Parkside Multi Charger: az egyszerű és a Pro változat vezérlési architektúrája

A Parkside Multi Charger fejlesztése új szakaszba lépett. Az elmúlt időszakban több lehetséges vezérlési és teljesítménykapcsolási megoldást hasonlítottunk össze annak érdekében, hogy az egyszerű változat könnyen megépíthető, a későbbi Pro verzió pedig megfelelően bővíthető legyen.

A projekt célja egy nyolc akkumulátorhelyes töltőállomás létrehozása, amely egy eredeti Parkside töltőt használ, és automatikusan végiglépteti azt a behelyezett akkumulátorokon. A tényleges töltési folyamatot és annak biztonsági funkcióit továbbra is a gyári töltő kezeli.

Az egyszerű változat működési elve

A gyári töltő két állapotjelző LED-del rendelkezik. A vezérlés ezek állapotából állapítja meg, hogy mi történik az aktuálisan kiválasztott akkumulátorral.

Gyári töltő LED-je	Jelentés	Vezérlés reakciója
Folyamatos zöld	Az akkumulátor feltöltődött, vagy a hely üres	Továbblép a következő akkumulátorhelyre
Folyamatos piros	Töltés folyamatban	Az aktuális akkumulátoron marad, és várja a zöld állapotot
Villogó piros	Túlmelegedett vagy hibás akkumulátor	Tíz villanás után továbblép, és növeli a hibaszámlálót

A töltő LED-jeit két GL5516 fényellenállás figyeli. Az érzékelők fényzáró burkolatban, közvetlenül a gyári piros és zöld LED fölött helyezkednek el.

Akkuhelyenkénti állapotjelzés

Mind a nyolc akkumulátorhely saját címezhető RGB LED-et kap.

Szín	Állapot
Kék	Töltés folyamatban
Zöld	A töltés sikeresen befejeződött
Villogó piros	Ideiglenes hiba vagy túlmelegedett akkumulátor
Folyamatos piros	Öt sikertelen próbálkozás után tartós csomaghiba
Kikapcsolva	Üres vagy még nem azonosított akkumulátorhely

Az üres hely és a már feltöltött akkumulátor a gyári töltőn ugyanazt a zöld állapotot eredményezheti. Ezért a rendszer csak akkor jelöli zölddel az adott helyet, ha az előző két órában már észlelt folyamatos piros töltési állapotot, amelyet később zöld jelzés követett.

A teljesítménykapcsolás újragondolása

Az első elképzelés szerint mind a nyolc akkumulátor összes vezetékét külön mechanikus relékkel kapcsoltuk volna. Négy kapcsolandó érrel számolva ez összesen 32 relét jelentett volna.

8 akkumulátorhely x 4 kapcsolandó vezeték = 32 külön kapcsolóelem

A rendszer elemzése során kiderült, hogy a gyakorlatban három vezeték kezelése a meghatározó:

• 20 V pozitív teljesítményág
• 20 V negatív teljesítményág
• ID vagy kommunikációs vezeték

A jelenlegi hibrid elképzelés szerint a két nagyáramú teljesítményág MOSFET-es kapcsolást, az ID vezeték pedig mechanikus relét kapna.

Gyári töltő 20 V+ -> MOSFET kapcsoló -> kiválasztott akkumulátor 20 V+ Gyári töltő 20 V- -> MOSFET kapcsoló -> kiválasztott akkumulátor 20 V- Gyári töltő ID -> mechanikus relé -> kiválasztott akkumulátor ID

Az ID vonalon azért előnyös a mechanikus relé, mert kikapcsolva valódi galvanikus leválasztást biztosít, és nem torzítja az akkumulátor és a töltő közötti jelalakot.

MOSFET vagy mechanikus relé?

