Erst einmal ein Hallo an alle!

Ich bin neu hier im Forum. Daher kurz ein paar Sätze zu meiner Person und Motivation. Ich heiße Klaus, wohne in der Nähe des Bodensees und habe nach längerer Zeit wieder das Radfahren für mich entdeckt. In den letzten drei Jahren habe ich jeweils im Sommer mehrwöchige Fahrradtouren unternommen. Alles ganz klassisch mit Karte. Aber nun ist bei mir der Wunsch nach einem GPS-Gerät (Oregon 450?) aufgekommen. Ich hatte bislang keines angeschafft, da die Stromversorgung für Unterwegs nicht gesichert war. Dann habe ich über mehrere Umwege vom Forumslader erfahren und beschlossen, ein eigenes Exemplar nachzubauen. Die käuflichen Geräte sind mir zu unflexibel.

Zunächst einmal danke ich JensD für die guten Anleitungen und die Mühe, die er sich mit seiner Homepage macht. Mit großem Interesse habe ich auch die Artikel in der fahrradzukunft.de gelesen. Die Testergebnisse zeigen, dass der Forumslader die beste Lösung zur Stromversorgung am Rad darstellt. Gute Arbeit, JensD! Und ja, ich kenne auch die „Gebetsmühle“ von Olaf Schulz. Wenn ich es richtig verstanden habe, bin ich in diesem Forum bezüglich Fragen wegen des Forumsladers richtig aufgehoben.

Vorab möchte ich anmerken, dass ich nicht auf eine Arbeits- oder Ladespannung von 12V fixiert bin, da ich kein 12V-Standlicht verwenden werde. Ich bleibe bei meinem B+M Cyo, da mir ein Umbau zu jetzigen Zeitpunkt zu aufwendig ist und ich auf meinen Touren möglicherweise nicht die Geschwindigkeiten erreiche, um eine 12V-Lichtanlage vernünftig zu betreiben. Ich fahre relativ selten bei Dunkelheit. Und ich werde wohl Handy-LiPo-Akkus verwenden, da sie eine hohe Kapazität bei geringen Ausmaßen haben, bereits eine Schutzschaltung enthalten und günstig sind.

In allen Artikeln werden schöne und eindrucksvolle Leistungsdiagramme gezeigt, aber leider kein Spannungsverlauf in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit. Wenn ich die Schaltung richtig verstehe, funktioniert IC1 im Prinzip als Spannungsbegrenzer. Bei langsamer Fahrt und Spannungen unter der Ladespannung wird die gleichgerichtete Spannung einfach (hoffentlich verlustfrei) weitergereicht. Es kann dann kein Akkupack geladen werden. Erst ab einer Geschwindigkeit X ist die gleichgerichtete Spannung gleich oder größer der Ladespannung und der Akkupack wird bei konstanter Ladespannung geladen. Da ich Touren (also mittlere Geschwindigkeit unter 20 km/h) und keine Rennen fahre, ist X von entscheidender Bedeutung für mich. Ich denke, dass dieser Punkt bei der Diskussion bisher zu wenig beachtet wurde, ist doch die Ladung eines Akkupacks eine der zentralen Aufgaben des Forumsladers.

Ich habe daher mit den Formeln aus der Gebetsmühle die Werte für einen SON28 mit 28“-Rad berechnet. Das Ergebnis ist, dass 6V Wechselspannung bei ca. 13 km/h (Grenzwert bei Spannungsverdopplung) und 12 V bei 25 km/h (ohne Spannungsverdopplung) erreicht werden. Nicht berücksichtigt werden Spannungserhöhungen durch Kondensatoren und Verluste durch die Schaltung. Die 5V USB Spannung steht bereits ab 10 km/h mit ausreichender Leistung für ein Garmin 450 (1,2 W) zur Verfügung. Kann mir jemand bestätigen, dass die Akkus mit dem Forumslader erst ab ca. 15 km/h geladen werden?

Diese Überlegungen führen mich damit direkt zur Wahl der optimalen Ladespannung. Hier im Forum wurde darauf hingewiesen, dass der Grund für den überragenden Wirkungsgrad und die erreichbaren Wattzahlen die Schaltungsspannung um die 12V ist. Das Leistungsdiagramm von JensD (V/P-Diagramm 220µF) impliziert sogar, dass eine weitere Leistungssteigerung bei 15 V möglich ist. Wenn meine Berechnungen von oben richtig sind, dann müsste man dann allerdings über 30 km/h fahren, um seinen Akkupack zu laden.

