Versuche mit einem Elektrofahrrad
Milchmädchenrechnung
Die Preise an den Zapfsäulen der Tankstellen im Sommer 2008 brachten mich dazu, eine Vergleichsrechnung zu machen:
PKW:
Meinen PKW benutze ich zu 95 % für kurze Fahrten im Stadverkehr.
Der mittlere Verbrauch beträgt hier 8,5 Liter Super je 100 Kilometer.
Bei einem Preis von 1,50 Euro je Liter kostet mich jeder mit dem PKW gefahrene Kilometer 13 Cent an reinen Benzinkosten.
27 Cent ist der gegenwärtige Preis für eine Kilowattstunde Elektro-Energie.
Elektrofahrrad:
Ein Akku für ein Elektrofahrrad hat gewöhnlich eine Kapazität von 10 Ah bei einer Spannung von 24 V.
Das sind 240 Wh für eine Akkuladung. Mit 13 Cent kann ein solcher Akku 2 mal geladen werden.
Der deutsche Gesetzgeber schreibt eine maximale Motorleistung von 250 W und eine maximale Geschwindigkeit
von 25 km/h für Elektrofahrräder vor. Ein Akku mit 240 Wh ist bei Betrieb mit einem 250 W Motor in nicht ganz einer
Stunde leer. In dieser Zeit dürfen 25 km nur mit Motorkraft zurückgelegt werden.
Auswertung:
Für 13 Cent fahre ich mit dem PKW einen einzigen Kilometer, mit dem Elektrofahrrad jedoch 50 Kilometer!
Ja, ich weiß, die Rechnung ist nicht vollständig: Steuern, Versicherungen, Reparaturen, Abschreibungen, Parkgebühren
sind hier nicht berücksichtigt.
Gedanken im Voraus
Es mußte ein Klappfahrrad sein um im Winter im Keller nicht zu viel Platz zu beanspruchen und auch zur Mitnahme im
Kofferraum des PKW geeignet zu sein. Eine einfache Gangschaltung war wegen hügeligem Gelände gewünscht.
Für die angedachten Versuche mit verschiedenen Motoren benötigte ich ein Fahrrad mit mindestens 130 mm Abstand
zwischen den hinteren Ausfallenden.
Das ist beabsichtigt:
- Sammeln erster Erfahrungen mit Antrieb durch 24 V DC-Motor mit Kohlebürsten und Planetengetriebe an einem
24 V NiMH-Akku (Originalzustand des Pedelec)
- wahlweise Betrieb an einem zusätzlichen PWM-Controller mit Drehgriff (E-Bike)
- Austausch des 24 V / 10 Ah NiMH-Akkus durch einen 36 V / 12 Ah
LiFePO4-Akku oder
LiFeYPO4
- Modifikation des PWM-Controllers für 36 V-Betrieb
- Umbau auf bürstenlosen Motor mit Hallsensoren (36 V, 250 W)
Ningbo Polaris Technology China)
- Entwicklung eines Mehrphasen-Generators zur Ansteuerung
eines AC-Induktions-Motors mit mindestens 3 Phasen
- Entwicklung eines Felgenmotors als asynchroner Induktionsmotor (weg von Neodym-Magneten und Nabenmotor)
- Nachladen des Akkus durch ausklappbare Solarzellen während der Standzeiten im Freien
- Optimierung der Energieausbeute der Solarzellen durch einen MPP-Controller zur elektrischen Leistungsanpassung
- automatische mechanische Ausrichtung der Solarpanele zur Sonne, Solarnachführung
- Bau eines Armaturenbrettes für den Bordcomputer und die Anzeige von Akkuspannung, Motorstrom, Solar-Ladestrom
Es geht los
Meine Wahl fiel auf ein klappbares 20" Pedelec (Bild oben).