Tulajdonság	MOSFET	Mechanikus relé
Kapcsolási zaj	Csendes	Hallható kattanás
Élettartam	Nincs mechanikus kopás	Korlátozott kapcsolási ciklusszám
Kapcsolási sebesség	Nagyon gyors	Lassabb
Galvanikus leválasztás	Nem automatikusan biztosított	Valódi nyitott érintkező
Body dióda	Figyelembe kell venni	Nincs
ID vagy kommunikációs vonal	Csak megfelelő kapcsolással	Jól használható

A teljes kétirányú leválasztáshoz a teljesítményágakon várhatóan back-to-back MOSFET-kapcsolásra lesz szükség. Egyetlen MOSFET esetén a beépített body dióda kikapcsolt állapotban is biztosíthat áramutat az egyik irányban.

Egyszerű változat: ESP32 és Arduino Nano

Az egyszerű változatnál jelenleg az ESP32 és az Arduino Nano együttműködése tűnik a legjobb kompromisszumnak.

ESP32 | +-- Wi-Fi +-- kétnyelvű webes felület +-- gyári töltő LED-jeinek figyelése +-- töltési állapotgép +-- hibaciklusok kezelése | +-- UART kapcsolat | +-- Arduino Nano | +-- 8 pozitív teljesítménykapcsoló +-- 8 negatív teljesítménykapcsoló +-- 8 címezhető RGB LED +-- akkumulátorhelyek hőmérsékletmérése +-- rendszerhűtés vezérlése +-- watchdog és vészlekapcsolás

Az ESP32 feladatai

• Wi-Fi kapcsolat kezelése
• Magyar és angol nyelvű webes felület
• A gyári töltő piros és zöld LED-jének figyelése
• Az aktív akkumulátorhely kiválasztása
• A töltési és hibakezelési állapotgép futtatása
• A Nano felügyelete és az állapotadatok megjelenítése

Az Arduino Nano feladatai

• A pozitív és negatív teljesítménykapcsolók kezelése
• A kapcsolási sorrend végrehajtása
• A nyolc akkuhely RGB LED-jeinek vezérlése
• Opcionális akkuhely-hőmérsékletmérés
• A rendszerhűtő ventilátor vezérlése
• Kommunikációs hiba esetén automatikus lekapcsolás
• Helyi watchdog és túlmelegedés-védelem

Előnyök

• Jól elkülönül a hálózati és a hardverközeli vezérlés
• Az ESP32 újraindulása esetén a Nano biztonságosan lekapcsolhatja a teljesítményágakat
• Egyszerűen bővíthető hőmérőkkel és ventilátorvezérléssel
• Olcsó, könnyen beszerezhető fejlesztőpanelekből megépíthető
• A firmware két jól elkülönített részre bontható

Hátrányok

• Két külön firmware-t kell karbantartani
• Az ESP32 és a Nano között kommunikációs protokoll szükséges
• A 3,3 V-os és 5 V-os logikai szinteket illeszteni kell
• Több alkatrész és több hibalehetőség jelenik meg

Alternatíva: egyetlen ESP32

Egyetlen ESP32 is képes lehet a teljes rendszer kezelésére kimenetbővítőkkel, például 74HC595 vagy MCP23017 áramkörökkel.

Előnyök

• Egyetlen firmware
• Kevesebb mikrovezérlő
• Egyszerűbb kommunikációs felépítés
• Kisebb anyagköltség

Hátrányok

• A Wi-Fi, a webkiszolgálás és a teljesítményvezérlés ugyanazon az MCU-n fut
• Az ESP32 hibája esetén nincs különálló biztonsági alvezérlő
• A perifériák növekedésével gyorsan szükségessé válhatnak a kimenetbővítők
• A hardverközeli időzítések és a hálózati feladatok befolyásolhatják egymást

Alternatíva: STM32F4xx

Megvizsgáltuk azt is, hogy egy STM32F4xx mikrovezérlő kiválthatná-e az ESP32 és az Arduino Nano kombinációját.

Egy nagyobb STM32F4, például az STM32F407VET6 vagy STM32F407VGT6, elegendő GPIO-val, időzítővel, ADC-vel és kommunikációs perifériával rendelkezik ahhoz, hogy a teljes hardvert egyetlen processzor kezelje.