Ich möchte hierzu folgendes anmerken. Die Leistung, die der Generator abgibt, ist allein abhängig von der Drehzahl und damit der Geschwindigkeit. Keine noch so clevere Schaltung kann aus dem Dynamo mehr Leistung einfach aus dem Nichts zaubern. Ich sehe zwei Möglichkeiten für die guten Leistungswerte des Forumsladers. Entweder werden besonders hochwertige und verlusstarme Bauteile verwendet, oder der verwendete Drop-Down-Regler (IC1) arbeitet bei höheren Spannungen effizienter. Wenn jemand es genauer weiß, würde ich mich über einen kurzen Kommentar freuen.

Nun zu meinem Hauptproblem. Falls meine oben gemachten Aussagen zutreffen, sollte in meinem Fall (Tourenfahrer mit v < 20 km/h) eine Ladespannung von 8.2V für 2 LiPo-Zellen besser geeignet sein, da diese bereits ab 10 km/h erreicht wird. Dies ließe sich leicht durch eine andere Variante des IC1 und D8 erreichen. Wäre damit auch ein geringerer Wirkungsgrad verbunden? Insgesamt müsste es doch günstiger sein, mit 8.2V 100% der Zeit zu laden als 50% der Zeit mit 12V. In keinem Fall ist eine 4-Zellen Konstruktion einzusetzen. Auch hier würde ich mich freuen, wenn jemand diese Überlegungen bestätigen könnte.

Zum Schluss habe ich noch eine praktische Frage zu der Wasserdichtigkeit. Ich möchte das Ladegerät am Rahmen montieren. Bei Touren fährt man auch mal bei Regen, das lässt sich nicht vermeiden. Der Lader wird zwar nicht untergetaucht, aber es gibt Spritz- und Schwallwasser. Wie wichtig ist dann eine Schutzklasse von IP54 aufwärts, denn dann werden Gehäuse, Schalter und Anschlüsse so richtig teuer. Was sind eure Erfahrungen?

Jetzt ist mein erster Beitrag viel länger geworden, als ich am Anfang beabsichtigt hatte. Ich würde mich sehr über eine Antwort zu der einen oder anderen Frage freuen.

Mit einem Gruß vom Bodensee

Klaus

Hallo Klaus,

willkommen hier! Du hast Dich wirklich gut eingelesen, Respekt.
Nun zu Deinen Fragen....
Deine Überlegungen sind im Wesentlichen richtig, nur die Grössenordnung stimmt nicht. Der Forumslader lädt bei langsamem Tempo tatsächlich nicht- aber mit der Spannungsverdopplung bei langsamer als 4km/h und bei der schnellen Stufe unter 8km/h. Mit einer niedrigeren Akkuspannung würde man diese Grenze nach unten verschieben können- das halte ich aber nicht für sinnvoll. Eine etwas höhere Akkuspannung senkt den Stromfluss etwas, aber durch die höhere Nennspannung steigt die Leistung dennoch leicht an.
In dem von Dir verlinkten Diagramm ist tatsächlich die Ladeleistung in den Akkupack gemeint- natürlich muss dafür die Spannung erstmal über die Akkuspannung gestiegen sein (die schnelle Stufe beginnt deshalb bei 5km/h, aber 8km/h wären hier genauer). Diese damalige Kurve ist aber nicht sehr genau, ich hatte sie mit einer Bohrmaschine als Antrieb des Vorderrades ermittelt- einen funktionierenden Prüfstand habe ich erst seit 2 Wochen fertig.
Die von Dir benötigten 1.2W hast Du in der langsamen Schaltstufe ab etwa 8km/h zur Verfügung, darunter muss dem Akku die zu 1.2W fehlende Differenz entnommen werden. Bei 15km/h hast Du mit 3.5-4W einen erheblichen Energieüberschuss welcher im Pufferakku gesammelt wird. In der Gesamtbilanz kannst Du als Tourenradler mit einem satten Energieüberschuss rechnen, egal welchen Pufferakku Du verwendest (etwas höhere Akkuspannung verstärkt diesen Überschuss noch).
Mit einem 8.2V-Akku könntest Du eher zu laden beginnen (3km/h ?), die Ladeleistung wäre geringer (oberhalb etwa 6km/h)- würde aber für Deinen sehr geringen Bedarf wohl locker genügen.