Erste Maßnahmen (Bild rechts):
- untaugliche Kunststoffschutzbleche durch Metallschutzbleche ersetzt
- Alu-Gepäckträger hoch angebaut, darunter kommt später der LiFePO4-Akku
- Scheinwerfer und Rücklicht installiert
- Fahrradcomputer provisorisch am Lenker befestigt
Schon nach wenigen gefahrenen Kilometern stellte sich ein Nachteil in der Mechanik des Rades heraus: Das Übersetzungsverhältnis vom Kettenblatt zum hinteren Ritzel ist für meinen Geschmack mit 44 zu 14 Zähnen bei einem 20"-Rad ungünstig gewählt. Der Shimano-Schraubkranz MF-TZ06 erlaubt laut Aussage der Fahrradwerkstatt meines Vertrauens kein Ritzel mit 11 Zähnen. Auch der Wechsel vom 44er Kettenblatt zu einem größeren ist wegen eigenwilliger Schweiß- und Nietkonstruktion nicht möglich. So kommt es, daß man mit 100 /min. kurbeln muß, um eine Geschwindigkeit von 30 km/h ohne Motorunterstützung zu erreichen. Wie sich schließlich herausstellte wäre eine feste Übersetzung von 44:14 für meine Bedürfnisse ausreichend und eine Gangschaltung überflüssig, da der Motor bei Fahrten bergauf gut unterstützt.
Verdrahtungsplan e-bike
Die vorgefundene Verdrahtung entsprach nicht westeuropäischen Gepflogenheiten - im Verlauf des Motorkabels wurden vom Hersteller mittendrin die Farben Rot und Schwarz getauscht und die stümperhaften Lötstellen wurden mit zu kurzen Stücken Schrumpfschlauch voneinander getrennt. Zur Kaschierung wurden danach die gekreuzten Motorleitungen in ein Stück Isolierschlauch eingezogen. Die dicke rote und schwarze Leitung sind bereits im Motor falsch angeschlossen und führen bei richtigem Anschluß an den Akku (rot an Plus und schwarz an Minus) zu falscher Drehrichtung des Hinterrades. Das läßt sich leider nicht ohne eine vollständige Zerlegung des Motors korrigieren - deshalb mußte schließlich eine sichtbare Kreuzung beider Motorleitungen im Bereich der Steckverbinder zugelassen werden.
Einige der schlecht gecrimpten Flachstecker waren mühelos mit der Hand von den Leitungen zu ziehen. Hier hatte der Hersteller wohl nicht die passenden Einsätze für die Crimpzange zur Hand.
Im Verlauf einer Leitung wurde ab Werk ein 5 cm langes Sück einer "steckbaren Verlängerung" eingebaut, weil die Leitung sonst zu kurz war. Da wurde unbekümmert von Rundsteckverbinder auf Flachsteckverbinder und wieder zurück auf Rundsteckverbinder gewechselt.
Das e-bike wurde deshalb von mir komplett neu verdrahtet und gleichzeitig folgende Veränderungen vorgenommen:
- 24 V Beleuchtung hinzugefügt
- PWM-Controller für e-bike hinzugefügt
- Anschluß für 36 V LiFePO4 Akkumulator vorbereitet
- Anschluß für Solarpanele zum Nachladen des LiFePO4-Akkumulators vorbereitet
- Motorabschaltung bei Betätigung der Bremshebel realisiert
- Drehgriff für Geschwindigkeitseinstellung montiert
- Display mit umschaltbarer LED-Balkenanzeige für Akkuspannung, Motorstrom und Solar(lade)strom entwickelt
24V/36V-Beleuchtung
Die Versorgung einer 6 V / 2,4 W Glühlampe aus der 24 V Akkuspannung würde einen Vorwiderstand von 45 R bei einer Leistung
von 7,2 W erfordern. Das ist nicht sinnvoll. Eine preisgünstige Glühlampe 24 V / 2,4 W mit Sockel E10 oder eine LED-Leuchte
für 24 V konnte ich nicht finden. So wurde die herkömmliche Glühlampe 6 V / 2,4 W für den Scheinwerfer beibehalten und die
benötigten 6 V mit einem kleinen DC/DC-Wandler aus den 24 V des Akkus erzeugt, was gleichzeitig die Funktion des
Standlichts "Frei Haus" liefert. Der DC/DC-Wandler ist im Scheinwerfer eingebaut. Die Schaltung mit dem MC34063 ist
auch für 36 V Betriebsspannung verwendbar.
