Weltneuheit: Segway-Akku jetzt mit Bluetooth!
Verfasst: 29.12.2016 22:28
Nachdem ich hier im Forum am 19. Mai 2016 bereits das mobile Diagnosegerät für Segway-Akkus vorgestellt hatte, möchte ich der werten Forengemeinde meine aktuelle Innovation nicht länger vorenthalten:
Vollwertiger Diagnose-Messadapter für Segway-Akkus mit bidirektionaler Bluetooth-Funktionalität.
0.0) Motivation
Nach Abschluß der Entwicklungsarbeiten zum hier vorgestellten Projekt "Mobiles Diagnosegerät" - der Luxus-Variante mit einem hochwertigen Farb-TFT-Display - hatte ich nach einer Möglichkeit gesucht, alternativ die für einen Anwender wichtigen Werte eines Segway-Akkus zu messen und auf einem Tablet / Smartphone darstellen zu können. Zudem bestand der Wunsch nach einer möglichst kleinen und kostengünstigeren Messvorrichtung, ohne auf die vom mobilen Diagnosegerät her bekannte Funktionalität oder Aspekte der Geräte- und Betriebssicherheit verzichten zu müssen.
Das Ergebnis ist eine hochinnovative "Bluetooth-Messvorrichtung für Segway-Akkus", welche ich im Folgenden kurz "BT-Adapter" nennen und im Detail vorstellen möchte (BT = Bluetooth).
1.0) Prinzip
Es ist bekannt, dass der Segway-Akku über einen Systembus mit der Segway-Base kommuniziert und diverse Daten ausgetauscht werden. Nach Aufstecken des BT-Adapter auf den zu prüfenden Segway-Akku tritt der BT-Adapter über den Systembus mit dem Akku in Verbindung, liest die relevanten Daten des Akkus aus und hält diese zur Weiterleitung via Bluetooth bereit. Nachdem ein Tablet / Smartphone mit dem BT-Adapter verbunden wurde (BT connected), werden die Daten gesendet und auf dem Tablet / Smartphone ausgegeben.
Die Erfassung der einzelnen Messwerte wird größtenteils vom Segway-Akku (BMS) selbst durchgeführt und via Systembus zum BT-Adapter übertragen - das Verfahren entspricht dem des TFT-Diagnosegerätes. Zur Kontrolle hat der BT-Adapter einen davon unabhängigen Messkreis, womit wichtige Spannungen nochmals gegengeprüft werden (Redundanz).
Auch bei diesem Konzept wurde großer Wert auf Sicherheit und Netzunabhängigkeit gelegt, das Gerät wird direkt vom Segway-Akku versorgt: Im Gegensatz zu anderen Geräten besteht der Vorteil der Netzunabhängigkeit, da der BT-Adapter ohne 230V-Netzteil und Batterien auskommt. Die Stromaufnahme durch den BT-Adapter ist dabei verhältnismäßig gering: 6 mA fließen nach dem Aufstecken des Adapters auf den Akku (BT inaktiv), max. 15 mA im laufenden Betrieb (BT aktiv).
Weiterhin wurden diverse Kommandos implementiert, die über das Tablet / Smartphone eingegeben und an den BT-Adapter gesendet werden können, womit sich Ablauf und Darstellungsart durch den Anwender beeinflussen lassen. Der Anwender hat so die Möglichkeit, sich die einzelnen Werte nach Relevanz und bestmöglicher Lesbarkeit anzuordnen, einzelne Werte wegzulassen, zusätzliche Leerzeilen einzufügen, etc.
Selbstverständlich werden die vom Anwender gemachten Änderungen intern gespeichert und bleiben bei Stromausfall (also nach Abziehen des BT-Adapters) für die nächste Sitzung erhalten.
