er zo geen spanning wordt opgebouwd.
In de praktijk is het verhaal helaas anders. Een diode heeft een bepaalde tijd nodig om te reageren op een verandering van stroom richting. De tijd dat een diode reageren kan oplopen tot 100 nS. Dit is afhankelijk van het type, en de maximale belasting. Diodes voor grote stromen reageren langzamer dan diodes voor kleine stromen. Om deze tijd te overbruggen kunnen we gebruik maken van een snubber circuit. Dit is een klein schakelingetje met een weerstand, een condensator en een diode. Deze schakeling werk door middel van het op, en ontladen van een condensator.
Johan Mol Pagina 28 van 51 23-6-2009 Wanneer de mosfet wordt geopend zal de stroom door de diode(D1) condensator (C1) gaan opladen. Ook willen we dat de spanning niet hoger wordt dan 40 Volt. De brandstofcel lever maximaal 37 volt dus hogere spanningen willen we eigenlijk vermijden in ons systeem. De brandstofcel is afgezekerd op 25 ampère. Dit houden wij aan als bovengrens. Nu al deze gegevens bekend zijn kan C1 worden berekend.
9 9
*
*
100
25
40
100 *10 * 25
40
62, 5*10
62, 5
U C
T
I
T I
C
U
T
nS
I
A
U
V
C
C
F
C
nF
− −=
=
=
=
=
=
=
=
Doordat diode D1 ook een tijd nodig heeft om in geleiding te gaan is het van belang R1 zo te kiezen dat er geen spanning piek komt te staan over R1. De spanning over R1 is gelijk aan
R1*
U = I. Dit houd in dat er bij een ongeladen C1 een spanning over de mosfet staat van
R1* U = I. R1 is nu te berekenen:
R1*
1
25
1
40
1 0, 625
U
I
I
R
U
R
R
Ohm
=
=
=
=
Een condensator is ontladen na ongeveer 4 a 5 maal RC. Dit houd in dat de ontlaadtijd (T) , en de minimale tijd dit beschikbaar is om te ontladen
min
on
T zijn op de volgende wijzen te berekenen
9 5* * 5* 0, 625* 62, 5*10 195*10 9 195 T R C T T S T nS − = = = − = min 6 min min
1
*1%
2000
5*10
5
on on onT
T
S
T
uS
−=
=
=
min onJohan Mol Pagina 29 van 51 23-6-2009 Omdat het rendement van de motor controller zo hoog mogelijk rendement moet halen is er gekozen voor de mosfet FB180SA10. Deze mosfet heeft een hele lage Rdson, dit houd in dat de mosfet een hele lage weerstand heeft wanneer hij is ingeschakeld. Daarnaast is deze mosfet makkelijk te verkrijgen bij Farnell.
Vorig jaar is gebleken dat het soms nodig kan zijn op snel reparaties te kunnen uitvoeren. Doordat deze mosfet in een SOT-227 behuizing zit kan deze snel worden vervangen. De motor controller moet wordt aangestuurd vanuit de processor met een signaal van 0 tot 5 volt. Ook kan de processor een maximum van 10 milliampère leveren. Dit is niet voldoende om Deze mosfet volledig te kunnen aansturen. Om dit op te lossen wordt er een mosfet driver gebruikt. In deze schakeling wordt de IR2110 gebruikt. Deze mosfetdriver is geschikt een stuurstroom van 2 Amper te leveren met een voltage van 12 volt. Met deze aansturing kan de gebruikte mosfet makkelijk worden aangestuurd.
7.2 RPM sensor.
Om de snelheidsregeling te kunnen realiseren is het van belang om de snelheid te kunnen bepalen. Voor de snelheid is het van belang te weten wanneer het wiel een complete rotatie heeft gemaakt. Dit is in te lezen door middel van een magneet schakelaar, en een magneetje op het wiel.