Für das Rücklicht benutze ich zwei rote Super-Flux-LED von Kingbright. Sie werden über den Vorwiderstand R4
400 R / 2 W an 24 V betrieben. Hier beträgt die Verlustleistung nur 1 W und es stellt sich ein Strom von 50 mA ein.
Bei 36 V sollte dieser Vorwiderstand auf 620 R / 2 W geändert werden.
PWM-Controller für Bürstenmotor 24 V / 250 W
Der originale Pedelec-Controller ist im Tretlagergehäuse eingegossen und für Messungen oder Reparaturen nicht mehr erreichbar.
Das macht aus dem gesamten Elektrofahrrad für den technischen Laien leider einen "Wegwerf-Artikel". Im unteren Bereich
des Bildes sind der Quarz im Gehäuse HC-49 und der mitsamt seiner DIL-Fassung vergossene Mikrocontroller zu erkennen.
Rechts oben sieht man die Drahtbrücke (den Shunt) zur Messung des Motorstroms. Oben in der Mitte schimmert grün die 1 mm
dicke Leiterplatte für die Gabellichtschranken (nicht bestückt) durch.
Der Pedelec-Controller besitzt eine optische Steuerung mittels zweier Gabellichtschranken
und versetzt angebrachter Schlitzscheiben (inkrementaler Drehgeber).
Dem unzugänglichen Original Pedelec-Controller wurde ein service-freundlicherer PWM-Controller hinzugefügt.
Gleichzeitig kann nun aus dem Pedelec ein E-Bike mit Drehgriff zur Geschwindigkeitseinstellung gemacht werden.
Ein zweipoliger Umschalter in den Motorzuleitungen erlaubt die Auswahl der Betriebsart als Pedelec (gesetzeskonform)
oder als E-Bike (nicht konform). Im öffentlichen Straßenverkehr fährt man natürlich nur als Pedelec.
Das Schaltbild des E-Bike PWM-Controllers für den Bürstenmotor basiert auf einem 4-fach Komparator
LM339.
IC1b verknüpft den in IC1a erzeugten Sägezahn mit der variablen Gleichspannung vom Drehgriff und erzeugt so das PWM-Signal. Gleichzeitig werden hier die Signale von Bremse, Motorstrom- und Akkuspannungsüberwachung sinnvoll miteinander zur Ansteuerung eines N-Kanal Leistungs-MOSFET verknüpft.
IC1c überwacht die am Shuntwiderstand R19 entstehende Spannung und schaltet bei Überschreiten von 60 mV an R19 seinen Ausgangstransistor durch.
IC1d dient dem Schutz des Akkus und schaltet bei Akkuspannungen kleiner als 18,3 V den Antrieb ab.
Die Ruhestromaufnahme des Controllers beträgt 20 mA bei 24 V.
Als Kühlkörper für T3 und D4 ist in allen Laststellungen das Aluminium-Profil-Gehäuse ausreichend.
Umbau des PWM-Controllers für 36V
R21 wird von 510 R / 2 W auf 1 k / 2 W geändert.
Die Parallelschaltung von R9 und R10 wird auf etwa 31,5 k erhöht. Der genaue Wert hängt von der zulässigen Entladeschlußspannung des Akkus ab (siehe Datenblatt des Herstellers).
Umbau des PWM-Controllers für höhere Ströme
Drain und Source von Transistor T3 werden einem zusätzlichen Transistor gleichen Typs parallel geschaltet.
Das Gate dieses Transistors wird über einen weiteren Widerstand 33 R an die Kollektoren von T1 und T2 geführt.
Die Treibertransistoren T1 und T2 haben einen maximalen Kollektorstrom von 700 mA und liefern den erhöhten Gatestrom
ohne Probleme. Die im Schaltplan dick eingezeichneten Leitungen sind auf der Leiterplatte im Querschnitt zu verstärken.
R19 ist bei Bedarf durch Parallelschaltung eines weiteren Widerstandes im mOhm-Bereich zu verringern.
Display e-bike
Ein gewöhnlicher Fahrradcomputer wurde in ein Gehäuse von Fischer Elektronik (AKG 71 24/100ME) zusammen mit einer
Bargraph-Anzeige eingebaut. Der Computer wird weiterhin aus seiner Knopfzelle mit der Betriebsspannung versorgt.