2.0) Funktionsumfang
Die Ausgabe der Akkuwerte erfolgt entweder auf Anforderung durch den Anwender (= On Demand) oder fortlaufend aktualisiert (= Free Run) und in einer von drei wählbaren Darstellungsarten:
- MINI = Minimalausgabe der relevanten Akkuwerte
- MAXI = Maximalausgabe der Akkuwerte inkl. der 23 einzelnen Zellenspannungen
- USER = User definiert; der Anwender kann Werte und Ausgabe-Reihenfolge selbst definieren
Der vom Akku (normalerweise zur Segway-Base) gesendete Status kann somit permanent visualisiert werden, womit bereits im Vorfeld eingeschätzt werden kann, ob die Base einen Akku als fehlerfrei akzeptiert oder nicht. Zusätzlich warnt eine akustische Alarmvorrichtung den Anwender vor einem kritischen Betriebszustand bzw. weist auf eine mögliche Fehlersituation hin.
Folgende Werte werden vom BT-Adapter via Bluetooth gesendet:
- Status-Bytes (entspricht exakt dem Datenstrom Akku <-> Base)
- Akku-Status (OK / FAIL)
- Anzeige des Akku-Fehlercode bei Status = FAIL
- 23 Zellenspannungen, Genauigkeit +/- 0,5%
- Maximale Zellendifferenz in mV (Drift)
- Durchschnittliche Zellenspannung in mV (AVG)
- Lithium-Zelle mit höchster Spannung, mit Angabe der Zellen-Nr. (MAX)
- Lithium-Zelle mit niedrigster Spannung, mit Angabe der Zellen-Nr. (MIN)
- Gesamtspannung in V (Messung durch Akku-BMS), Genauigkeit +/- 0,5%
- Gesamtspannung, gemessen vom BT-Adapter-internen ADC, Genauigkeit +/- 0,5%
- pos. Strom in mA (Entladen), Genauigkeit +/- 1%
- Akku-Gesamttemperatur in °C
- Ladezustand SOC (State Of Charge) in %
Weitere Eigenschaften bzw. Funktionen des BT-Adapters:
- Akustische Alarmfunktion bei Unter- / Überspannung
- Akustische Alarmfunktion bei Status = FAIL (mit Fehlercode-Anzeige)
- Datenübertragung zum Tablet / Smartphone über Bluetooth (On Demand / Free Run)
- Anwender-programmierbare Ablaufsteuerung
- Vom Anwender gemachte Änderungen bleiben dauerhaft erhalten (EEPROM)
- Die letzte Auswahl bleibt dauerhaft erhalten (EEPROM)
- Selbsttestfunktion
- Geräte-Funktion im Bereich 48...88 V
- Original Segway-Steckverbinder (vergoldet)
- BT-Adapter verbaut im schlagfesten ABS-Kleingehäuse (9 x 5 x 3 cm)
3.0) Redundante Spannungsmessung
Wie bereits beim TFT-Diagnosegerät wurden mehrere Schutzmechanismen vorgesehen, um sowohl den BT-Adapter, wie auch einen kontaktierten Akku bestmöglich zu schützen.
Ein zusätzliches Plus an Sicherheit gewährleistet dabei die von mir integrierte Redundanz durch doppelt ausgelegte Spannungsmesskreise: Der BT-Adapter führt mittels internen AD-Wandlern eigene Spannungsmessungen durch, u.a. wird die Akku-Klemmenspannung mit einer Genauigkeit von +/- 0,5% permanent gemessen und auf kritische Grenzwerte geprüft (U_ADC).
Damit ist ein zuverlässiger Vergleich zu der von der Akku-BMS ermittelten und über den Systembus übertragenen Akku-Gesamtspannung möglich (U_I/O). Dadurch lassen sich nicht nur die Spannungswerte auf Plausibilität überprüfen, selbst bei Störung / Ausfall des Systembus ist sich der BT-Adapter über die tatsächliche Höhe der Akku-Klemmenspannung stets im Klaren.
4.0) Fotostrecke
Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart MINI (MIN / MAX / AVG):
Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart MAXI (inkl. der 23 Einzelzellen):
Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart USER (Beispiel mit Leerzeile & Copyright):
Beispiel für die Messgenauigkeit des BT-Adapters und die Plausibilität der einzelnen Spannungswerte: Bei einer tatsächlichen Akku-Klemmenspannung von 76,0 V (FLUKE, unbelastete Messung) weist der BT-Adapter einen Wert von U (ADC) = 76,05 V aus. Der Messfehler beträgt 50 mV, die Genauigkeit ist damit besser als + 0,1% (FLUKE = Referenz mit einer Grundgenauigkeit von +/- 0,05%):
5.0) Aussicht
Das gesamte Wissen aus der Entwicklung des TFT-Diagnosegerätes konnte beim BT-Adapter erfolgreich umgesetzt werden. Der BT-Adapter wird einfach auf den zu prüfenden Segway-Akku aufgesteckt, die Daten des Akkus werden ausgelesen und via Bluetooth gesendet - Fertig.