Deinen Denkfehler kann ich Dir erklären- die Formeln in der Gebetsmühle gelten für ohmsche Lasten. Die Energieabgabe eines Generators ist nicht nur von der Drehzahl abhängig (die von mir verwendeten Bauteile sind auch nicht wirklich extrem hochwertig, es gibt überall besseres), mit dem Forumslader hat der Dynamo eine auf Resonanz abgestimmte kapazitive Last. Dynamospule und die Kondensatoren im Eingangsbereich bilden eine Art Schwingkreis, dadurch wird der induktive Widerstand der Dynamospule reduziert und der fliessende Strom erhöht sich. Das klappt natürlich nur wenn Spuleninduktivität, Frequenz und Kapazität halbwegs zusammenpassen- deshalb geht meine Leistungskurve in der schnellen Stufe über etwa 40km/h auch abwärts (die Frequenz wird zu hoch, ein kleinerer Kondensator wäre jetzt nötig um die Ausgangsleistung weiter zu steigern) owohl sich ja die Drehzahl erhöht...
Eine wohl optimal ausgeregelte ohmsche Last stellt das E-Werk von Bumm dar, sicher auch mit besseren Bauteilen versehen wie mein Konstrukt. Durch den kapazitiven Trick erzeugt aber der Forumslader bis 50km/h dennoch erheblich mehr Energie- darüber ist das E-Werk stärker (um dann bei etwa 100km/h den beworbenen Spitzenwert von 16W zu erreichen ).

Für unsere Fahrgeschwindigkeit ist die Akkuspannung von ca. 12-16V sehr gut geeignet, das alle PKW auch 12V haben ist aber ein glücklicher Zufall- eigentlich ist aus meiner Sicht der 6V Nabendynamo ein gesetzlich verhinderter 12V-Dynamo.

Aus meiner Erfahrung reicht ein Spritzschutz des Forumsladers aus. Ich montiere meine Gehäuse unter die Vorbauverlängerung mit den Öffnungen nach unten (mehrere Ventilationsöffnungen durch meine 3.5mm Klinkenbuchsen, die sind ja offen), die Geräte halten zigtausende km ohne Wasserprobleme. Ich habe auch keine gedichteten Schalter, Anschlüsse gehen nach unten und liegen somit nicht im direkten Regen und auch nicht im Spritzbereich der Räder.

Grüsse von
Jens.

Erst einmal herzlichen Dank für die freundliche Aufnahme!

@JensD
Und vielen Dank für die ausführliche Antwort.
Das ist eine gute Nachricht, dass der Forumslader doch schon bei niedrigen Geschwindigkeiten eine ausreichend hohe Spannung erzeugt. Mir war bekannt, dass die zusätzliche Kapazität am Gleichrichter eine Spannungserhöhung bewirkt, aber ich hatte nicht erwartet, dass der Effekt so hoch ausfällt. Ich würde mich sehr freuen, wenn du hier oder auf deiner Homepage zusätzlich ein U/v-Diagramm (oder Tabelle) zeigen könntest. Dann bleibe ich bei einer 12V Schaltung und werde wohl einen 3-zelligen LiPo-Akku-Pack verwenden. Oder gibst du mir doch eine Empfehlung für 4 Zellen?

Ich habe noch eine Frage zu C3. Eigentlich gilt die Regel, einen möglichst großen Ladekondensator zu wählen (bessere Glättung). Angenommen ich hätte ausreichend Platz im Gehäuse, könnte man einen größeren Elko einbauen, oder würde das die Abstimmung stören und den Wirkungsgrad senken?

Du erwähntest auch in einem anderen Beitrag, dass du an einer automatischen Umschaltung des Gleichrichters arbeitest. Wählst du dafür eine Spannungs- oder eine Frequenzsteuerung. Wenn ich den Einfluss der Schutzschaltung auf die Eingangsspannung bedenke, sollte eine Frequenzsteuerung (70-80 Hz) zuverlässiger sein. Kannst du das bestätigen?

Und meine letzte Frage ist, wie der Forumslader reagiert, wenn die Schutzschaltung eines Handy-Akkus anspricht. Dann fällt der ganze Pack aus und bald darauf das ganze Gerät wegen der Wärme an D5, oder nicht? Aber es kann eigentlich nichts weiter beschädigt werden?

Das sind dann wieder einige zusätzliche Fragen. Ich denke halt lieber vorher nach als mich später zu wundern.

Gruß
Klaus

Hallo Klaus,

für Dich würden 3 Zellen genügen, dann sparst Du etwas Platz. Die etwas höhere Ladeleistung (ca. 10-20% etwa) benötigst Du nicht, andererseits steigt natürlich die gespeicherte Energie um die eine Zelle (falls das für Dich eine Bedeutung hat).

Eine U/v-Kurve kann ich zu Hause mal aufnehmen, Du meinst sicher im Leerlauf? Für eine Graetz-Schaltung, Delon oder Villard? Welche Kondensatorgrösse? Alle diese Kurven würden deutlich anders ausfallen- das ist das Abstimmungsproblem bei der Auslegung meiner Schaltung. Die aktuelle Schaltung arbeitet in der langsamen Stufe mit einer Villard-Spannungsverdopplung mit 220µF Ladekondensator, in der schnellen mit einer Graetz-Brücke und 2 antiseriellen Kondensatoren von je 220µF. Der Glättungskondensator C3 hat meines Wissens keinen Einfluss auf die Abstimmung (kann ich aber auch nochmal nachmessen).