Előnyök

• Nagy GPIO-kapacitás
• Erős Cortex-M4 processzor
• Jó valós idejű vezérlés
• Fejlett időzítők, ADC-k, DMA és watchdog
• A teljes hardver egyetlen állapotgépben kezelhető
• Professzionális saját NYÁK készíthető köré

Hátrányok

• Az STM32F4 nem rendelkezik beépített Wi-Fi-vel
• Külön ESP8266, ESP32 vagy más hálózati modul szükséges
• A webszerver fejlesztése jóval összetettebb lehet
• Hosszabb fejlesztési és hibakeresési idővel kell számolni
• A prototípus elkészítése kevésbé gyors, mint Arduino-környezetben

Vezérlőarchitektúrák összehasonlítása

Szempont	Egy ESP32	ESP32 + Nano	STM32F4xx
Beépített Wi-Fi	Igen	Igen, az ESP32-ben	Nem
MCU-k száma	1	2	1, de Wi-Fi-modul szükséges
GPIO-k száma	Korlátozott	Megosztva elegendő	Nagy
Fejlesztési sebesség	Gyors	Gyors	Lassabb
Biztonsági elkülönítés	Kisebb	Jó	Egy MCU-n belül kezelhető
Firmware összetettsége	Közepes	Két különálló firmware	Magasabb
Prototípushoz való alkalmasság	Jó	Nagyon jó	Közepes
Saját végleges NYÁK-hoz	Jó	Jó	Nagyon jó

A Pro változat

A Parkside Multi Charger Pro nem egyszerűen a Basic modell kibővített változata lesz, hanem egy összetettebb töltő- és felügyeleti rendszer.

A jelenlegi terv szerint a Pro változatban ESP32 és Arduino Mega 2560 kombinációt használunk.

ESP32 | +-- Wi-Fi +-- Bluetooth +-- webes felület +-- MQTT és Home Assistant +-- központi kijelző +-- adatnaplózás | +-- UART kapcsolat | +-- Arduino Mega 2560 | +-- két párhuzamos töltőcsatorna +-- feszültség- és árammérés +-- RFID-olvasók +-- hőmérséklet-érzékelők +-- DC-DC modulok vezérlése +-- ventilátorok +-- hardveres biztonsági rendszer

Miért Mega a Pro változatban?

• Nagy számú digitális és analóg bemenet
• Több hardveres UART
• Egyszerűen kezelhető sok periféria
• Jól használható RFID-, mérési és hűtési feladatokra
• Gyorsan elkészíthető prototípus

Jelenlegi döntés

Az egyszerű változat első prototípusánál az alábbi felépítéssel folytatjuk a fejlesztést:

• ESP32: Wi-Fi, webes felület, LED-figyelés és magas szintű töltési logika
• Arduino Nano: teljesítménykapcsolók, RGB LED-ek, hőmérés, hűtés és biztonsági funkciók
• MOSFET-kapcsolók: a 20 V pozitív és negatív ágakhoz
• Mechanikus relék: az ID kommunikációs vezeték leválasztásához

Az STM32F4xx lehetőséget nem vetettük el. Egy későbbi, saját NYÁK-ra épülő változatnál továbbra is komoly alternatívát jelenthet, különösen akkor, ha a teljes hardvervezérlést egy professzionálisabb mikrokontrollerre szeretnénk áthelyezni.

Következő lépések

• Az ESP32 és a Nano közötti kommunikációs protokoll elkészítése
• A MOSFET-kapcsolók kétirányú leválasztásának vizsgálata
• Az ID-vonal kapcsolási tesztje
• A teljesítménykapcsolók hőmérsékletének mérése
• A rendszerhűtés méretezése
• Az első kétcsatornás próbapad összeállítása
• A végleges nyolccsatornás prototípus megtervezése

A projekt aktív fejlesztés alatt áll. A hardverarchitektúra a mérések és a gyakorlati tesztek eredményei alapján még módosulhat.