An dieser Stelle stellt sich die Frage, ob der BT-Adapter auch direkt in den Akku eingebaut werden könnte. Somit könnten alle relevanten Werte vom Akku überprüft werden, ohne der Notwendigkeit, den Akku dazu vom Segway demontieren zu müssen. Es ist technisch tatsächlich möglich (und von mir testweise bereits realisiert worden), die Leiterplatte mit dem BT-Sendemodul DIREKT IN DEN AKKU einzubauen! Somit können WÄHREND DER FAHRT alle relevanten Daten der beiden Akkus visualisiert werden - hier dürfte insbesondere die belastungsabhängige Stromhöhe interessant sein. Dazu ist es notwendig, den Systembus vom / zum Akku zusammen mit der Base zeitversetzt zu nutzen - quasi ein Multi-Master-System. Untersuchungen im laufenden Segway-Betrieb haben ergeben, dass der interne Systembus zum Akku tatsächlich die größte Zeit nicht genutzt wird, es also möglich ist, in den Pausen zwischen der Base-Aktivität selbst mit dem Akku zu kommunizieren. Das dazu genutzte Verfahren ist etwas tricky, ein dauerhafter Parallelbetrieb ist nach meiner Erfahrung dennoch problemlos möglich, ohne das die zusätzliche Kommunikation den Akku-µC überlastet (mehr Anfragen) oder die Base mit einem Fehler in die Notabschaltung geht (unerwartete Busaktivität).
Hierzu wird es von mir mit Sicherheit weitere Entwicklungen geben.
6.0) Weiterführende Dokumentation
Ein Video zur Funktionalität des BT-Adapters findet sich in meinem internationalen YT-Kanal (Tipp: Dort kann eine zusätzliche Beschreibung durch Klick auf den Button "MEHR ANZEIGEN" aufgeklappt werden):
https://youtu.be/DwmkY0vo8Cg
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Vollwertiger Diagnose-Messadapter für Segway-Akkus mit bidirektionaler Bluetooth-Funktionalität.
0.0) Motivation
Nach Abschluß der Entwicklungsarbeiten zum hier vorgestellten Projekt "Mobiles Diagnosegerät" - der Luxus-Variante mit einem hochwertigen Farb-TFT-Display - hatte ich nach einer Möglichkeit gesucht, alternativ die für einen Anwender wichtigen Werte eines Segway-Akkus zu messen und auf einem Tablet / Smartphone darstellen zu können. Zudem bestand der Wunsch nach einer möglichst kleinen und kostengünstigeren Messvorrichtung, ohne auf die vom mobilen Diagnosegerät her bekannte Funktionalität oder Aspekte der Geräte- und Betriebssicherheit verzichten zu müssen.
Das Ergebnis ist eine hochinnovative "Bluetooth-Messvorrichtung für Segway-Akkus", welche ich im Folgenden kurz "BT-Adapter" nennen und im Detail vorstellen möchte (BT = Bluetooth).
1.0) Prinzip
Es ist bekannt, dass der Segway-Akku über einen Systembus mit der Segway-Base kommuniziert und diverse Daten ausgetauscht werden. Nach Aufstecken des BT-Adapter auf den zu prüfenden Segway-Akku tritt der BT-Adapter über den Systembus mit dem Akku in Verbindung, liest die relevanten Daten des Akkus aus und hält diese zur Weiterleitung via Bluetooth bereit. Nachdem ein Tablet / Smartphone mit dem BT-Adapter verbunden wurde (BT connected), werden die Daten gesendet und auf dem Tablet / Smartphone ausgegeben.
Die Erfassung der einzelnen Messwerte wird größtenteils vom Segway-Akku (BMS) selbst durchgeführt und via Systembus zum BT-Adapter übertragen - das Verfahren entspricht dem des TFT-Diagnosegerätes. Zur Kontrolle hat der BT-Adapter einen davon unabhängigen Messkreis, womit wichtige Spannungen nochmals gegengeprüft werden (Redundanz).
