T4Forum Zuheizer Steuergeraet V2

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Zuheizersteuergerät Version 2 (B.Rude)

"in Arbeit"

Das Zuheizer-Steuergerät der ersten Generation wurde von mir mit der Zeit mit immer neuen Funktionen versehen und da die Ideen nicht ausgehen ist es an der Zeit die zweite Generation zu bauen.

Zusätzliche Features:

  • Zuheizer Modus einlesen. Das Steuergerät soll erkennen wenn das Fahrzeug den Zuheizer gestartet hat und anzeigen. Optional soll es möglich sein z.B. beim Rangieren den Zuheizer Start zu unterbinden (z.B. erst nach 5 Minuten Fahrzeit den angeforderten Start weiterreichen) Auch ist es so möglich vom Modus "Heizen" nach dem Motorstart in den Modus "Zuheizer" zu wechseln.
  • Trennrelaissteuerung, in meinem Fahrzeug können die Batterien von der Solaranlage, dem 230V Ladegerät und der Lichtmaschine geladen werden. Da der Solarregler und das 230V Ladegerät einen 12V Ausgang besitzen kann schneller erkannt werden welche Quelle aktive ist bzw. nicht mehr aktive ist. Dadurch lässt sich die Ladeprozedur besser umsetzten
  • 3 Batterien, oder Ladebooster, ein weiterer Ausgang kann genutzt werden um einen Ladebooster und das Trennrelais unabhänig zu steuern. Damit kann die Wohnbatterie besser über die Lichtmaschine geladen werden, trotzdem kann die Startbatterie auch über die Solaranlage oder das 230V Ladegerät mitgeladen werden.
  • 2 zeiliges oder 4 zeiliges Display. Der verwendete Microcontroller soll genug Speicherplatz haben um die Anzeige komfortabler zu gestalten, neben dem 2 zeiligen Display wird auch ein 4 zeiliges Display unterstützt.
  • Enter Taste, eine zusätzliche Taste soll die Einstellungen des Steuergerätes vereinfachen. Die DIP Schalter entfallen komplett, alle Einstellungen, auch die kalibrierung der Voltmeter, erfolgen über das Service Menue


Platine:

Da die kostenfreie Platinen Software Eagle eine maximale Platinengröße erlaubt ist die Platine exakt so groß wie die erste Version.

Platine
Schaltung

Der D2Pack Footprint passt exakt auf für den BTS141 den es als SMD Bauteil bei Reichelt gibt. Als 5V Spannungsregler kommt ein NX1117 zum Einsatz der um einiges genauer ist als ein 7805 oder LM317. Anstelle des Atmega8 kommt der Atmega644 zum Einsatz, der Microcontroller verfügt über mehr Ein- und Ausgänge und hat 64Kb Speicher. (EXTOSC_3MHZ_8MHZ_258CL_65MS)

unbestückte Platine

Bestückte Platine

Bestückte Platine

Um eine professionell gefertigte Platine zu bekommen kann man sie online bei einem Platinenservice bestellen z.B. LeitOn.

Display:

Neben dem bekannten 2zeiligem Display kann nun auch ein 4zeiliges Display angesteuert werden. das Display ist Funktionskompatiebel und kann einfach anstelle des zweizeiligen angeschlossen werden.

P4 zeiliges Display

das 4zeilige Display ist auch bei Pollin zu erwerben.

  • TC1602A-08 (2zeilig)
  • TC1604A-04 (4zeilig)

Fahrzeug

Beschreibung der Anbindung in das Fahrzeug

Batterien

Das Laden von zwei Batterien im Fahrzeug kann leicht etwas komplexer werden, insbesondere wenn verschiedene Lademöglichkeiten auf zwei Batterien verteilt werden müssen. In meinem Fahrzeug sind zusätzlich noch unterschiedliche Batterietypen verbaut (Standard Starterbatterie, AGM) was die Sache noch etwas komplizierter macht

Ladekonzept

Alternative kann man komplett auf das Trennrelais verzichten und mit zwei B2B Ladern arbeiten. Damit wären dann die Batterien komplett entkoppelt und man kann ohne Probleme AGM und eine standard Batterie verbauen. Auch wird so ein Notstart möglich, der B2B lader kann die Startbatterie laden ohne das über ein Trennrelais gestartet wird.