Ein Nachladen der Knopfzelle aus der 24 V-Bordspannung erfolgt nicht. Der Computer erhält seine Impulse wie üblich von
einem Reedkontakt an der Gabel des Vorderrades.
 Display im Stand grüne LED = bereit |
 Volle Akkuspannung ready for takeoff |
 Mit 8 A Motorstrom gegen die Kellerwand |
IC1 benötigt bei 36 V Akkumulatorspannung einen Kühlkörper.
Ein einfaches Gerät für die Messung und digitale Anzeige von Akkuspannung, Motorstrom, momentaner elektrischer Leistung und verbrauchter Wattstunden ist mein Wh-Meter. Es soll in der nächsten Version des Displays eingebaut werden. Die Bargraphanzeige entfällt dann.
Solarzellen
Die Solarzellen sollen für die Ladung von 24 V oder 36 V Akkus geeignet sein und werden je nach Akkuspannung verschaltet. Sie sollen als je zwei Stück 3er-Solarmodule rechts und links vom Gepäckträger zusammengefaltet montiert und nur während der Standzeiten seitlich ausgeklappt werden. Bei täglich 6 km Fahrstrecke werden etwa 60 Wh verbraucht. Diese gilt es solar zu ersetzen.
Interessante Solarzellen fand ich im Internet:
Leicht und splitterfrei, da ohne Glasträger rahmenlos in Kunststoff vergossen, hat eine Solarzelle die Abmessungen
128 mm x 118 mm x 3 mm bei einem Gewicht von nur 60 Gramm. Der Hersteller gibt eine Leerlaufspannung von 7,5 V und einen
Kurzschlußstrom von 240 mA an. Diese elektrischen Werte kann ich bestätigen.
Daraus nun eine abgegebene Leistung von 1,8 W errechnen zu wollen (siehe Bild Solarzellenrückseite) ist eine Meisterleistung
fernöstlichen Marketings - beide Zustände (Leerlaufspannung und Kurzschlußstrom) schließen sich im Betrieb leider
gegenseitig aus. Bei Ladung eines 6 V-Akkus mit einer dieser Solarzellen zur Mittagszeit eines wolkenlosen
Spätsommertages konnte ich 140 mA Ladestrom messen. Bei bedecktem Himmel sinkt der Ladestrom auf 40 mA ab.
Jede Solarzelle trägt auf ihrer Rückseite eine Bypassdiode 1N4001 zur Verringerung der Degradation der Solarzellen bei
teilweiser Abschattung (im Schaltplan nicht eingezeichnet).
Die Klemmenspannung des 36 V-Akkus steigt beim Laden bis auf 46 V. Die Schutzdioden 1N5819 haben gerade eine
Sperrspannung von 40 V und sollten nicht durch Dioden mit geringerer Sperrspannung ersetzt werden.
Bemerkenswert ist die hohe Erwärmung der Solarzellen auf Grund ihrer dunklen Oberfläche und damit verbundenem Rückgang
des Wirkungsgrades. Eine Kühlung der Rückseiten der Solarmodule durch frei strömende Luft erscheint ratsam.
1. Frage: Wie groß müßten die Solarzellen sein, um den Motor mit 250 W elektrischer Nennleistung direkt zu betreiben?
Eine meiner Solarzellen liefert bei bewölktem Himmel im Arbeitspunkt gemessene 0,25 W und bei Sonnenschein 0,84 W, wenn sie
optimal zur Sonne ausgerichtet ist. Um dem Motor 250 W bereit zu stellen wären bei bewölktem Himmel 1000 dieser Solarzellen
und bei Sonnenschein 297 Stück erforderlich. Die 1000 Stück
benötigen eine senkrecht zur Sonne ausgerichtete Fläche von 15 m² und wiegen 60 kg. Das ist an einem kleinen Elektro-Faltrad
nicht sinnvoll unterzubringen. Nicht umsonst sind Solarmobile flach wie eine Flunder und haben mehr als zwei Räder.
Den Verlauf des Sonnenstandes in Mitteldeutschland zeigt diese Grafik.
Sie ist die Grundlage für alle weiteren Überlegungen zur solaren Stromversorgung meines Elektrofahrrades:
2. Frage: Wie groß müßten die Solarzellen sein, um einen Akkumulator zu laden, dem täglich 60 Wh entnommen werden?
Vor der Beantwortung dieser Frage sollte man sich über die Betriebsweise seines Elektro-Fahrrades Gedanken machen.
