Cell Voltage Sensor CVS16

 
CVS--JLog[Cell] Voltage Sensor 16S:  CVS ist mehr als ein Zellenspannungssensor, sein funktionelles Konzept als auch sein Hardware Design unterscheiden sich von dem einschlägiger Sensoren dieses Typs.
AnschliessenCVS16
Anschlüsse der R/C Seite: 2x Datenbus, Micro-USB für CVS-Firmwareupdates.
sockets
Neben den Eingangspins zur Spannungsmessung hat CVS nur ein Interface, einen Busanschluss in Form einer 4-poligen Buchse. Diese Buchse gibt es zweimal, beide sind parallel geschaltet. Dadurch können mehrere Geräte desselben Bus-Typs in Form einer “Daisy Chain” hintereinander gesteckt werden, z.B. CVS16 und HV²BEC. Via den Bus liefert CVS16 Mess- und Monitoring-Daten und Alarme, außerdem empfängt er Setup- und Status-Informationen vom Busmaster JLog. Welche Buchse man zum Anschluss welches Gerätes verwendet, ist egal. Auch die Betriebsspannungsversorgung von CVS16 erfolgt über den Busanschluss, und zwar nominal durch JLog. Es handelt sich dabei um die R/C-Rohspannung, 1:1, aber entkoppelt, durchgeschleift von allen Betriebsspannungseingängen von JLog, egal, ob “HV” oder nicht.
Momentan wird das Anschliessen von nur jeweils einem CVS16 je JLog unterstützt.
Außerdem verfügt CVS16 noch über eine USB 2.0 Buchse vom Typ Micro-B. Diese Buchse spielt im Setup und im operativen Betrieb des Gerätes keine Rolle. Sie wird lediglich zum Softwareupdate des CVS benötigt, wobei dabei auch die Stromversorgung des CVS via USB geschieht. Aus Sicherheitsgründen darf kein Proband an die Eingangspins angeschlossen sein, während CVS per USB konnektiert ist!
Diesen Bustyp haben bereits JLog2 und JLog2.5,  -  den Busanschluss hat aber nur JLog2.6,  a) als exklusives JLog-Interface, unabhängig von allen anderen Anwendungen,  b) mit diesem Steckertyp und c) mit dieser Belegung, wobei auch Betriebsspannung aufgelegt ist.  Umgekehrt formuliert: JLog2.6 hat den Bustyp (TWI) im Vergleich zu JLog2.5 und 2 zweimal als Interface.
Offiziell unterstützt ist CVS16 nur an JLog2.6. Im Zuge einer geplanten Firmware-Konsolidierung in Q2/2014, die das “funktionelle Look&Feel” der Firmwares von JLog2.6 in die von JLog2.5 und 2 “zurückspiegeln” soll, werden auch JLog2.5 und 2 dann potentiell CVS16 unterstützen können. JLog2.5, 2 haben keinen Anschluss “Dataport”, müssten “OPT” (JLog.5) bzw. “Sensor/Alarm” (JLog2) dafür nutzen. Das ist gewissermaßen “Databus1“, auch JLog2.6 hat ihn, während allein JLog2.6 einen vollständig unabhängigen weiteren “Databus2” hat:
  • SPEKTRUM und HiTec Telemetrie als Primärnutzer von “OPT” bzw. “Sensor/Alarm” und JLog-eigene Sensoren als Sekundärnutzer konkurrieren mit HV²BEC und CVS16 um den Port bei JLog2.5, 2. Sie schließen sich gegenseitig aus.
  • Der Anwender müsste das notwendige Kabel selbst herstellen. Da “OPT” nur 3 Pins hat, Masse und 2x Signalpin, müsste er auch dafür sorgen, dass CVS16 seine Betriebsspannung via die vierte Leitung des “Databus(2)” bekommt.
  • JLog2 benötigt, wie auch für den Anschluss an SPEKTRUM oder HiTec Telemetrie, zwei externe Pullups, Widerstände von je 1..10kOhm gegen +3,3V, an den beiden Signalpins von “OPT”. Das geschieht auf einem vom Anwender gewählten Wege oder durch Verwenden von JSend.