Auch bei diesem Konzept wurde großer Wert auf Sicherheit und Netzunabhängigkeit gelegt, das Gerät wird direkt vom Segway-Akku versorgt: Im Gegensatz zu anderen Geräten besteht der Vorteil der Netzunabhängigkeit, da der BT-Adapter ohne 230V-Netzteil und Batterien auskommt. Die Stromaufnahme durch den BT-Adapter ist dabei verhältnismäßig gering: 6 mA fließen nach dem Aufstecken des Adapters auf den Akku (BT inaktiv), max. 15 mA im laufenden Betrieb (BT aktiv).
Weiterhin wurden diverse Kommandos implementiert, die über das Tablet / Smartphone eingegeben und an den BT-Adapter gesendet werden können, womit sich Ablauf und Darstellungsart durch den Anwender beeinflussen lassen. Der Anwender hat so die Möglichkeit, sich die einzelnen Werte nach Relevanz und bestmöglicher Lesbarkeit anzuordnen, einzelne Werte wegzulassen, zusätzliche Leerzeilen einzufügen, etc.
Selbstverständlich werden die vom Anwender gemachten Änderungen intern gespeichert und bleiben bei Stromausfall (also nach Abziehen des BT-Adapters) für die nächste Sitzung erhalten.
2.0) Funktionsumfang
Die Ausgabe der Akkuwerte erfolgt entweder auf Anforderung durch den Anwender (= On Demand) oder fortlaufend aktualisiert (= Free Run) und in einer von drei wählbaren Darstellungsarten:
- MINI = Minimalausgabe der relevanten Akkuwerte
- MAXI = Maximalausgabe der Akkuwerte inkl. der 23 einzelnen Zellenspannungen
- USER = User definiert; der Anwender kann Werte und Ausgabe-Reihenfolge selbst definieren
Der vom Akku (normalerweise zur Segway-Base) gesendete Status kann somit permanent visualisiert werden, womit bereits im Vorfeld eingeschätzt werden kann, ob die Base einen Akku als fehlerfrei akzeptiert oder nicht. Zusätzlich warnt eine akustische Alarmvorrichtung den Anwender vor einem kritischen Betriebszustand bzw. weist auf eine mögliche Fehlersituation hin.
Folgende Werte werden vom BT-Adapter via Bluetooth gesendet:
- Status-Bytes (entspricht exakt dem Datenstrom Akku <-> Base)
- Akku-Status (OK / FAIL)
- Anzeige des Akku-Fehlercode bei Status = FAIL
- 23 Zellenspannungen, Genauigkeit +/- 0,5%
- Maximale Zellendifferenz in mV (Drift)
- Durchschnittliche Zellenspannung in mV (AVG)
- Lithium-Zelle mit höchster Spannung, mit Angabe der Zellen-Nr. (MAX)
- Lithium-Zelle mit niedrigster Spannung, mit Angabe der Zellen-Nr. (MIN)
- Gesamtspannung in V (Messung durch Akku-BMS), Genauigkeit +/- 0,5%
- Gesamtspannung, gemessen vom BT-Adapter-internen ADC, Genauigkeit +/- 0,5%
- pos. Strom in mA (Entladen), Genauigkeit +/- 1%
- Akku-Gesamttemperatur in °C
- Ladezustand SOC (State Of Charge) in %
Weitere Eigenschaften bzw. Funktionen des BT-Adapters:
- Akustische Alarmfunktion bei Unter- / Überspannung
- Akustische Alarmfunktion bei Status = FAIL (mit Fehlercode-Anzeige)
- Datenübertragung zum Tablet / Smartphone über Bluetooth (On Demand / Free Run)
- Anwender-programmierbare Ablaufsteuerung
- Vom Anwender gemachte Änderungen bleiben dauerhaft erhalten (EEPROM)
- Die letzte Auswahl bleibt dauerhaft erhalten (EEPROM)
- Selbsttestfunktion
- Geräte-Funktion im Bereich 48...88 V
- Original Segway-Steckverbinder (vergoldet)
- BT-Adapter verbaut im schlagfesten ABS-Kleingehäuse (9 x 5 x 3 cm)
3.0) Redundante Spannungsmessung
Wie bereits beim TFT-Diagnosegerät wurden mehrere Schutzmechanismen vorgesehen, um sowohl den BT-Adapter, wie auch einen kontaktierten Akku bestmöglich zu schützen.
