Akkulader für das Fahrrad "FaLa 1"

Einleitung

Hierbei handelt es sich nicht um ein Gerät, mit dem man Akkus von Fahrrädern mit Elektrohilfsmotor (E-Bikes) aufladen kann. Es geht hier um ein Ladegerät, mit dem man Akkus von Geräten durch den Fahrraddynamo aufladen kann, die man bei Radtouren dabei hat. In unserem Fall sind das in erster Linie das GPS-Navigationsgerät und die Digitalkamera. Anlass zur Entwicklung dieses Gerätes war die Radtour im April/Mai 2008. Auf dieser Reise waren wir drei Wochen mit dem Fahrrad in Österreich, der Slowakei und Ungarn unterwegs. Da wir fast ausschließlich Campingplätze nutzen wollten, mussten wir eine unabhängige Stromversorgung zum Laden unserer Geräte mitführen.

Anforderungen

Ladekonzept für zwei unterschiedliche Akkutypen:

• Nickel-Metall-Hybrid (Akkus für das Navi)
• Lithium-Ionen-Akku (Akku für die Digitalkamera)

Automatische Abschaltung des Ladevorgangs bei vollendeter Ladung

Kompakte spritzwassergeschützte Bauform

Ladefunktion ab einer Fahrtgeschwindigkeit von 15 km/h

Vormessungen

Zuerst musste herausgefunden werden, welche Leistung der vorhandene Nabendynamo abgeben kann. Dafür wurden einige Probefahrten durchgeführt, bei dem der Generator mit verschiedenen Lastwiderständen belastet wurde (Nach Gleichrichtung der erzeugten Wechselspannung). Bei verschiedenen Geschwindigkeiten wurde Strom und Spannung erfasst. Es stellte sich heraus, dass der Shimano-Nabendynamo bei einer Geschwindigkeit von 15 km/h einen Strom von 200mA fließen lassen kann und dabei die Spannung für den ausgewählten Ladecontroller TEA1102 von PHILIPS noch ausreicht. Eine Erhöhung des Ladestroms würde die erzeugte Spannung zu sehr einbrechen lassen.

Elektronik

Es liegt auf der Hand, dass der Dynamo nicht gleichzeitig die Radbeleuchtung und das Ladegerät bedienen kann. So wird die erzeugte Spannung zuerst auf einen Umschalter geleitet. In der einen Schalterstellung wird die Spannung zur Lichtanlage durchgeschaltet. In der anderen Schalterstellung erhält die Ladeelektronik die Spannung. Nach Gleichrichtung der Wechselspannung wird die Versorgungsspannung auf 8 V geregelt. Neben einigen diskreten Bauteilen, ist am Ladecontroller eine LED angeschlossen, die den Status der Ladung anzeigt. Durch die externe Beschaltung wird unter anderem dem Controller mitgeteilt, um welchen Akkutyp es sich handelt, wie viele Zellen angeschlossen sind, und wie hoch der Ladestrom sein soll. Da ja zwei unterschiedliche Akkutypen zu laden sind, ist dieser Teil der Schaltung nicht auf der Hauptplatine, sondern im entsprechenden Akkuhalter integriert.

Blockschaltbild:

Um das Ende der Ladung zu detektieren, arbeitet der Ladecontroller bei NiMH-Akkus nach dem Vpeak-Verfahren. Das Verfahren macht sich die Eigenschaft des Akkus zunutze, dass er sich bei Erreichen der Ladeschlussspannung erwärmt und der Innendruck steigt. Dadurch beginnt die Akkuspannung zu sinken. In kurzen Intervallen wird der Ladestrom unterbrochen und die Akkuspannung gemessen. Ist die gemessene Spannung niedriger als die zuvor gemessene Spannung, so geht der Controller davon aus, dass der Akku voll ist. Der Schnellladevorgang wird dann abgebrochen und es wird in den Erhaltungslademodus umgeschaltet. Das Laden von LiIon-Akkus funktioniert anders: Hier wird zunächst die Akkuspannung gemessen. Ist die Spannung unter 0,9 V wird zunächst mit geringem Strom geladen. Bei einem gut funktionierenden LiIo-Akku steigt dann die Spannung innerhalb kurzer Zeit über 0,9 V. Dann wird mit dem vorgegebenen Schnellladestrom geladen. Steigt die Spannung nicht über 0,9 V, geht der Ladecontroller von einem defekten Akku aus und der Ladevorgang wird abgebrochen. Wie beim NiMH-Akku wird auch bei der Ladung von LiIo-Akkus der Ladevorgang immer wieder kurz unterbrochen, um die Akkuspannung zu messen. Die Akku-Voll-Erkennung erfolgt bei der LiIon-Akkuladung bei Erreichen einer Akkuspannung von 4,1 V.