Een van de problemen met deze manier van inlezen is het probleem van denderen. Doordat de schakelaar niet in 1 keer sluit, maar een paar “pulsen” geeft is het heel moeilijk om daar de snelheid mee te bepalen. Dit is op te lossen door middel van een mono-stabiele 555 timer schakeling. Deze schakeling is hieronder weergegeven.
Figuur: Mono-stabiele 555 timer schakeling.
Deze schakeling zorgt er voor dat er wanneer het wiel een rotatie heeft gemaakt er maar 1 puls wordt gegeven naar de processor.
De RC-tijd is de tijd die benodigd is om een condensator op te laden tot 63%. Omdat de pulselengte wordt bepaald aan de hand van een oplaadtijd tot 67% moeten we er van uit gaan dat de periode dat de uitgang hoog is is de berekenen met T=1.1*R*C. In plaats van T=R*C.
Johan Mol Pagina 30 van 51 23-6-2009 7.3 Beveiligingscircuit.
In de specificaties die zijn opgesteld zijn een aantal veiligheidseisen gedaan. Om aan deze veiligheidseisen te voldoen heb ik er voor gekozen deze beveiligingen te integreren op 1 printplaat. Op deze wijze is het brandstofcel systeem niet afhankelijk van beveiliging, en kan dit circuit in het voertuig blijven zitten.
Figuur: beveiligingscircuit.
In dit circuit zijn aan aantal elementen opgenomen, deze elementen zal ik in dit hoofdstuk kort beschrijven. Daarna zal ik de werking van de schakeling uitleggen.
S1 H2 sensor relais. S2 Voeding relais. S3 Beveiligingsrelais. S4` stopknop 1. S5 stopknop 2.
V1 Solenoid klep in H2 systeem.
De waterstof sensor die in deze figuur is weergegeven als CO heeft een analoge uitput van 0 tot 2.56 Volt. Door het voltage te meten kan worden bepaald wat de waterstofconcentratie is. Het berekenen van de concentratie gaat met de volgende formule.
2concentration ( sens 0.06 ) / (0.01173 ) *100
H = U − V V PPM
Wanneer we nu het circuit bekijken zal er een stroom gaan lopen door transistor T2 wanneer er geen stroom loopt door transistor T1. Dit betekend dat wanneer er een voltage uit de
waterstofdetector komt dat lager is dan 0,7 volt transistor T1 niet in gelijding gaat, en relais S1 zal worden gesloten.
Johan Mol Pagina 31 van 51 23-6-2009 2concentration ( sens 0.06 ) / (0.01173 ) *100 H = U − V V PPM 2 (0.7 0.06 ) / (0.01173 ) *100 2 5400 concentration concentration H V V V PPM H PPM = − =
De regels van Shell zijn niet duidelijk over de maximaal toegestane waterstof concentratie, wel wordt er een voorbeeld gegeven van 1%. Dit betekend dat bij deze schakeling we aan de veilige kan zitten met 0,5% waterstof.
Johan Mol Pagina 32 van 51 23-6-2009
8 Implementatie.
In dit hoofdstuk zal ik een beschrijving geven van de implementatie fase. Eerst zal ik een beschrijving geven van de hardware. Deze beschrijving heeft meer te maken met de mannier van aansluiten. Dit hoofdstuk kan volgend jaar worden gebruikt bij het ontwikkelen van de nieuwe printlay-out.
8.1 Hardware.
Aan het eind van de ontwerp fase is er tijd om het systeem op te gaan bouwen. Voor dat hier aan kan worden begonnen moet wel eerst elk deelcomponent worden getest. De verschillende componenten die moesten worden geïntegreerd waren de volgende.
• Brandstofcellenstack. • Dc/dc converter. • Controller PCB. • Lucht pomp. • Recycling pomp. • Cockpit buttons. • Externe accu • Startknop • Beveiligingscircuit. • Rpm sensor. • Motor controller. • Motor. • Inletklep. • Purge klep. • Stopknop 1. • Stopknop 2. • Waterstof circuit. • PC interface
Johan Mol Pagina 33 van 51 23-6-2009 8.1.1 Brandstofcellenstack.