Obwohl die Firmwares von JLog2.5, 2 CVS16 es dann prinzipiell unterstützen werden, obwohl der geplante konsolidierte Konfigurator JLC7 es auch unterstützen wird als “Expertensystem”, werden wir nicht den (aufwändigen) Support dafür leisten!  –  Wer es doch tun will (“konsolidierte Firmware” auf JLog2.5 bzw. 2 erforderlich, dazu JLC7):  Hier, am Ende der Seite, die benötigten Informationen zum Kabel.
Setup und Alarme
Das Setup geschieht im JLC. JLog übermittelt davon den CVS16 angehende Setup Parameter ständig an ihn via den Datenbus.
JLC.
Sobald im Konfigurator JLC unter “DataBus” (später auch unter “OPT” für JLog2.5, 2) CVS16 selektiert wird, erscheint ein Popup Window zur evtl. Änderung der Parameter von CVS16:
  • Takeoff Min (Cell) Voltage (TMV) Mindestspannung, die jede Zelle angeschlossener Packs haben muss, bevor, nach (Re)Start von CVS16, JLog den ersten Motorstromfluss an CVS meldet. Wird der Wert unterschritten, meldet CVS einen entsprechenden Alarm an JLog. Außerdem brennt dann seine orange LED.
  • Cell Maximum Voltage (CMV) CVS16 unterstützt im sog. “Pack Mode” (s.u.) Cell Packs beliebiger Chemie, nicht nur LiPo. Da die Maximalspannungen der Zellen je nach Chemie unterschiedlich sind, außerdem weitere Technologien erscheinen könnten, stellt man hier den Wert für den verwendeten Typ von Packs ein. CVS16 wird dadurch in die Lage versetzt, selbständig erkennen zu können, ob ein Cell Pack angeschlossen ist, das er monitoren soll, oder ob er im “Normal Mode” als konventioneller 16-facher Spannungssensor verbleibt.
  • Out Of Balance threshold (OOB) Definiert die prozentuale Abweichung der mittleren Spannung einer Zelle, bevor sie im Gesamtverband der Zellen angeschlossener Packs als außer Balance befindlich betrachtet wird. CVS16 meldet einen OOB Alarm an JLog, außerdem lässt er seine rote LED leuchten. CVS16 sendet außerdem an JLog die Nummern der top 4 Zellen, die mit OOB behaftet sind.
  • Out Of the average Inner Resistance Dynamics threshold (OOIRD) CVS monitort das dynamische Spannungsverhalten (unter wechselnder Last) aller Zellen und vergleicht die statistischen Ergebnisse für die einzelnen Zellen ständig miteinander. OOIRD definiert den prozentualen Wert der Abweichung vom Mittel (über alle Packs), ab dem eine Zelle als “weich” betrachtet wird. (Wenn alle Zellen schon “weich” sind, dann sieht er die “superweichen”, falls es sie gibt. Ansonsten könnte es auch sein, dass ein “gesamtweicher” Akku dabei nicht bemerkt wird, weil ja der Stempel “weich” immer im Vergleich zu anderen Zellen erteilt wird. Alternativ müsste man sonst von einem Chemie-abhängigen Soll-Innenwiderstand ausgehen, dabei den Momentanstrom berücksichtigend. Das erschien für das Setup durch den “Normalo User” als zu komplex.)  CVS meldet dann einen OOIRD Alarm an JLog, dazu die Zellennummern der top 4 “Weicheier”. :)
CVS16 liefert u.a. den Wert “LCV” an JLog, – “Lowest Cell Voltage”. JLog triggert selbst einen Alarm auf eine darauf setzbare Alarmschwelle, s.o. mittig im Screenshot. Außerdem, wenn CVS16 sich im “Pack Mode” befindet, meldet er das an JLog. Der spiegelt daraufhin “TPV” (“Total Pack Voltage”) auf “Ubat”, was ja sonst aus einem ESC als Muti-Sensor kommt. Die entsprechende Alarmschwelle auf “Ubat” wirkt somit auf “TPV”.