Doppelter B2B

Für das Laden der Startbatterie bietet sich der kleine Waeco 8A B2B Lader an, für das Laden der Wohnbatterie der 25A B2B Lader von Votronic mit AGM Modus und Temperatursensor.

Eine preiswerte Lösung kann die Kombination: B2B Lader zum Laden der Wohnbatterie sein wo dann über das Trennrelias bei 230V Netzteilbetrieb die Startbatterie mitgeladen wird und ein Dual Laderegler z.B. die MPP von Votronic die Startbatterie über den zweiten Ladeausgang laden. da der Votronic MPP Lader ca. 0.7V weniger am zweiten Ladeausgang an Spannung zur Verfügung stellt kann auch im AGM Modus die Startbatterie mitgeladen werden.

Solarlader EBL Ausgang

der aktuelle MPP Lader von Votronic verfügt über einen EBL Ausgang der den Wert des aktuellen Ladestrom zur Verfügung stellt. Der Wert wird analog übermittelt, 1 mA Strom entspricht 20A Ladestrom.

  • 1.0 mA - 20A
  • 0.9 mA - 18A
  • 0.8 mA - 16A
  • 0.7 mA - 14A
  • 0.6 mA - 12A
  • 0.5 mA - 10A
  • 0.4 mA - 8A
  • 0.3 mA - 6A
  • 0.2 mA - 4A
  • 0.1 mA - 2A

Bei meiner 60W Solarzelle, die auch mal 70W abgibt, habe ich einen maximalen Ladestrom von ca. 5 A was dann ca. 0.25 mA entspricht. Da der "Solar Active" Eingang auf einen A/D Wandler geht kann ich das EBL Signal einlesen und den Ladestrom auswerte.

Bei einer Referenzespannung von 2.5V am A/D Wandler und einem maximalen Signalstrom von 0.25 mA kommt man auf einen Messwiderstand von: Rmess = UADref/Imess max = 10 kOHm (R24 = 0 Ohm, R7 = 10kOhm)

Widerstände R7/24

Bei dieser Konfiguration nutze ich die volle Auflösung des A/D Wandlers und den bekannten Fehler bei höheren Strömen der hier zu verschmerzen ist da die Solarzelle in der Regel nicht ihren maximalen Strom abgibt. Bei den 10 Bit des Wandlers ist das MSB 5A/1024 = 4.88 mA, also gut 5mA Auflösung mit der sich der Solarstrom schon recht fein auflösen lässt.

Ladequellen

Übersicht der Ladequellen:

Solaranlage

der MPP Votronic Regler mit Temperatursensor hat neben dem Hauptladeausgang noch einen Nebenladeausgang der um 0.7V geringer ist als der Hauptladeausgang. Zusätzlich verfügt der Laderegler über einen EBL Ausgang der den Solarstrom ausgibt. Anhand der Spannung der Wohnbatterie (Ladezustand) und dem Solarstrom wird die Ladung der Startbatterie durchgeführt. Entweder über einen B2B Wandler oder über ein Trennrelais. Da die Wohnbatterie (AGM) eine höhere Ladeschlussspannung hat wird bei Verwendung des Trennrelais bei zu hoher Ladespannung das Trennrelais wieder geöffnet (>14.5V) um eine Beschädigung der Startbatterie zu verhindern. Da die Spannung des zweiten Ladeausgangs geringer ist kann auch über diesen Ausgang keine Überladung stattfinden.

Der Votronic Lader regelt bei geladener Batterie die Ladespannung auf ca. 13.2 V bis 13.5 V runter und auch der Ladestrom geht dann runter. Um sicherzugehen das die Startbatterie am besten geladen wird, muss auch bei dieser Sapnnung das Trennrelais geschlossen werden, ein Anstieg des Solarstroms zeigt dann das der Laderegler in "Erhaltungsladung" war, die Solaranlage nicht in der Lage ist die vorhandene Energie abzugeben.

