Fahrradlader

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Bei einem Urlaub mit dem Fahrrad und Übernachtungen auf einem Zeltplatz stellt sich die unter anderem die Frage wie sich Handy, Kamera, GPS und eine Taschenlampe bei Bedarf aufladen lassen, ohne Batterien zu verbrauchen. Naheliegend ist es hierfür den Nabendynamo des Fahrrads zu verwenden und da fertig zu kaufende Geräte nicht den von mir gewünschten Funktionsumfang besaßen, wurde das Problem durch eine Eigenentwicklung gelöst.

Funktionsbeschreibung

Das Ladegerät kann 2 oder 4 NIMH Mignon Akkus gleichzeitig laden oder mit den vier Akkus einen USB Anschluss mit ~5V versorgen. Letztere Funktion ist für das Laden des Handys notwendig. Auf die Möglichkeit Handy und NIMH Akkus gleichzeitig zu laden wurde verzichtet, um die Schaltung einfach zu halten. Ein Mikrocontroller (AVR ATtiny84V) regelt das Laden der NIMH Akkus und überwacht im USB Betrieb deren Spannung.

Laden der Akkus

Der Mikrocontroller regelt den Ladestrom bis auf 500mA, solange die Eingangsspannung einen bestimmten Mindestwert überschreitet. Auf diese Weise ist der Ladestrom abhängig von der Fahrgeschwindigkeit. Da eine -dU Messung um zu erkennen ob die Akkus voll sind schon bei dem gleichmäßigem Ladestrom des ersten Ladegeräts nicht immer funktionierte und der ständig schwankende Ladestrom dies noch verkomplizieren würde, musste eine andere Erkennung von vollen Akkus verwendet werden. Werden Akkus geladen, obwohl sie bereits voll sind, setzen sie die zugeführte Leistung in Wärme um. Diesen Temperaturanstieg lässt sich messen. In dem Ladegerät befinden sich daher je ein Temperatursensor für jedes Akkupaar und ein Temperatursensor, der als Referenz die Umgebungstemperatur misst. Da alle Akkus in Reihe geschaltet sind, endet der Ladevorgang sobald das erste Paar voll ist. Welches Paar voll ist wird über eine LED signalisiert, so dass sich gegebenenfalls diese Akkupaar entnehmen lässt und das Andere weiter geladen werden kann. Zu beachten ist, dass beim Laden von nur einem Akku Paar das Ladegerät die gleiche Leistung aufnimmt. Es lohnt sich also generell immer möglichst zwei Paare gleichzeitig zu laden. Um die notwendige Spannung (> 7V) zum Laden der Akkus zu erhalten, darf der Nabendynamo keinen Überspannungsschutz haben. Stattdessen ist dieser in dem Ladegerät enthalten. Die Tabelle zeigt die erreichbaren Ladeströme mit einem Shimano DH-3D30 Dynamo:
Geschwindigkeit des 28" Rads
Ladestrom
Spannung nach Gleichrichtung
Fahrstrecke zum Laden von 2000mAh
7km/h
25mA
6,5V
560km
10km/h
150mA
6,6V
133km
13km/h
300mA
6,7V
86km
17km/h
400mA
6,7V
85km
20km/h
450mA
6,7V
89km
30km/h
480mA
7,2V
125km

Als Zusatzfeature summiert der Mikrocontroller die geladenen mAh auf und speichert die Summe im EEPROM. Bei einem mehrtägigen Fahrradurlaub, bei dem das Ladegerät während geschätzt gut 220km in Betrieb war, zeigte der interne Zähler am Ende 5,5Ah. Dies passt zu den oben ermittelten Ladeströmen.

USB Betrieb

Ziel war es, mein Samsung GT I5500 Handy laden zu können. Es zeigte sich, dass diese Handy ohne angeschlossene Datenleitungen immer versucht mit 500mA zu laden. Werden die Datenleitungen über einen 200Ohm Widerstand verbunden, so erhöht sich der Ladestrom nochmals. Der Ladevorgang wird abgebrochen, sobald die Eingangsspannung unter 4V sinkt. Wenn die Spannung wieder mehr als 4V beträgt, lädt das Handy wieder mit dem vollem Ladestrom.

