Lüftersteuerung mit OBD1-Diagnose Opel Manta B / Motronic 1.5.1

Eine kombinierte temperaturabhängige Lüftersteuerung und Bosch-Motronic-Blinkcode-Diagnose, gebaut um einen Arduino Pro Mini, eine 3-stellige 7-Segment-Anzeige und einen Drehgeber. Eingebaut in eine 3D-gedruckte Blende im Manta-B-Stil.

Schaltplan auf einen Blick

Bedienung

Quelle: Anleitung/Lüftersteuerung Endnutzeranleitung.odt

Hardware

Pinbelegung Arduino Pro Mini

Schaltplan

Bauteilliste

Hinweis zur Anzeige: Das Datenblatt nennt „gemeinsame Anode", die Firmware behandelt die Anzeige aber als Common-Cathode (HIGH = AN). Bitte real verifizieren — das ist die häufigste Fehlerquelle bei diesem Projekt.

3D-Modell & Gehäuse

Im Ordner 3D Druck/ liegen STL-Dateien für die Manta-B-Temperaturanzeige-Blende, Drehknopf, Klammer und Gehäusedeckel/-boden. Final-Versionen:

• Manta B Temperaturanzeige Blende V3.stl – Frontblende
• Manta B Temperaturanzeige Drehknopf Opel.stl – Drehknopf
• Manta B Temperaturanzeige Gehäuse Deckel V2.stl + Boden V2.stl – Gehäuse
• Manta B Temperaturanzeige Klammer mit Platine.stl – Halterung

Platine & Schaltplan

Direktansicht der KiCad-Dateien (Schaltplan + Original-PCB + Lochraster-Edition) und ein interaktiver Bestückungsplan für die Lochraster-Edition.

cd "Doku"
python3 -m http.server 8000
# dann im Browser öffnen:
http://localhost:8000/index.html#platine

Fehlercodes

Die Fehlercode-Tabelle ist jetzt im Emulatoren → Fehlercodes-Tab.

Firmware-Architektur

Modus-State-Machine

Reihenfolge der Anzeige­priorität (höchste zuerst): History → Diagnose → Setting (Schwelle/Helligkeit) → Normalbetrieb.

EEPROM-Layout (optimierte Firmware v2)

PID-Lüfterregelung (v2)

Statt der ursprünglichen Bang-Bang-Steuerung („Temperatur > Schwelle ⇒ Relais EIN, sonst AUS plus 5 s Nachlauf") regelt v2 die Lüfterleistung als kontinuierliche Stellgröße 0–100 % mit einem PID-Regler und gibt sie über Slow-PWM (Default 30 s Periode) auf das Relais aus.

error = T - Sollwert         (>0 ⇒ zu heiß)
P     = Kp · error
I     += Ki · error · dt     (Conditional-Integration
                              gegen Wind-up,
                              eingefroren in Deadband)
D     = Kd · dT/dt           (Derivative on
                              Measurement, kein
                              Setpoint-Kick)
output = clip(P + I + D, 0, 100) %

elapsed = (now - cycleStart) % CFG_PID_PWM_MS
on_ms   = output% · CFG_PID_PWM_MS / 100
relay   = (elapsed < on_ms)

Default-Tuning: Kp = 5 %/°C · Ki = 0.5 %/(°C·s) · Kd = 2 %·s/°C · Slow-PWM = 30 s · Deadband = 0.5 °C.

⚠ Hardware-Konsequenz: Das verbaute SRD-05VDC-SL-C ist ein mechanisches Relais mit ca. 100 000 Schaltzyklen. Slow-PWM mit 30 s Periode ergibt im ungünstigsten Fall 120 Zyklen/Stunde → ~830 h Nutzungsdauer. Für Dauerbetrieb sollte das Relais durch einen Logik-Pegel-N-MOSFET (z. B. IRLZ44N) oder ein SSR ersetzt werden. Die Pinbelegung bleibt identisch.

Notfall-Rückfallebene: Mit #define CFG_USE_PID 0 in der Firmware wird wieder die klassische Bang-Bang-Logik aktiv – falls man auf der Strecke vorerst auf Nummer sicher gehen will.