230V Lader

Das Philips Ladegerät im California hat einen Temperatursensor und regelt die Ausgangsspannung mit der Ladekennlinie für Bleigeelbatterien. Optional könnte ein 20A Faron Ladegerät eingebaut werden was auch über einen zweiten Ladeausgang das Steckersymbol im Westfalia Bedienteil ansteuert. Diese Leitung wird genutzt um zu erkennen ob der Bus m Netz angeschlossen ist

B2B Lader

da die Wohnbatterie auch über die Lichtmaschine optimal geladen werden soll wird ein B2B Lader eingesetzt. Dieser Lader wird über den Steuerausgang "Trennrelais 2" gesteuert um sicherzustellen das nur bei Laden über die Lichtmaschine der B2B Lader aktiviert ist.

Trennrelais

Das Trennrelais wird genutzt um die Startbatterie auch über die Solaranlage oder das 230V Ladegerät mitzuladen. Die Wohnbatterie wird bevorzugt geladen.

Anzeigen

Das Steuergerät hat nun eine "Enter" Taste mit der sich auch verschiedene Bildschirme wählen lassen.

Hauptbildschirm:

Maindisplay
  • SB: Spannung der Startbatterie
  • WB: Spannung der Wohnbatterie
  • T: Temperatur
  • "*": Solaranlage arbeitet, dahinter wird im Solarmodus der Timer angezeigt der die Ladung prüft, Weiter Anzeigen: "+" Zündung, "o" Motor wurde gestartet
  • TRelais: hier wird angezeigt welche Ladequelle genutzt wird
  • Heizung: hier wird angezeigt was die Heizung einschaltet, z.B. auch Motor wenn der Zuheizer vom Fahrzeug eingeschaltet werden soll.

Durch das Einlesen der Fahrzeugsignale D-IN und T-IN kann der Zuheizerstart auch unterbunden werden z.B. wenn man das Fahrzeug nur kurz umparkt

Clock

Durch den verbauten Quarz steht eine Uhrzeit zur Verfügung.

Ladequelle

um zu erkennen welche Ladequelle zur Verfügung steht, auch wenn das Trennrelais noch nicht geschlossen ist gibt es ein Anzeifeld

  • "+" - Zündung ist eingeschaltet
  • "o" - Motor läuft
  • "*" - Solaranlage arbeitet
  • "#" - 230V Netzteil arbeitet
  • "!" - Fehler z.B. Zündung ist ausgeschaltet aber der Motor läuft, bei kritischen Situationen z.B. Motor läuft und 230V Lader ist eingesteckt blinkt das Symbol.

Energieverteilung

Im Standard Modus wird "TRelais" angezeigt, bei der Konfiguration B2B Lader wird "B2BLade" angezeigt. Der Modus kann im Service Menue eingestellt werden.

  • "aus " - Trennrelaus offen oder B2B Lader nicht aktiviert
  • "Motor " - Lichtmaschine lädt
  • "230V " - 230V Netzteil lädt
  • "Solar " - Solaranlage lädt
  • "Heizung" - Trennrelais geschlossen weil Heizung läuft
  • "ein " - Trennrelais geschlossen z.B. Notlademodus
  • "Service" - Trennrelais immer offen z.B eil eine Batterie nicht angeschlossen ist
  • "OverVol" - Trennrelais offen weil Überspannung erkannt wurde
  • "Achtung" - Trennrelais offen, 230V Lader aktive und Zündung wurde eingeschaltet

Heizungs Modes

Neben dem Heizungsmodus ist nun auch ein Zuheizermodus möglich.

Restwärme (RestW)

Der Restwärmemodus wird durch das einmalige Drücken der Restwärme Taste gestartet. Dabei werden die Kühlmittelpumpe, der Innenlüfter und das Trennrelais (optional -> Service Mode: Trennrelais bei Heizen aktive) eingeschaltet. Damit kann die Restwärme des Motors genutz werden ohne den Zuheizer starten zu müssen.

Beedendet wird der Modus durch erneutes Drücken des Restwärme Tasters, durch das Einschalten der Zündung oder wenn die Batteriespannung zu gering ist.

Zuheizer

Der Zuheizer wird nun nicht mehr direkt von T_IN und D_IN gesteuert. Das Steuergerät erkennt den Einschaltzustand dieser Signale und startet den Zuheizer 30 Sekunden nach dem Motorstart. Der Modus wird angezeigt so das man leicht erkennen kann ob das Fahrzeug den Zuheizer eingeschaltet hat oder nicht.