Hardware
Das Hardware Design von CVS16 ist etwas anders als das herkömmlicher Spannungssensoren für Cell Packs. Es geht weiter in Richtung gefahrloser, einfacherer Anwendung und bildet die Basis für erweiterte Funktionalität, Monitoring und statistische Bewertung der Zellen während der Anwendung.
Basis ist ein schneller 16Bit A/D-Wandler, ein 32Bit Microcontroller angemessener Leistungsklasse (ARM Cortex-M3), zusätzlicher nichtflüchtiger Datenspeicher, Elektronik zur galvanischen Isolation, USB 2.0 Interface und diverse Spannungsstabilisatoren. Das Gerät ist selbstkalibrierend, die Kalibrierungsprozedur wird beim Hersteller nach Fertigung und Tests einmal getriggert, wobei eine hochgenaue Referenzspannungsquelle an CVS16 angeschlossen wird. Das Gerät verfügt über eine 2-stufige, in thermischen Zonen gestaffelte Temperaturkompensation, um verlässliche Messungen zu ermöglichen. Vier LEDs, grün, orange, rot und blau, visualisieren Status- und Alarminformationen.
(Wir hatten uns last minute für Selbstsperrung der Autokalibrierung nach einmaliger Durchführung beim Hersteller entschlossen. Darin lag auch der Anlass für das Firmware Update (Bugfix) noch vor Verfügbarkeit der ersten Charge bei Händlern, “last minute” birgt manchmal Risiken ;) .. Auch ein Löschen der Firmware lässt die Kalibrierungsdaten weiterbestehen. Zum Rekalibrieren bedarf es einer speziellen Firmware, die momentan nur R2 zur Verfügung steht. Kaum ein Anwender wird über die erforderliche Normspannungsquelle verfügen, vor allem gäbe es keinen Grund zum Rekalibrieren.)
Ein wesentliches Merkmal ist die galvanische Isolation. Der HV-Teil mit den Pins zur Spannungsmessung ist vollständig galvanisch isoliert von der restlichen elektrischen R/C-Welt des Modells, also von den Bus-Anschlüssen des CVS. Somit besteht in einem fiktiven Ernstfall nicht die Gefahr, dass hohe Spannungen von den Probanden (Cell Packs oder zu messende Einzelspannungen) auf der elektrischen R/C-Seite erscheinen können, was immensen Schaden bis hin zu Brand verursachen könnte.  Um das zu erreichen, ist einfach alles voneinander galvanisch isoliert, auch Masse und die Betriebsspannungsversorgung des CVS. Dessen Strom fließt hier sozusagen durch die Luft. Praktisch erfolgt das mittels entsprechender Chips durch Energie- und Signalübertragung per hochfrequenter Minifelder. Die Isolation ist bis 4kV durchschlagsfest, – das sollte evtl. noch ein bis zwei Jahre reichen für im Modellbau übliche Antriebsspannungen. :)
Entsprechend separiert das Layout der Platine von CVS16 zwei galvanisch getrennte Zonen. Dabei müssen natürlich auch durchschlagsfeste Abstände eingehalten werden. Auch die Chips der elektronischen Isolation haben adäquat große Pinabstände. Trotzdem werden die Abmessungen des CVS nur von den üblichen 2.54mm Pinabständen der Balancerstecker diktiert. Pins statt spezieller Buchsen werden verwendet, um universell sein zu können im Hinblick auf die verschiedenen Typen Balancerstecker an den Packs. Da Falschanstecken mit CVS16 keinerlei Möglichkeit für Kurzschluss involviert, sind offen liegend verbleibende Pins hier auch kein Problem:
  • Die Eingangspins stehen in keinerlei galvanisch nennenswerten Beziehung zueinander. Sie haben überhaupt keine galvanische Beziehung zu den Busanschlüssen des Gerätes.
  • Auch der Masse-Pin (1) hat nichts mit der elektronischen Masse Bus-seitig zu tun.