De brandstofcellenstack(FSC) is van de firma ZBT uit Duisburg, Duitsland. Het FCS bestaat uit veertig individuele cellen, die gezamenlijk elektriciteit opwekken door de reactie van waterstof met zuurstof.
De Brandstofcel is er één van het PEM-type. Dit kan vertaald worden met Proton Exchange Membrane, oftewel een membraan dat protonen uitwisselt. Een andere benaming is PEFC, oftewel Polymer Electrolyte Brandstofcel. Dit is een 'lage' temperatuur brandstofcel. De Brandstofcel werkt met waterstof van de hoogste puurheid (5.0).
De FCS is in staat een continu vermogen af te leveren van 300 Watt en kan kortstondig (maximaal 3 minuten) een vermogen van 500 Watt aan. De efficiency van de FCS ligt rond de 64 % bij een belasting van 100 tot 120 Watt. Zie verder de bijgevoegde efficiency curve. De spanning die de FCS opwekt is normaliter circa 37 V bij 'stationair' draaien op
bedrijfstemperatuur. Voor de spanning is ook een referentie U/I-curve opgesteld. Hierin is weergegeven hoe de spanning zich verhoudt tot de stroomsterkte (bij het opvoeren van de afgenomen stroomsterkte zakt de spanning namelijk in). De actuele spanning mag niet teveel afwijken van de referentiespanning (maximum van 3 V tussen best en worst case scenario). Is dit wel het geval, dan is controle van de cellen aanbevolen.
De werktemperatuur van de Brandstofcel ligt tussen de 40 en 65°C. Hierbij is deze ook het meest efficiënt.
Johan Mol Pagina 34 van 51 23-6-2009 8.1.2 Dc/dc converter.
De dc/dc converter is er van het type “elv-usw 525”.
Deze converter heeft de volgende eigenschappen. • Groot ingangsbereik. (5 tot 35 volt).
• Variabel uitgangs bereik.(5 tot 25 Volt). • Hoog rendement. (tot 97%)
• Max 2A.
8.1.3 Controller PCB.
Een groot deel van de hardware is gebaseerd op onderstaande print. Aan deze print zijn een aantal extra aansluitingen gemaakt, en sommige worden niet gebruikt.
Deze print is onderdeel van een prototype dat op dit moment wordt gebouwd bij ZBT.
Johan Mol Pagina 35 van 51 23-6-2009 Aansluitingen.
Om de verschillende hardware componenten aan te kunnen sluiten zal hieronder een lijst met aansluitingen worden gegeven.
1 RPM sensor 2 24 Volt. 3 24 Volt. 4 24 Volt. 5 PWM 2 N.C. 6 PWM 1 ventilators -. 7 PWM 0 recycling pomp -. 8 PWM 3 air pump power. 9 PWM 4 motor output. 10 PWM 5 N.C.
11 GND.
12 TWI klok voor temperatuur sensor 13 TWI data voor temperatuur sensor 14 5V. 15 N.C. 16 N.C. 17 N.C. 18 start button. 19 N.C. 20 N.C. 21 12-24 Volt in. 22 GND 23 5 Volt. 24 24Volt in 25 purge klep -. 26 inlaatklep -. 27 N.C. 28 N.C. 29 N.C. 30 N.C. 31 N.C. 32 N.C. 33 24 Volt. 34 24 Volt. 35 24 Volt. 36 24 Volt. 37 24 Volt. 38 24 Volt. 39 24 Volt. 40 24 Volt. 41 N.C. 42 N.C. 43 snelheid stap 6 44 snelheid stap 5 45 snelheid stap 4 46 snelheid stap 3 47 snelheid stap 2 48 snelheid stap 1 49 rem schakelaar 50 N.C. 51 N.C. 52 N.C. 53 N.C. 54 N.C. 55 N.C.