Heizen

Über die Moduluhr oder die externe Heiztaste kann der Zuheizer als Standheizung gestartet werden. Durch die Signale D_IN und T_IN kann das Steuergerät nun besser erkennen ob der Motor läuft oder nicht, unabhängig von der Zündung.

Ist die Motortemperatur noch sehr hoch (Service Menue: Restwärme umschalt auf Heizen) wird zuerst im Restwärme Modus die Wassertemperatur genutzt um das Fahrzeug zu heizen, bei unterschreiten der im Service Menue eingestellten Temperatur startet dann der Zuheizer und der klassische Standheizungsbetrieb wird gestartet.

Der Start des Zuheizers wird dabei überwacht, steigt die Kühlmitteltemperatur nicht wie erwartet wird der Modus abgebrochen damit die Kühlmittelpumpe nicht solange läuft bis die Pumpe wegen Unterspannung der Batterie abgeschaltet wird. Das hilft gerade bei einer nicht mehr so guten Batterie die Ladungsentnahme der Batterie zu minimieren. Startet z.B. der Zuheizer nicht mehr weil der Startvorgang im Zuheizer wegen Unterspannung abgebrochen wird so wird dann auch zeitnah die Pumpe abgeschaltet.

Wird der Motor im Standheizungsbetrieb gestartet bleibt der Zuheizer eingeschaltet aber das Trennrelais wird zum Motorstart geöffnet. Die elektrische Kühlmittelpumpe wird abgeschaltet und das Lüftungsrelais schaltet auf die Standardposition. Wird der Motor gestoppt schaltet sich die elektrische Kühlmittelpumpe wieder ein und der Lüfter wird wieder entsprechend angesteuert.


Trennrelais/B2B

Die Trennrelais und B2B Lader Steuerung ist nun etwas aufwendiger. Welche Ladequelle zur Verfügung steht kann nun besser erkannt werden da das 230V Signal vom Netzteil zur Verfügung steht und auch ein Signal vom Laderegler der Solaranlage.

Solar

Die Solaranlage lädt bevorzugt die Wohnbatterie auf, ist diese geladen wird auch die Startbatterie mitgeladen indem das Trennrelais geschlossen ist. Da beim zusammenschalten der beiden Batterien die Spannung an der Wohnbatterie auch absinkt überprüft das Steuergerät regelmässig ob die Ladebedingung noch erfüllt ist (Solaranlage lädt und Spannung an der Wohnbatterie ist über der im Service Mode eingestellten Spannung: Einschaltspannung Trennrelais). Dazu gibt es noch die Besonderheit das bei der Verwendung von AGM Batterien als Wohnbatterie und einem entsprechendem Solarregler bei zu hohen Ladespannungen (>14.4V) das Trennrleais geöffnet wird damit die AGM Batterie durch geladen wird aber die Wohnbatterie nicht überladen wird.

Solar

Auf dem Display wird der Solarmodus angezeigt "*" und auch das der Solarmodus das Trennrelais geschaltet hat. Es läuft ein Timer der anzeigt das alle 15 Minuten (hier noch 5 Minuten, 56 Sekunden) die Einschaltbedingung für den Solarmodus erfüllt ist. Damit erreicht man das bei einer sehr stark entladenen Startbatterie diese häppchenweise geladen wird ohne die Wohnbatterie zu stark zu entladen. Gleichzeitig schaltet man das Trennrelais nicht zu hektisch z.B. wenn bei bewölktem Himmel ab und an die Solaranlage nicht lädt.


Motor

Über den Motor wird die Startbatterie bevorzugt geladen, erst wenn die Startbatterie eine bestimmte Spannung erreicht (Service Mode: Einschaltspannung Trennrelais) überschritten ist wird die Wohnbatterie mit geladen.

Durch das Signal "D_IN" kann das Steuergerät zwischen "Zündung" und "Motor läuft" unterscheiden. Nach dem Einschalten der Zündung wird dieses durch ein "+" Symbol angezeigt.