Diagnose-Decoder (Auto-Kalibrierung)

Das Bosch-Motronic-Steuergerät sendet Codes als zweistellige Blink-Sequenzen, getrennt durch lange Pausen. Beispiel Code 12: 1 Blitz → kurze Pause → 2 Blitze → lange Pause → nächster Code.

Beim Diagnose-Start sendet das Steuergerät 3 × Code 12 als Startcode. Die Firmware misst dabei automatisch die Pausenzeiten und leitet daraus die Schwelle „kurze vs. lange Pause" ab. So funktioniert die Erkennung auch dann zuverlässig, wenn ein Steuergerät mit leicht abweichendem Timing arbeitet.

Quellcode-Übersicht

Optimierungsplan

Klicke eine Karte an, um sie als nächste Verbesserung vorzumerken. Auswahl wird lokal gespeichert.

Software vollständig umgesetzt

Hardware

UX

Vollständigen Plan öffnen →

3D-Modell – Interaktiver STL-Viewer

Alle druckbaren Teile und das PCB-Modell in einer interaktiven 3D-Vorschau. Bedienung: Mausziehen = drehen · Mausrad = zoomen · Rechtsklick + Ziehen = verschieben · Doppelklick = Kamera zentrieren.

PCB-Modell (KiCad STEP)

Anmerkungen & Verbesserungen

Diese Seite sammelt Korrekturen zu meinen früheren Aussagen, technische Hintergründe und konkrete Verbesserungsvorschläge mit High-Level-Umsetzung. Schwerpunkt aktuell: Lüfteransteuerung nach dem Umbau auf PID.

0. Schaltsparender PID-Regler (D-dominant + Hysterese)

Statt eines Slow-PWM-Aktuators auf dem Relais regelt v2 jetzt mit einem Hysterese-Aktuator, der zusätzlich auf Mindest-Verweilzeiten in jedem Zustand achtet. Der Trick liegt im PID-Tuning: Kd ist hoch, Kp und Ki sind klein.

Warum D-dominant?

Bei der Motorkühlung haben wir's mit einem thermisch sehr trägen System zu tun:

• Eine reine P-Regelung reagiert nur, wenn der Sollwert schon überschritten ist. Bis dann der Lüfter-Effekt greift, ist die Temperatur weiter gestiegen → Überschwingen.
• Der I-Anteil mittelt zwar Drift heraus, treibt aber bei Sollwert-Sprüngen ins Wind-up. Bei einem Bang-Bang-/Hysterese-Aktuator ist der I-Anteil eher schädlich (Sättigung).
• Der D-Anteil reagiert auf dT/dt – also wie schnell sich die Temperatur ändert. Wenn der Motor heizt und die Temperatur steigt, schiebt der D-Anteil den Output schon hoch, bevor das Setpoint erreicht ist. Sobald der Lüfter greift und die Temperatur fällt, kippt D ins Negative und drückt den Output unter die AUS-Schwelle – Lüfter aus, lange bevor die Temperatur wieder unter Sollwert ist.

Resultat: lange An-Phasen, lange Aus-Phasen, sehr wenige Schaltvorgänge.

Default-Tuning (Firmware v2)

Hysterese-Logik (Pseudocode)

output = PID(error, dt)  // mit Kp=2, Ki=0.05, Kd=15, EMA-D-Filter

if (relais ist EIN) {
  // nur ausschalten, wenn Mindestzeit-EIN abgelaufen UND Output unter AUS-Schwelle
  if (now - lastSwitch >= MIN_ON_MS  &&  output < OFF_THRESH) {
    relais = AUS;  lastSwitch = now;
  }
} else {
  // nur einschalten, wenn Mindestzeit-AUS abgelaufen UND Output über EIN-Schwelle
  if (now - lastSwitch >= MIN_OFF_MS  &&  output > ON_THRESH) {
    relais = EIN;  lastSwitch = now;
  }
}

Im Emulator selbst durchspielen

Im UI-Tab unter „PID-Regler-Parameter" auf D-dominant ★ klicken und im Live-Dashboard auf den Schaltzyklen-Counter und die / h-Rate schauen. Vergleichend auf Klassisch (Kp-dominant) stellen → der Counter klettert dramatisch schneller. Auf Sehr schaltsparend für noch weniger Schaltungen (mit etwas mehr Temperatur-Hub).