56 LEM sensor output. 57 N.C.
58 FC+ voor voltage meting. 59 GND. 60 12 Volt. 61 GND 62 -12 Volt. 63 GND. 64 Reset. 65 5 Volt.
Deze lijst is opgenomen in dit verslag zodat een volgend Shell Eco-marathon team aan de hand van dit verslag het systeem zou kunnen aansluiten wanneer de controller afgesloten is geweest.
Johan Mol Pagina 36 van 51 23-6-2009 8.1.4 Beveiligingscircuit.
Hieronder is een schematisch aanzicht van het beveiligingscircuit gegeven.
Figuur: beveiligingscircuit. Aansluitingen.
1 solenoid klep H2 circuit +. 2 solenoid klep H2 circuit -. 3 stopknop 1 terminal 1. 4 stopknop 2 terminal 1. 5 stopknop 2 terminal 2. 6 stopknop 1 terminal 2. 7 accu +. 8 accu -. 9 FCS + in. 10 12V+. 11 GND. 12 FCS+ uit. Werking.
Wanneer er aan de volgende zaken word voldaan zullen FCS+ in en FCS+ uit. Aan elkaar zijn verbonden. Wanneer 1 van de volgende zaken uitvalt zullen FCS+ in en FCS+ uit worden onderbroken. Ook zal de solenoid klep worden gesloten wanneer niet aan al deze zaken worden voldaan.
• Stopknop 1 gesloten. • Stopknop 2 gesloten.
• Laag h2 level gemeten. (h2 level is te hoog vanaf 5400 ppm) • Accu spanning voldoende.
Johan Mol Pagina 37 van 51 23-6-2009 8.1.5 Waterstof cicuit.
Het waterstof circuit is tot stand gekomen met behulp van ander collega’s binnen de projectgroep “Shell ecomarathon 2009”
V-3 uit bovenstaand diagram zal worden aangesloten op het beveiligingscircuit V-4 en V-5 zullen op control PCB moeten worden aangesloten.
Recirculatie
Normaalgesproken moet de lucht die de Brandstofcel ingepompt wordt bevochtigd worden. In het geval van ons systeem is dit niet nodig, omdat de waterstofrecirculatie voor voldoende bevochtiging zorgt (het reactieproduct van de Brandstofcel is immers water). Het 'vochtige' H2-circuit is opgebouwd met PTFE leidingen (ondoorzichtig), het droge deel is van P40
(doorzichtig) gemaakt. Voorwaarde voor recirculatie is wel dat de purgeklep goed werkt. Ook wordt met behulp van dit recirculatie circuit overtollig water uit de stack gedreven.
Johan Mol Pagina 38 van 51 23-6-2009 8.2 Software.
Nadat alle hardware was verzameld en ontwikkeld werd het tijd om de software te gaan
ontwikkelen. De ontwikkeling van de software is in verschillende fases gedaan. Deze fases zal ik in dit hoofdstuk beschrijven.
Om een goede implementatie van de software mogelijk te maken is het van belang de
processor te snappen. Om dit te bereiken heb ik testprint met daarop de volgende onderdelen gemaakt.
• 6 LED’s
• 2 potentiometers • 2 schakelaars.
Met behulp van deze testprint ben ik begonnen met het maken van verschillende programma’s. Deze programma’s begonnen heel simpel met “laat een lampje knipperen”. Nadat ik een week met deze testprint heb “gespeeld” ben ik de hardware van het brandstofcel systeem gaan aansluiten.
Het eerste dat ik heb aangesloten van de PC interface. Dit zodat ik een makkelijke interface had voor de verschillende unit tests die moesten worden uitgevoerd. De software routines voor de PC interface zijn geschreven en getest door een programmatje te maken die verschillend reageerde op verschillende invoerwaardes.
Nadat deze interface is goedgekeurd ben ik gaan werken aan de timer interrupt. Deze interrupt is getest door elke seconde een waarde naar de pc te sturen. Nadat de timer interrupt routine
Johan Mol Pagina 39 van 51 23-6-2009 was goedgekeurd is het programma is uitgebreid met een main-functie die de verschillende regelingen kan aanroepen.