Zündung

Bei der vorherigen Version musste über die Batteriespannung rück geschlossen werden ob der Motor läuft oder nicht. Das funktioniert nur eingeschränkt da die Startbatterie, wenn sie kurz vorher über die Solaranlage geladen wurde noch eine relative hohe Spannung hat aber bei hohen Temperaturen die Ladespannung der Lichtmaschine um die 13.6V liegen kann (z.B. bei 40°C in Kroatien)

Wird der Motorstart erkannt wird das über das Symbol "o" angezeigt. Ist dann die Spannung der Startbatterie hoch genug wird ein 10 Sekunden Timer gestartet, ist die Einschaltbedingung über diese 10 Sekunden gültigt wird das Trennrelais oder der B2B Lader eingeschaltet.

Motor läuft

hier wird in 8 Sekunden das Trennrelais geschlossen, gleichzeitig sieht man das die Einschaltbedingung für den Zuheizer erfüllt ist und dieser in 27 Sekunden gestartet wird.

B2B Lader gestartet

Hier wird nun der B2B Lader aktiviert, alternative kann auch das Trennrelais eingeschaltet werden wenn kein B2B Lader vorhanden ist.

Zuheizer gestartet

Ist auch der Timer für den Zuheizerstart abgelaufen wird der Zuheizer gestartet.

230 V Netzteil

Das 230V Netzteil von Westfalia hat einen Ausgang der anzeigt das der 230V Stecker eingesteckt ist, bei Fahrzeugen ohne diese Funktion kann mit einem kleinen 12V Netzgerät dieses Signal erzeugt werden. Damit kann man sofort erkennen das das Fahrzeug am Netz hängt. Auch in diesem Modus wird zuerst die Wohnbatterie geladen. der 230V Modus wird über das Symbol "#" angezeigt.

230V Modus

Sobald die Wohnbatterie entsprechend geladen ist startet ein 10 Sekunden Timer

Timer

Die Einschaltbedingung muss also 10 Sekunden stabiel bleiben damit das Trennrelais schliesst.

230V Trennrelais

Sobald das Trennrelais geschlossen ist wird der Modus entsprechend angezeigt.

Service Mode

die V2 verzichtet komplett auf DIP Schalter und hat nun auch eine "Enter" Taste. Damit lässt sich die Bedienung des Steuergerätes vereinfachen. Alle Einstellungen können nun über den "Service Mode" gemacht werden. Um in den Service Mode zu kommen muss die Enter Taste für mindestens 2 Sekunden gedrückt werden.

Service Modes:

  • Uhr stellen
  • Temperatursensor einstellen
  • Kalibrier Voltmeter Startbatterie
  • Kalibrier Voltmeter Wohnbatterie
  • Einschaltspannung Trennrelais
  • Backlight Helligkeit Hell
  • Backlight Helligkeit Dunkel
  • Restwärme umschalt auf Heizen
  • Trennrelais bei Heizen aktive
  • B2B Lader
  • Menue verlassen

Uhr stellen

Es werden Stunden und Minuten eingestellt. Die Uhr wird während des Einstellvorgangs angehalten. Sekunden lassen sich nicht einstellen.

Temperatursensor

da die Temperatursensoren, Vorwiderstnad und die Referencespannung des AD Wandlers streuen kann hier über einen Korrekturwert die Temperaturmessung kalibriert werden. Das geht besinders gut wenn der Zuheizer und Motor noch nicht gelaufen sind und die Temperatur an der Messstelle der Umgebungstemperatur im Schatten entspricht.

Voltmeter

in dieser Version des Steuergerätes wurde die Genauigkeit der Voltmeter verbessert. Die Anzeige ist zwar auf Zentel-Volt reduziert aber das nichtlineare Verhalten des A/D Wandlers wurde reduziert. Als Teilwiderstände kommen letzendlich 5.1kOhm / 27 kOhm zum Einsatz die eine genaue Messung bis 15V zu ermöglichen. Der zuerst gewählte 5.6 kOhm Widerstand erwies sich als problematisch.