  • Pin 10 ist keine Masse, er hängt einfach nur in der Luft. Die Konfiguration mit 2x 9 Pins ermöglicht, auch volle 16S anschliessen zu können, wenn der Akku aus 2x 8S besteht. Der Low End Anschluss eines Balancersteckers benötigt ja an einem herkömmlichen Sensor immer einen Pin zur galvanischen Verbindung, – hier nicht. Er blockiert aber rein mechanisch einen Eingangspin, wenn er nicht auf Pin 10 landet oder es sich um den Low Side Stecker handelt.
  • Die Balancerstecker können in beliebiger Position an CVS16 gesteckt werden. Dabei ist zwar die Orientierung einzuhalten, tut man es aber versehentlich nicht, kommt es zu keinerlei Schaden. CVS16 kann dadurch nicht beschädigt werden. In keiner Konstellation des Ansteckens kann man einen Kurzschluss provozieren.
  • Die Balancerstecker können also mit “Lücken” dazwischen angesteckt werden. CVS16 erkennt selbst, ob Packs angeschlossen sind, geht entsprechend in seinen “Pack Mode” mit den Funktionen für Health Check von Zellen, – doch zuvor identifiziert er die Zellen, sequentialisiert sie so, als hätte man die Stecker in geschlossener Reihe angesteckt. Die Daten der Zellen werden in dieser Abfolge auch an JLog gemeldet, erscheinen so im Log, sowie auch die Zellenummern in der Telemetrie (“LCN”).  –  Mit CVS ist es daher Geschichte, dass man die Balancerstecker galvanisch in dieselbe Reihenschaltung bringen muss, die die Lastanschlüsse der Packs haben. Das schafft nur mechanische NoGo’s beim Anschluss und Verpolungsrisiken.
  • Das heisst dann auch:  Abgebrannte Balancerkabel durch versehentliche Querverbindung adé. Das überlassen wir noch den Chargern. ;)
Um all das zu ermöglichen, wurde auch auf das sonst übliche Verfahren verzichtet, den Sensor aus Pin2 (->2S) des Probanden mit Spannung zu versorgen. Außerdem ermöglicht das, auf ALLEN Pins hochohmig erscheinen zu können, was für das Messen von Einzelspannungen mit CVS16 von Interesse sein könnte.CVS16-Pins
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Software und Funktion
Vieles war bereits oben zu erwähnen unter “Setup und Alarme” bzw. “Hardware”.
Nach dem Start befindet sich CVS16 im “Normal Mode”. Er ist ein Spannungssensor für 16 Eingänge á 0..73,2V (Anwendung mit >60V auf eigene Gefahr!). Gleichzeitig scant er ständig alle Pins in Hinblick darauf, ob evtl. ein Cell Pack angeschlossen wurde, “CMV” ist dabei ein Parameter der Bewertung. Hat er ein oder mehrere Packs erkannt, schaltet er um in den “Pack Mode”. Gleichzeitig sortiert er die einzelnen Zellenspannungen in eine lückenlose Reihenfolge, falls Balancerstecker mit Lücken dazwischen (freien Eingangspins) angesteckt wurden. Außerdem starten die Bewertungsroutinen für Cell Packs.
CVS16 meldet JLog, dass man jetzt im “Pack Mode” ist. Das ist ein Signal für adaptives Verhalten durch JLog, z.B. wird dann “TPV” auf “Ubat” gespiegelt, und in adaptiven Displays von JETI EX bewirkt es ein Umschalten auf “LCV” und “LCN” (Zellennummer mit “LCV”, s.o.). Alle Alarme von CVS16,
  • UC Undercharge Alarm  (nur, bevor der erste Motorstrom floß)
  • OOB Out Of Balance Alarm
  • OOIRD Out Of the average Inner Resistance Alarm (“Weichei-Alarm” :) ),
dazu JLog’s eigener Alarm auf LCV …Lowest Cell Voltage, werden auf den einen Spannungsalarm gespiegelt, den JLog auf Ubat bildet.