Nadat deze main functie is geïmplementeerd ben ik begonnen met de ADC converters. Voor het systeem zijn 2 ADC converters in gebruikt, 1 wordt gebruikt voor het voltage, en 1 wordt
gebruikt om de stroomsterkte in te lezen.
Nadat de verschillende ingangen zijn getest zijn ook de verschillende uitgangen getest. Zo zijn er verschillende programma’s geschreven om verschillende uitputs te testen.
Nadat alle hardware was getest is begonnen met het implementeren van het software ontwerp. De software bestaat uit de volgende bestanden. Hier is duidelijk te zien dat verschillende header files zijn ontstaan vanuit verschillende test programma’s. Zo in bijvoorbeeld
ADC.h/ADC.c voortgekomen uit een programma dat werd gebruikt om de ADC functionaliteiten te testen. In het ontwerp staat echter dat low level drivers in library.c zouden worden
geïmplementeerd.
Source files. Header files.
ADC.c ADC.h CMDline.c CMDline.h PWM.c PWM.h RPM.c RPM.h Temperature.c temperature.h Timebased.c timebased.h Timer.c timer.h Uart.c uart.h ZBT_controller.c defines.h Glob.h
Johan Mol Pagina 40 van 51 23-6-2009 8.3 Test.
Voor de race.
Nadat alle onderdelen door een unit test zijn gegaan is het systeem langzaam opgebouwd. Dit is langzaam gebeurd omdat nadat elk deelcomponent was aangesloten er een integratietest moest worden uitgevoerd. Voor een uitgebreid test verslag wordt verwezen naar het
acceptatietest document. Dit document is te vinden in de bijlagen.
Nadat alle componenten zijn aangesloten en getest met behulp van een labvoeding, en een digitale weerstand werd het tijd om de brandstofcel regeling te gaan testen.
Eerst zijn in de EEPROM van de controller standaard waardes gezet waarmee de brandstofcel zeker zou starten. Deze waardes zijn besproken met Thorsten Notthof Bij ZBT.
Nadat die waardes waren opgeslagen is het systeem aangesloten op een pc met labview. Deze pc kon worden aangesloten op een 48 kanaals ADC. Met deze setup is het mogelijk om het voltage van alle 40 cellen te meten. Ook is in deze testopstelling en electrische belasting opgenomen. Deze belasting is in staat verschillende stroomsterktes en/of belastingen te simuleren.
Johan Mol Pagina 41 van 51 23-6-2009 Systeem instellingen bepalen.
Nadat het systeem een aantal minuten heeft gedraaid op de standaard instellingen ben ik begonnen met het wijzigen van verschillende instellingen. Eerst ben ik gaan de luchtstroom gaan aanpassen. Er is een bepaalde hoeveelheid lucht nodig om een goede werking van de fuelcell te garanderen. Eerst ik de stationaire luchtstroom ingesteld. Dit is gebeurd door verschillende waardes in te voeren en te kijken wat het effect was op het rendement van de fuelcell. Dit rendement kan worden bepaald aan de hand van het voltage van de verschillende cellen.
Bij een te lage luchtstroom was duidelijk te zien dat het voltage van de laatste cellen een stuk lager was dan bij de eerdere cellen. Om een goede stationaire werking te garanderen is er gekozen voor een stationaire luchtpomp aansturing van 31 procent. Dit is het laagste percentage waarbij ook een koude fuellcell stack stabiel draaid.
Daarnaast ben ik de fuelcell gaan testen onder belasting. Op pagina 14 is een formule gegeven waarmee de gewenste luchtstroom kan worden bepaald. Uit verschillende metingen is gebleken dat een stijgingscoefficient van 2%
A moest worden ingesteld. Deze instellingen zijn nagemeten met behulp van een flowmeter. De gemeten resultaten zijn te zien in onderstaande tabel.