Im USB Betrieb liefern vier in Reihe geschaltete Akkus ungefähr 5V. Da Akkus mit einem höherem Innenwiderstand bei dieser Last teilweise nur eine Ausgangsspannung von knapp über 1V pro Zelle liefern, wurde auf Transistoren zwischen den Akkus und der USB Buchse verzichtet. Diese würde unvermeidbar einen weiteren Spannungsabfall produzieren. Somit kann der Mikrocontroller zwar bei sich leerenden Akkus per LEDs warnen, nicht jedoch einfach den USB Ausgang abschalten.
Die Eigenschaften der Akkus und die des Handys können im ungünstigstem Fall dazu führen, dass das Handy mit dem Laden beginnt, daraufhin die Akkuspannung einbricht, das Handy deswegen das Laden beendet und dadurch die Akkuspannung wieder steigt. Und der ganze Vorgang beginnt von vorn. Bei meinem Handy mit einer Frequenz von 2kHz, wobei die ganze Zeit dem Benutzer angezeigt wird, das Handy würde laden. Ob dies für den Handyakku gesund ist, ist zu bezweifeln. Um das Problem etwas abzumildern, werden die Akkus mit einem großen Kondensator gepuffert und der Mikrocontroller kann neben der Akkuspannung auch den Ladestrom des Handys messen. Sinkt die USB Spannung nahe an die 4V oder ist der Ladestrom unter 100mA wird dies ebenfalls über die LEDs signalisiert.
Kurz nach dem Laden kann eine Zelle jedoch 1,6V liefern, dies ist mehr (6,4V) als die USB Spezifikationen (5,25V) erlauben. Dieses Problem wurde durch die Verwendung von Z-Dioden abgemildert. Zusätzlich signalisiert der Mikrocontroller über die LEDs, falls die USB Spannung weiterhin über 5,3V liegen sollte. Falls dennoch ein USB Gerät angeschlossen werden sollte, ist kein Defekt zu erwarten - solange es die USB Charging Spezifikationen erfüllt. Diese verlangen dass ein USB Gerät bis zu 9V ohne Schaden überstehen muss, wenn ein Ladegerät defekt ist.

Bilder

(Klicken vergrößert)
Das Ladegerät
Im Gehäuse
Platine mit Debug Leitungen
Auf dem Fahrrad
Fahrradlader mit Gehäuse
Ansicht des Gehäuses von Innen
Sicht auf die Bestückungsseite
Fahrradlader auf dem Fahrrad

Software und Schaltplan

Die Verwendung der Software und Schaltpläne erfolgt auf eigene Verantwortung. Ich hafte nicht für Schäden falls meine Software oder Schaltpläne welche verursachen sollte. Eine Funktionsfähigkeit und/oder Fehlerfreiheit wird nicht garantiert.
fahrradlader1-0.zip
Software Version 1.0
fahrradlader1-9.pdf
Schaltplan Version 1.9

Fazit

Das Gerät hat im Urlaub erfolgreich seine Praxistauglichkeit gezeigt. Sollen aber alle Elektronikgeräte versorgt werden, müssen schon jeden Tag einige Kilometer gefahren werden. Sonst sind bald alle Akkus leer.
Bei einer nächsten Version würde ich darauf achten, dass das Gehäuse komplett wasserdicht ist und eine geeignete Befestigungsmöglichkeit am Fahrrad bietet.
Der Referenztemperatursensor wurde auf der Platine zu nah an dem Lastwiderstand platziert und erwärmt sich so teilweise stärker als die Temperatursensoren der Akkus. Außerdem ist es schwierig die anderen Temperatursensoren so zu platzieren, dass sie einen guten Kontakt zu den Akkus haben. Hier sind also je nach Aufbau andere Werte in der Software für die Temperaturdifferenzen notwendig um für eine zuverlässige Abschaltung zu sorgen. Generell funktioniert die Abschaltung jedoch zuverlässiger als die -dV Variante in dem ersten Ladegerät.
Es wäre wünschenswert, wenn der Mikrocontroller beim Laden zwischen ein oder zwei Akku Betrieb unterscheiden könnte. Hierfür ist jedoch kein analoger Eingang mehr frei.




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Projekt aus dem Jahr: 2012
Beschreibung zuletzt aktualisiert: 17.08.2015