Schaltplan:

Platinenlayout:

Nach Inbetriebnahme der Schaltung an einem Netzteil wird der Ladevorang bei einer Versorgungsspannung von 8,7 V gestartet. Es fließt dann der eingestellte Ladestrom und die Status-LED leuchtet. Nach Beendigung der Ladung erlischt die Status-LED.

Mechanik

Die Elektronik ist in einem Aluminiumstrangprofil untergebracht. Das Gehäuse fungiert auch als Kühlkörper des Leistungstransistors der den Ladestrom steuert. Auf der einen Seite ist im Deckel des Gehäuses die Statusanzeige (3 mm-LED rot), der Umschalter (Kippschalter mit Schutzgummi) und der Kabelaustritt (PG-Verschraubung) untergebracht. Im oberen Teil des Gehäuses befindet sich die Elektronik, die auf zwei Lochrasterplatinen aufgeteilt ist. Im unteren Teil befindet sich die Ladebucht zur Aufnahme des Akkuhalters. Die Platinen wurden vor Einbau in das Gehäuse mit Epoxydharz bedeckt, um die Schaltung vor Feuchtigkeit zu schützen, und die Bauteile mechanisch zu fixieren.

Der Akkuhalter besteht aus einem gefrästen Kunststoffblock, der auf der einen Seite eine Halterung zur Aufnahme von zwei Mignonakkus hat.

Auf der anderen Seite ist die Halterung des LiIo-Kameraakkus.

Der besondere Clou: Je nachdem welche Seite bei Einsatz des Akkuhalters nach oben zeigt wird der zu verwendende Akkuschacht mit der Elektronik verbunden und es werden dem Controller die richtigen Ladeparameter übermittelt. Zur Aufnahme der NiMh-Zellen dient ein handelsüblicher Akkuhalter, der in den Kunststoffblock eingelassen ist. Zur Aufnahme des speziellen Kameraakkus wurde eine entsprechende Vertiefung in den Kunststoffblock gefräst, in der der Akku "einsnappt" und zusätzlich verriegelt werden kann. Für den Kontakt sorgen zwei vergoldete Federkontakt-Prüfnadeln, die eigens für diese Anwendung verkürzt werden mussten. Jede Akkuhalterung hat einen eigenen Übergabestecker, der bei richtiger Orientierung in den Gegenstecker der Hauptplatine angedockt wird. Am Stecker des jeweiligen Akkuhalters sind die Bauteile zur Bestimmung der Ladeparameter angeschlossen. Aufgrund des geringen Platzangebotes wurden hier SMD-Bauteile verwendet.

Das Ladegerät habe ich durch zwei Klemmblöcke am LowRider befestigt. Hier habe ich die Kontroll-LED immer im Blick und kann sogar das Gerät während der Fahrt an- und ausschalten. Zum Wechsel der Akkus wird das Ladegerät einfach nach vorne gedreht.

Als Abdeckung für die Ladebucht dient ein Plexiglas-U-Profil mit eingelassener Gummidichtung.

Praxistest

Während unserer dreiwöchigen Radreise durch Transdanubien hat der FaLa gute Dienste geleistet. Nach ca. 4 Stunden waren die Akkus voll. Probleme gab es keine.

Selbstbauprojekt!

Der FaLa 1 ist nicht, käuflich zu erwerben. Es handelt sich hier um ein Selbstbauprojekt!

So kann es gehen!

Während unserer Polen-Radreise 2010 haben wir mehrfach das Wort Fala gelesen, sogar Fala1. Die Recherche ergab später, dass das deutsche Wort Welle in polnisch wohl Fala heißt.