Stroomsterkte Luchtstroom Stoel 3,5 8,6 3,703853 5,5 10 2,740694 7,5 11 2,210827 9,5 14,8 2,348342 11,5 16,8 2,202088
Nadat de luchtstroom is ingesteld zijn verschillende temperaturen van de brandstofcellenstack getest. Ook zijn verschillende waardes voor de recycling pomp getest.
Nadat alle instellingen zijn ingesteld zijn er metingen gedaan aan de het brandstofcel systeem. De resultaten van de metingen zijn te vinden in de onderstaande grafiek.
Johan Mol Pagina 42 van 51 23-6-2009 0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0 ,0 1 ,0 2 ,0 3 ,0 4 ,0 5 ,0 6 ,0 7 ,0 8 ,0 9 ,0 1 0 ,0 1 1 ,0 1 2 ,0 1 3 ,0 1 4 ,0 1 5 ,0 Stroomsterkte motor. re n d e m e n t 0,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0 400,0 450,0
De paarse lijn geeft het stack rendement aan. Dit is het rendement van de omzetting van waterstof en zuurstof naar water en elektriciteit.
De blauwe lijn geeft het netto rendement aan. Dit is het rendement van het volledige systeem. In dit rendement is het eigen opgenomen vermogen mee genomen.
Geel is het vermogen dat naar de motor gaat. Uit deze grafiek is te halen dat deze brandstofcel optimaal functioneert bij een belasting tussen de 50 en 130 watt.
Johan Mol Pagina 43 van 51 23-6-2009 Tijdens de race.
Tijdens de race was het mogelijk om de motor controller te testen. De motor controller moest er voor zorgen dat het voertuig een vaste snelheid zijn halen die was ingesteld.
Tijdens de eerste testrit is gebleken dat een tijdsinterval van 5 seconde voor de snelheid PID regeling resulteerde in een onstabiele regeling. Deze interval is toen aangepast naar 1 seconde. Helaas is er na deze wijziging maar 1 keer gereden dus kunnen we maar 8 rondes gebruiken om te analyseren. Hieronder zullen de rondetijden worden weergegeven.
1 6:21 2 5:58 3 5:59 4 6:07 5 6:01 6 6:02 7 6:00 8 5:59
Deze rondes zijn door Mike en mijzelf geklokt. Deze kunnen dus iets afwijken van de werkelijk door Shell gemeten snelheiden.
Aan deze waardes is we duidelijk te zien dat de afwijking tussen de snelste en de laatste ronde is 1 358*100% 1,1%
362
− =
Johan Mol Pagina 44 van 51 23-6-2009
9. Aanbevelingen.
• Brandstofcellenstack moet in een stofdichte behuizing.
De Brandstofcellenstack moet worden beschermd tegen stof, en bijvoorbeeld los vliegende carbon vezels van de body. Wanneer de stack wordt geplaatst binnen een behuizing met filters voor de ventilatie openingen is dit opgelost. Een ander voordeel is dat de “warme” lucht van de stack vandaan beter kan worden gebruikt om de metaal hydride fles te verwarmen.
• Verschillende componenten moeten worden geïntegreerd op 1 printplaat.
Dit jaar was er gekozen om een systeem te maken waarbij de verschillende kritische componenten makkelijk konden worden vervangen en/of aangepast. Volgend jaar is dit niet meer nodig omdat de hardware betrouwbaar genoeg is.
• Dc/dc converter moet worden beschermd tegen overbelasting, of worden vervangen. Dit jaar is 1 maal een dc/dc converter kapot gegaan door een te hoge stroom. Dit is gebeurd nadat de ingangsspanning te laag werd. Deze controller houdt de
uitgangsspanning gelijk waardoor de ingangsstroom heel hoog werd. • Atmega28 controller moet op een vaste manier worden bevestigd.
Na de race is gebleken dat er door een los zittend contact van de processor er een te hoge output is gegaan naar de luchtpomp. Deze pomp heeft tijdens de race een vermogensvraag gehad van 60 Watt waar ongeveer 16 watt het gebruikelijke is.