1. Korrektur: Lebensdauer-Aussage zum Relais

1. Korrektur: Lebensdauer-Aussage zum Relais

2. KFZ-Relais im Detail – Schaltzeiten und Lebensdauer

Mechanische Schaltzeiten

Mechanisch verkraften alle ein paar 10 Hz problemlos. Die elektrische Lebensdauer unter Last (Lichtbogen, Inrush) ist die echte Begrenzung.

Lebensdauer unter Lüfter-Last

Ein typischer KFZ-Kühlerventilator zieht:

• Dauerstrom 10–20 A (Manta B: vermutlich ~12–15 A)
• Anlaufstrom 3–6 × Dauer für 50–200 ms (sog. „Inrush")
• Abschaltspike wird von der Freilaufdiode über die Spule, NICHT über den Kontakt eingefangen — aber das Bordnetz sieht den Spike

* Annahme: 200 h Fahrt/Jahr, 10 % davon mit aktivem Lüfter. Real meist weniger; an heißen Tagen / Anhängerbetrieb kann's mehr sein.

Antwort auf deine Frage: 30 s PWM ist für ein echtes KFZ-Relais (Mini-ISO) absolut realistisch und harmlos. Selbst bei Worst-Case-Nutzung übertrifft die Lebensdauer den Rest des Fahrzeugs. Beim aktuell verbauten SRD-Hobby-Relais ist es grenzwertig — das ist eher ein Fall, wo das Relais sowieso nicht in ein 12 V/15 A KFZ-Bordnetz gehört.

3. Wo's trotzdem haken kann (auch beim KFZ-Relais)

1. Hörbares Klicken — alle 30 s ein Schaltgeräusch. Im Motorraum egal, im Innenraum nervig.
2. Lüfter-Bürstenverschleiß — viele Anläufe = mehr Bürstenverschleiß als kontinuierlicher Lauf.
3. Bordnetz-Spikes — alle 30 s ein 30–80 A-Inrush-Spike auf 12 V. Lichtmaschine + Batterie puffern, aber Radio kann „klacken" hören.
4. Kein Soft-Start — der Lüfter springt von 0 auf volle Drehzahl. Mit MOSFET kann man rampen.
5. Keine Drehzahlregelung — Slow-PWM-Duty mittelt sich thermisch raus, der Motor läuft aber binär. Ein „45 % leise" gibt's nicht.

4. Die fünf Lösungswege im Vergleich

5. Empfehlungen je nach Strategie

Hinweis: aktuelle Projekt­entscheidung ist Variante B + D-dominante Hysterese (Punkt 0 oben). Die anderen Optionen bleiben hier als Referenz erhalten, falls die Strategie später wechselt.

6. High-Level-Umsetzung — Aktuator-Abstraktion

Damit die Firmware nicht jedes Mal umgeschrieben werden muss, wenn die Hardware sich ändert, abstrahiere ich den „Aktuator" (Lüfter-Endstufe). Der PID-Regler liefert weiter eine Stellgröße 0–100 %. Welcher Aktuator-Code daraus „Relais an/aus" macht, ist auswählbar.

// firmware/ProMini_Optimized.ino – konzeptionell:

#define CFG_FAN_ACTUATOR  ACTUATOR_SLOW_PWM_RELAY   // A oder B
//      ACTUATOR_TWO_STAGE_RELAY                    // C
//      ACTUATOR_FAST_PWM_MOSFET                    // D
//      ACTUATOR_HYBRID_RELAY_MOSFET                // E

class FanActuator {
public:
  virtual void apply(float dutyPct) = 0;      // 0..100
  virtual void off() = 0;
};

// A/B: Slow-PWM auf Relais (Default, schon implementiert)
class SlowPwmActuator : public FanActuator {
  uint8_t pin; unsigned long cycleStart, cycleMs;
  void apply(float duty) override {
    unsigned long now = millis(), el = (now - cycleStart) % cycleMs;
    digitalWrite(pin, (el < duty/100.0f * cycleMs) ? HIGH : LOW);
  }
};