In den Telemetriesystemen Futaba, teilweise SPEKTRUM, HiTec, JR und FrSky ist es nicht vorgesehen, dass ein Sensor (JLog) Alarme senden kann. Die JR-Telemetrie war bisher die einzige, in der JLog nicht trotzdem trickhaft Alarme sendete. Das musste sich durch den Einsatz des CVS16 ändern:  Ist ein CVS16 an JLog angeschlossen und konfiguriert, und befindet sich der CVS16 im “Pack Mode”, dann meldet JLog einen Alarm auf TPV (Total Pack Voltage), LCV und alle andere CVS-Alarmzustände, indem er einen Spannungsalarm im JR-Sender auslöst. Dazu lässt er “F-AKKU” auf genau 9,9V fallen.
Sobald man die Packs wieder abzieht, schaltet CVS16 zurück in den “Normal Mode” als “dummer” 16-facher Einzelspannungssensor. Das geschieht jedoch nicht, wenn CVS “verriegelt” hat: JLog meldet dem CVS, wenn nennenswerter Motorstrom fließt. CVS16 verriegelt dann den evtl. bestehenden “Pack Mode”. Auch wenn die Balancerstecker wieder entfernt werden oder die Zellen eines Packs auf Null einbrechen, – CVS16 verbleibt im “Pack Mode”, bis JLog keinen Motorstrom mehr meldet. Da CVS16 im verriegelten Zustand nicht mehr alle Pins nach möglichem Statuswechsel bzgl. angeschlossener Packs scannen muss, reduziert er das Abfragen der Eingangspins auf diejenigen, die er zuvor als beteiligt am Pack Monitoring ermittelte. (Das heisst aber auch: Kein Mix Mode!) Dadurch steigert sich die innere Updaterate von CVS16 nochmals, wenn weniger als 16S angeschlossen sind. Man sieht das (wenn man es gerade sehen kann :) ) am schnelleren Blinken der grünen LED. Diese blinkt 1x für 7 komplette “Durchgänge” im CVS.
Im “Full Pack Mode”, bei erkannten 16S, kann CVS 33 komplette Datensätze á ca. 100 Bytes pro Sekunde liefern, bei weniger S entsprechend mehr. JLog ist der Busmaster, fragt als solcher nur alle 100ms einen Datensatz ab. Das ist völlig ausreichend, zumal alles vorbewertet ist durch CVS, – es schont auch das Log.
Je nach Mode sendet CVS16 entweder 16 einzelne Spannungen in einem Binärformat für 10mV Auflösung, oder im “Pack Mode” 16 Zellenspannungen (nicht existierende Zellen auf Null) mit 5mV Auflösung. Die innere Auslösung beim Messen durch CVS beträgt 2,2mV, da der A/D-Wandler effektiv mit 15 Bits Auflösung betrieben wird (da Null bis nnnVolt und nicht -nnnVolt bis +nnnVolt). Im Log von JLog erscheinen entsprechend alternativ 16 Einzelspannungen oder 16 Zellenspannungen.
CVS16 hat zur Durchführung der Temperaturkompensation auch einen Temperatursensor. Den Temperaturwert liefert er auch an JLog, der tut es in’s Log. Eine Alarmschwelle kann man bisher darauf nicht setzen. Es wäre möglich, CVS einfach auf ein Pack “zu schnallen”, irgendwo muss er eh bleiben im Modell. Eigenerwärmung von CVS ist zwar vorhanden (bei 23°C Umgebungstemp. erhöht sich der Messwert innerhalb von 5Min nach Powerup auf 32°C und bleibt dann statisch), ist aber grob zu vernachlässigen, wenn die Packs entsprechend warm werden bzw. die Umgebungstemperatur höher ist als Zimmertemperatur.
CVS16 liefert die folgenden Daten, teilweise sind sie nur im “Pack Mode” relevant, – Bedeutungen der Abkürzungen s.o.:
  • LCN
  • LCV
  • TPV
  • MPV (Max Pin Voltage)
  • UC Alarm
  • OOB Alarm
  • OOB Cell #1..4
  • OOIRD Alarm
  • OOIRD Cell #1..4
  • Temperatur (CVS16 onboard) ………………. Diese Werte loggt JLog in OpenFormat Kanal 2 …………………………………………………….. (Kanal 1 ist der übliche JLog Standard)
  • Pin / Cell Voltage #1..16 ……………………… Kanal 3
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USB
Wie gesagt, die Buchse dient nur einem Zweck, dem gelegentlichen Aufspielen eines Firmware Updates auf CVS16. Wie das geht, steht hier.