• Lem sensor moet op de printplaat worden bevestigd.
Tijdens de reparatie van de brandstofcel na de raceweek bleek dat 1 van de pootjes van de Lem sensor was afgebroken. Dit is te voorkomen door de sensor op de print te lijmen.
• Kabels moeten worden doorberekend.
Volgend jaar moet er worden berekend welke draden en kabels zo dun mogelijk moeten worden, en welke kabels dikker moeten zijn.
Enerzijds moeten kabels zo dun mogelijk zijn n verband met gewicht. Anderzijds moeten de kabels van en naar de motor niet te veel weerstand hebben.
• Brandstofcel systeem zal moeten worden opgehangen en bevestigd aan lichtere materialen.
• Printontwerp moet worden berekend op vibraties.
Bij het volgende printontwerp zal duidelijk moeten worden welke aansluitingen er onder veel stress komen te staan. Zo zullen kritische zaken dubbel (boven en onder) moeten worden gesoldeerd.
• Maak een knop voor handmatig purgen.
Om de brandstofcel kan het handig zijn de brandstofcellenstack te purgen. Dit is dan makkelijk als het doormiddel van een drukknop kan.
• Op het volgende systeem zal een aansluiting moeten worden gerealiseerd voor een ESD bandje. Dit om statische ontlading te voorkomen. Statische ontlading kan niet alleen slecht zijn voor elektronische componenten maar kan ook gevaar opleveren bij een eventueel waterstoflek.
Johan Mol Pagina 45 van 51 23-6-2009 • Er zal een rollerbank moeten worden gerealiseerd zodat de aandrijving kan worden
getest zonder dat het voertuig compleet is.
• Het volgende systeem zal moeten worden uitgebreid met een sd-kaart interface. Deze interface kan worden gevoed met een eigen accu mist de communicatie galvanisch is gescheiden.
• In de schakeling van de beveiliging is een relais opgenomen die wordt geschakeld vanuit het voertuig. Door deze te vervangen door een optocoupler is een besparing van 0,2 Watt te realiseren.
• Brandstofcel moet tijdens het rijden altijd zijn vastgezet aan het voertuig. • Verbeteringen moeten volgende jaar worden beperkt tot het verbeteren van de
hardware.
• Op de volgende prins moet een JTAG interface worden gerealiseerd. Aansluitschema is te vinden in de bijlagen.
• PC interface moet worden geïntegreerd op de print. Houd rekening met de benodigde galvanische scheiding.
• SD card interface moet worden geïntegreerd op de print. Benodigde software, en aansluitschema’s zijn te vinden in de bijlagen.
Johan Mol Pagina 48 van 51 23-6-2009 11. Literatuur.
Veel gebruikte datasheets.
• Infosheet crumb128 pin-out microprocessor.
• 1212d.pdf recom dc/dc converter datasheet. • BYV34_SERIES_3.pdf diodes.
• irfz46n.pdf schakel mosfet PCB.
• lem la55.pdf stroomsterkte meter.
• atmega128 light datasheet.pdf datasheet Atmega128 AVR controller.
• IR2110.pdf Mosfet driver.
• FB180SA10.pdf motor mosfet.
• Hydroknows_datsheet_101 Waterstofdetector. Relevante websites. • www.conrad.nl • www.farnell.nl • www.wikipedia.nl • www.atmel.com • winavr.sourceforge.net • http://www.chip45.com Naslagwerken.
The C programming language. Brian W. Kernighan & Dennis M. Ritchie Electrical engineering. Allan R. Hambley.
Johan Mol Pagina 49 van 51 23-6-2009 12. bijlagen.
1 Plan van aanpak. A Eerste planning. 2 Specificatie document. A Afstudeeropdracht. 3 Design document. A. Matlab simulaties. B. Data dictionaire. C. Datasheets. 4 Test document. 5 Broncode.
6 Schema’s Shell keuring. 7 JTAG interface.
8 SD interface handleiding. 9 Gebruikers handleiding.