// C: Zwei-Stufen-Relais ohne PWM
class TwoStageActuator : public FanActuator {
  uint8_t pinLow, pinHigh;
  void apply(float duty) override {
    if      (duty < 30) { off(); }
    else if (duty < 70) { digitalWrite(pinLow, HIGH); digitalWrite(pinHigh, LOW); }
    else                { digitalWrite(pinLow, LOW);  digitalWrite(pinHigh, HIGH); }
  }
};

// D: Echtes PWM auf MOSFET (Timer1, 25 kHz)
class FastPwmActuator : public FanActuator {
  uint8_t pin;
  void setup() {
    // Timer1 in 8-Bit Fast-PWM bei 25 kHz konfigurieren
    TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(WGM10);
    TCCR1B = _BV(WGM12) | _BV(CS10);          // 16 MHz / 1 / 256 ≈ 62 kHz
  }
  void apply(float duty) override {
    OCR1A = (uint8_t)(duty * 2.55f);          // 0..255
  }
};

// Verwendung im PID-Loop:
fanActuator->apply(manualOverride ? 100.0f : pidOutputPct);

Die konkrete Klasse wird per #if-Schalter zur Compilezeit ausgewählt. Das Interface ist gleich, der Rest der Firmware (PID, Override, Auto-Ende) bleibt unverändert.

7. Schaltplan-Skizzen

Variante D – Logik-MOSFET (empfohlen)

             +12 V (Bordnetz, abgesichert)
                 │
                ┌┴┐
                │L│ Lüfter (12 V, 10–15 A)
                └┬┘
                 │     ┌───── TVS 18 V (z. B. SMBJ18A)
                 ├─────┤  oder Schottky-Freilaufdiode 1N5408
                 │     └───── parallel zur Lüfterwicklung
                 │
              D ─┴─
                 │
   ATmega A0 ───[100 Ω]─── G ──┤ IRLZ44N (TO-220, Kühlkörper)
                                │
              S ─┬─
                 │
                 └─── GND (12 V- und µC-GND verbunden)

   10 kΩ Gate-Pulldown von G nach S (verhindert Floating bei
   Reset / Power-Up – wichtig, sonst zappelt der MOSFET).

Variante C – Zwei-Stufen-Relais

+12 V ──┬─── K1 (Low) ──[ 0,3 Ω / 100 W ]──┐
        │                                       │
        └─── K2 (High) ────────────────────────┤
                                                ├─── Lüfter ─── GND
                                                │
                                          1N5408 parallel zur
                                          Lüfterwicklung

   ATmega A0 → Treiber → K2 (High)
   ATmega Aux → Treiber → K1 (Low)
   PID-Output 0..30 %  → beide AUS
   PID-Output 30..70 % → K1 AN, K2 AUS  (langsame Drehzahl)
   PID-Output 70..100% → K1 AUS, K2 AN  (volle Drehzahl)

Die Reihenschaltung über K1 + Vorwiderstand ist die klassische Werks-Lösung in den meisten KFZ. Im Manta B sollte vermutlich sogar bereits ein zweiter Schaltpunkt im Originalkabelbaum existieren.

8. Migrations-Roadmap

9. Was ich davon jetzt sofort tun kann

• Sag „Aktuator-Abstraktion bauen" → ich lege die Klassen wie oben in der Firmware an, baue alle drei Strategien (Slow-PWM, Two-Stage, Fast-PWM) ein und mache sie über CFG_FAN_ACTUATOR wählbar.
• Sag „Schaltplan-Erweiterung in KiCad" → ich kann zwar KiCad nicht direkt aufrufen (nicht installiert), aber ich kann eine ergänzende SVG-Skizze als zweite Schaltplan-Datei erstellen.
• Sag „BOM für Variante D" → ich erstelle eine fertige Bestellliste mit Reichelt-/Mouser-Bestellnummern.

Downloads & Dateien

• Optimierte Firmware (v2): ProMini_Optimized.ino
• Original-Firmware (Final): ProMini_Final.ino
• Optimierungsplan (Markdown)
• Endnutzer-Anleitung (ODT)
• KiCad-Schaltplan
• KiCad-PCB
• 3D-Modell der Platine (STEP)
• Fehlercode-Quelldatei
• Bauteile-Datenblätter
• 3D-Druck STL-Dateien