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LogViewing
Sie benötigen einen anderen Device Definition File für LogView als der für einen Standard JLog. Die entsprechenden .lov Dateien finden sich im Download, z.B. JLog26CVS.lov oder JLog26CC-CVS.lov, wenn der ESC ein Castle ICE/Edge ist, – beide für km/h, Celsius, – und diese für mph, Fahrenheit:  JLog26CVS-Fahrenheit-mph.lov JLog26CC-CVS-Fahrenheit.lov. (Wer trotzdem einen JLog2.5 oder 2 an CVS betreibt, verwendet eine “konsolidierte Firmware”, und kann daher auch obige .lov benutzen.)
Das Logformat hat 3 Kanäle statt sonst einem, Kanal 2 und 3 sind für CVS.
Log1Log2Log3
Bert-CellVoltages

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Stromversorgung
Die meisten Cell Voltage Sensoren haben eine vom Probanden unabhängige Betriebsspannungsversorgung. Lediglich einfache LiPo Checker versorgen sich aus der Reihenschaltung der ersten beiden Zellen des Probanden. CVS ist nicht nur einfach ein “Sensor”, enthält daher mehr Elektronik, u.a. einen 32Bit Microcontroller und Komponenten zur drahtlosen Energieversorgung (vollständige galvanische Entkopplung). Sein Strombedarf ist entsprechend höher, im Mittel ca. 80mA.
Die Stromversorgung erfolgt via das Datenkabel aus der Databus Buchse von JLog. Hier liegt die durchgeschleifte Spannung an, mit der JLog selbst via einen der 3 dafür vorgesehenen Eingänge versorgt wird.
In Summe beträgt der mittlere Strombedarf JLog+CVS ca. 100mA. Er ist aber etwas betriebszustandsabhängig. Beim Startup beträgt er kurzzeitig 130..140mA, in schmalen Peaks durchaus auch größer als 160mA. Dabei spielt auch eine Rolle, welche der 4+4 LEDs an beiden Geräten leuchten und mit welchem Duty Cycle. Eine weitere Variable ist die SD Karte. Deren Strombedarf ist etwas exemplarabhängig und durchaus nicht gering, – schließlich ist hier getaktete Elektronik enthalten.  –  Die SD ist übrigens auch die unterspannungsempfindlichste Komponente im System. Leider ist nicht vermeidbar, dass die SD durch Unterspannung aussteigt, bevor die Prozessoren in den “abgesicherten Modus” (Brownout) gehen.
Wenn JLog+CVS ihre Betriebsspannung ausschließlich über die Datenverbindung zu einem Kontronik ESC erhalten, könnte das u.U. zu grenzwertigen Bedingungen führen. Für die internen Spannungsquellen im jeweiligen ESC selbst ist der genannte Strombedarf Peanuts. Allerdings verwendet Kontronik grundsätzlich einen Kurzschlußschutz. Dieser besteht aus je einem PTC Widerstand, zu gut Deutsch “Kaltleiter”, jeweils hinter dem Plus- und Minus-Anschluß. Hier fällt also Spannung ab, je höher der entnommene Strom, desto mehr. Außerdem werden diese PTCs vermutlich vom Schaltertyp sein:PTC
PowerSupply1
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Es könnte somit passieren, dass ein CVS via (plus) JLog, der nur aus dem Diag(Jumper) Port eines non-Pro JIVE oder dem Option Port eines KOSMIK oder JIVE Pro versorgt wird, betriebsbedingt in Unterspannungssituationen gerät, was vor allem die SD, genauer, das Dateisystem auf ihr, übel nehmen könnte.
Daher ist vom Grundsatz her anzuraten, JLog, und damit CVS, parallel via einen der jeweils 2 verbleibenden Alternativeingänge mit Betriebsspannung zu versorgen, – siehe unten und auch hier.
PowerSupply2

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