Ein zusätzliches Plus an Sicherheit gewährleistet dabei die von mir integrierte Redundanz durch doppelt ausgelegte Spannungsmesskreise: Der BT-Adapter führt mittels internen AD-Wandlern eigene Spannungsmessungen durch, u.a. wird die Akku-Klemmenspannung mit einer Genauigkeit von +/- 0,5% permanent gemessen und auf kritische Grenzwerte geprüft (U_ADC).
Damit ist ein zuverlässiger Vergleich zu der von der Akku-BMS ermittelten und über den Systembus übertragenen Akku-Gesamtspannung möglich (U_I/O). Dadurch lassen sich nicht nur die Spannungswerte auf Plausibilität überprüfen, selbst bei Störung / Ausfall des Systembus ist sich der BT-Adapter über die tatsächliche Höhe der Akku-Klemmenspannung stets im Klaren.
4.0) Fotostrecke
Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart MINI (MIN / MAX / AVG):
Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart MAXI (inkl. der 23 Einzelzellen):
Der BT-Adapter sendet die Akku-Werte in der Darstellungsart USER (Beispiel mit Leerzeile & Copyright):
Beispiel für die Messgenauigkeit des BT-Adapters und die Plausibilität der einzelnen Spannungswerte: Bei einer tatsächlichen Akku-Klemmenspannung von 76,0 V (FLUKE, unbelastete Messung) weist der BT-Adapter einen Wert von U (ADC) = 76,05 V aus. Der Messfehler beträgt 50 mV, die Genauigkeit ist damit besser als + 0,1% (FLUKE = Referenz mit einer Grundgenauigkeit von +/- 0,05%):
5.0) Aussicht
Das gesamte Wissen aus der Entwicklung des TFT-Diagnosegerätes konnte beim BT-Adapter erfolgreich umgesetzt werden. Der BT-Adapter wird einfach auf den zu prüfenden Segway-Akku aufgesteckt, die Daten des Akkus werden ausgelesen und via Bluetooth gesendet - Fertig.
An dieser Stelle stellt sich die Frage, ob der BT-Adapter auch direkt in den Akku eingebaut werden könnte. Somit könnten alle relevanten Werte vom Akku überprüft werden, ohne der Notwendigkeit, den Akku dazu vom Segway demontieren zu müssen. Es ist technisch tatsächlich möglich (und von mir testweise bereits realisiert worden), die Leiterplatte mit dem BT-Sendemodul DIREKT IN DEN AKKU einzubauen! Somit können WÄHREND DER FAHRT alle relevanten Daten der beiden Akkus visualisiert werden - hier dürfte insbesondere die belastungsabhängige Stromhöhe interessant sein. Dazu ist es notwendig, den Systembus vom / zum Akku zusammen mit der Base zeitversetzt zu nutzen - quasi ein Multi-Master-System. Untersuchungen im laufenden Segway-Betrieb haben ergeben, dass der interne Systembus zum Akku tatsächlich die größte Zeit nicht genutzt wird, es also möglich ist, in den Pausen zwischen der Base-Aktivität selbst mit dem Akku zu kommunizieren. Das dazu genutzte Verfahren ist etwas tricky, ein dauerhafter Parallelbetrieb ist nach meiner Erfahrung dennoch problemlos möglich, ohne das die zusätzliche Kommunikation den Akku-µC überlastet (mehr Anfragen) oder die Base mit einem Fehler in die Notabschaltung geht (unerwartete Busaktivität).
Hierzu wird es von mir mit Sicherheit weitere Entwicklungen geben.
6.0) Weiterführende Dokumentation
Ein Video zur Funktionalität des BT-Adapters findet sich in meinem internationalen YT-Kanal (Tipp: Dort kann eine zusätzliche Beschreibung durch Klick auf den Button "MEHR ANZEIGEN" aufgeklappt werden):
https://youtu.be/DwmkY0vo8Cg
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