An der begrenzten Dauer der Sonnenstunden und möglicher Bewölkung kan man nichts ändern.
Nimmt man für jede der 12 zur Verfügung stehenden Solarzellen eine durchschnittliche Leistung von 0,5 W an, so sind
die 60 Wh in etwa 10 Sonnenstunden erzeugt.
Ein Akkumulator ist eine feine Erfindung. Er funktioniert wie der Spülkasten in der Toilette: Man ladet ihn längere Zeit mit geringem Strom und kann die gespeicherte Energie bei Bedarf mit höherer Stromstärke wieder entnehmen. Genau diese Eigenschaft benötige ich für mein Elektro-Faltrad. Leider hat auch ein Akkumulator einen Wirkungsgrad, der die entnehmbare Energie kleiner macht als die beim Ladevorgang hineingesteckte. Gute Akkumulatoren haben einen Wirkungsgrad von 80 %. So werden aus den ursprünglichen 60 Wh schnell 75 Wh, die die Solarzellen erzeugen müssen.
Die Fläche unterhalb der roten Kurve zeigt die theoretisch am Tag maximal mögliche Energieausbeute der Solarpanele in Prozent an. Dieses theoretische Solarpanel ist immer zu 100 % in Azimut und Elevation auf die Sonne ausgerichtet und benötigt für die Nachführung keine Energie.
Von den 100 % kann ich in der Praxis nur den Teil unterhalb der grünen Kurve zwischen 06:30 Uhr und 15:30 Uhr während der Parkzeiten auf dem Hof meiner Arbeitsstelle nutzen, entsprechend 56 %. Der geringe Abstand zwischen der roten und der grünen Kurve zeigt vereinfacht den Energieverbrauch der Elektronik und der Stellmotoren für die automatische Solarnachführung.
Die blaue Kurve illustriert die Energieausbeute bei mehr oder weniger geglückter manueller Ausrichtung der Solarpanele im Intervall von etwa 3 Stunden. Der Unterschied zur automatischen Solarnachführung ist gering und es ist deutlich ersichtlich, daß sich eine automatische mechanische Solarnachführung für die geringe elektrische Leistung und meinen Einsatzfall am E-Bike nicht lohnt.
Die schwarze Kurve zeigt die Energieausbeute bei horizontal montierten Solarpanelen. Eine vollständige schwarze Kurve über 24 Stunden dargestellt würde wieder einer roten Kurve aus dem weiter oben dargestellten Sonnenstandsdiagramm ähnlich sein.
MPPC und MPPT
Nach den ernüchternden Erfahrungen zur mechanischen Nachführung der Solarpanele (MPPT) noch ein Wort zu MPPC,
der elektronischen Variante zur Optimierung der Energieausbeute. Sie stellt im Prinzip einen "veränderbaren
Gleichstromtransformator" dar, der versucht, den je nach Sonneneinstrahlung sich ändernden
Quellwiderstand der Solarmodule an den ebenfalls veränderlichen Innenwiderstand des Akkus anzupassen (Ri = Ra) und somit
die maximale Energie übertragen zu können.
Meine Versuche mit SEPIC-Wandlern LM3478 und
LT1512
endeten mit bescheidenen Wirkungsgraden von 89 % bzw. 85 % der Wandler, d.h. 11 % bis 15 % der geernteten Solarenergie
wurden durch die Wandler selbst wieder in Wärme umgesetzt und fanden nicht ihren Weg in den Akkumulator.
Ein SEPIC-Wandler mit einer Verlustleistung von 1 W an einem 6 W Solarmodul ergibt rechnerisch nur höchstens
84 % Wirkungsgrad. Der gleiche Wandler an einem 100 W-Modul hat dann 99 % Wirkungsgrad.
Es ist möglich, daß dieser schlechte Wirkungsgrad der SEPIC-Wandler an meinem provisorischen Aufbau der Schaltung
lag oder das verwendete Kernmaterial für die Induktivitäten nicht gut geeignet war.
Meine Versuche mit MPPC und MPPT habe ich erst einmal eingestellt.