Nichtlineares Verhalten des A/D Wandlers (13.00V = Kalebrierwert, Rv = 5,6 kOhm // 27 kOhm):

Spannung AD Startbatt. AD Wohnbatt. Angezeigte Spannung
14.00 V 999 1001 13.86 V
13.50 V 972 974 13.49 V
13.00 V 936 899 13.00 V
12.50 V 899 899 12.45 V
12.00 V 860 865 11.98 V
11.50 V 826 829 11.48 V
11.00 V 790 795 10.99 V
10.50 V 751 754 10.44V
10.00 V 717 720 9.97 V

Der A/D Wandler zeigt nahe seines Maximalwerts von 1024 (10Bit) eine zu geringe Spannung. Daher ist es nicht ratsam zugunsten der Auflösung (LSB) den maximalen Messwert zu dicht an den Maximalen Wert des A/Ds zu legen (MSB).

Spannungswandler: 27 kOhm // 5.1 kOhm statt 5.6 kOhm, Uin max = 2.5V (V AD Ref ext.) * 32.1/5.1 = 15.73 V. Damit bekommt man um die 14.2V noch genaue Ergebnisse und verschenkt nicht zuviel Auflösung. Mit dieser Konfiguration wird 15.00 V als 14.90 V angezeigt, 14.50 V wird aber schon korrekt mit 14.50 V angezeigt.

Voltmeter nach der Anpassung (14.00V = Kalebrierwert, Rv = 5,1 kOhm // 27 kOhm):

Spannung AD Startbatt. AD Wohnbatt. Angezeigte Spannung
14.50 V 969 966 14.49 V
14.00 V 930 934 14.00 V
13.50 V 893 895 13.48 V
13.00 V 861 863 12.98 V
12.50 V 830 832 12.49 V
12.00 V 796 789 11.99 V

Die Reduzierung von 5.6 kOhm auf 5.1 kOhm brachte die Verbesserung des Voltmeters und vermeidet den nicht linearen Bereich um den Maximalwert.

Da das Voltmeter nun nur noch mit 3 Stellen angezeigt werden wird entsprechend aufgerundet und führt so zu einer genauen Anzeige z.B. wird aus 12.49 V dann 12.5 V.

Einbau ins Fahrzeug

Signale

  • Spannung Startbatterie (1 x direkt eine Leitung zur Polklemme)
  • Spannung Wohnbatterie (1 x direkt eine Leitung zur Polklemme)
  • Solar In (zweiter Ladeausgang am Solarlader oder EBL Ausgang)
  • 230V In (Westfalia Netzteil Statusausgang)
  • Temperatursensor (2 x Leitungen zum Sensor am Kühlwasserauslass)
  • Ansteuerung Trennrelais
  • Ansteuerung B2B Lader
  • D_IN (Zuheizer Adapter)
  • T_IN (Zuheizer Adapter)
  • D_OUT (Zuheizer Adapter)
  • T_OUT (Zuheizer Adapter)
  • Restwärme Taster
  • Enter Taster
  • KL30
  • KL58b
  • KL31

Nach hinten müssen gelegt werden:

  • Spannung Wohnbatterie (1 x direkt eine Leitung zur Polklemme)0.75 mm²
  • Solar In (zweiter Ladeausgang am Solarlader oder EBL Ausgang)0.75 mm²
  • 230V In (Westfalia Netzteil Statusausgang)0.75 mm²
  • Ansteuerung Trennrelais (oder 10A B2B)1.5 mm²
  • Ansteuerung B2B Lader (25A)1.5 mm²
  • Versorgung Wohnbatterie in die ZE (6 mm²)
  • Remote für Subwoofer 0.75 mm²
  • Rechts Subwoofer
  • Links Subwoofer

Kabel:

  • 4 x 0.75 mm² - 5m
  • 2 x 1.5 mm² - 5m
  • 1 x 6 mm² - 5m
  • 2 x Chinch (RG58) - 10m

Im California CE werden die Kabel über die A-Säule, Verkleidung (mit Lampe) und der Verkleidung am Sicherheitsgurt "hinten" von der ZE zur Wohnbatterie und zum Küchenblock verlegt. Von der Länge her braucht man gut 7,00 Meter.

Kabel

Zum Verlegen in der A-Säule muss die A-Säulenverkleidung ausgebaut werden, die Kabel werden dann unter die Plastikhalter neben den Kabeln zur Wohnbatterie verlegt. Oben an der A-Säule unbedingt dem original Verlegeweg der Westfalia Leitungen folgen.