Die geplante Umschaltung arbeitet auf Frequenzbasis (Spannung ist untauglich), wir testen momentan verschiedene Ansätze (analog, Mikrocontroller, Relais, Photo-Mos bzw. SSR, 2 oder mehrere Schaltstufen)- die tauglichen Ergebnisse werden wieder veröffentlicht werden.

Nach dem Ansprechen der Schutzschaltung geht durch den bald öffnenden Thermoschalter die Anlage für ca. 10-30s aus (je nach Aussentemperatur und Wärmeabfuhr im Gerät), dann für 20s bis 1min wieder an und so fort (nicht grade irre elegant, funktioniert aber zuverlässig). Das ist dann ein sinnvoller Moment um das ganze Teil auszuschalten- es wird nur noch geheizt (es geht aber nix kaputt, der Thermoschalter hält enorm viele Schaltintervalle aus).

Frag ruhig- Deine Fragen sind ja ausgesprochen sinnvoll

Grüsse von
Jens.

Hallo Jens,

ich hatte mich da wohl etwas unpräzise ausgedrückt, was die Anzahl der Zellen anbelangt. Du hast recht mit der Kapazität, 3 Zellen würden sicher ausreichen. Ich dachte dabei mehr an die Ladespannung, die bei 4 Zellen mit 16.4V doch schon recht hoch ist. Wie schnell müsste ich fahren, um 16.4V zu überschreiten?

Es gibt aber noch einen anderen Aspekt für die Wahl von 4 Zellen. Wenn man davon ausgeht, dass man die Zellen zwischen 3.6V (leer) und 4.1V (voll) betreibt, dann schwankt die Akku-Pack-Spannung zwischen 10.8V und 12.3V bei 3 Zellen bzw. 14.4V/16.4V bei 4 Zellen. Für den Fall, dass man 12V für ein externes Gerät oder die Beleuchtung benötigt, könnte die Schwankung bei 3 Zellen schon kritisch werden bzw. man sollte dafür sorgen, dass man immer volle Zellen hat. Bei 4 Zellen muss man in jedem Fall einen Wandler einbauen, der dann aber immer eine konstante Spannung abgibt. Jeder muss für sich selbst entscheiden, wie genau seine 12V sein müssen.

Nun zur U/v-Kurve. Genau, ich würde mich für die Spannung nach dem Gleichrichter für die optimierte Schaltung bei beiden Stellungen interessieren. Das zeigt dann, ab wann IC1 in Abhängigkeit von der Ladespannung Arbeit bekommt. Den Einfluss von C3 könnte man relativ leicht bestimmen, indem man einfach einen 2. (3.??) Elko parallel schaltet. Ich würde gerne vorbeikommen und helfen, aber Cottbus ist doch ein wenig weit entfernt. Dabei war ich vor zwei Jahren ganz in der Nähe am Oder-Radweg in Richtung Ostsee unterwegs.



Die Schaltung basiert halt auf dem KISS-Prinzip. Dagegen ist nichts einzuwenden.

Gruß
Klaus

Das 12V Problem kann man auch umgehen, indem man einen 4 Zellen LiFePo Akku nimmt. Die gibt es beim Modelbauladen fertig vorkonfektioniert mit allem drum und dran. Allzu teuer sind sie auch nicht und wohl wesentlich sicherer im Ladevorgang. Und man bekommt mit 4 Zellen nominal 13.2V zustande und ist insgesamt viel näher an einem 12V Pb-Akku dran. Kann man dann bei Bedarf mit einem Autobatterie-Ladegerät an der Steckdose aufladen.

Bezüglich Gehäuse hab ich mich für die robuste Variante entschieden, wobei ich versucht habe, die Kosten etwas einzugrenzen. Herausgekommen ist im wesentlichen ein Peli-Case, siehe hier.

Hallo Klaus,

wegen der Anschaffung eines neuen Rades war ich die Woche bei einem Radhändler. Dabei kamen wir auch auf die option "laden". Er empfahl mir zu warten auf einen bald von Axa herauskommenden Scheinwerfer namens Nano Plus. Der hätte auch einen USB-Anschluß und würde ab 10 km/h laden.

Was haltet ihr denn von so etwas?

Gruß
Heinz

Hallo Olaf,

ich hatte mir die LiFePo auch angeschaut, aber sie sind mir einfach zu groß. Sie passen nicht in das Gehäuse, welches ich verwenden möchte. Leider gibt es kaum lange und schmale Gehäuse, die man an den Rahmen montieren kann. Alles über 70 mm Breite wird dann schon klobig. Aber ansonsten scheinen LiFePo von ihren Eigenschaften her ideal für den Forumslader zu sein.

Gruß
Klaus

Hallo Heinz,

danke für den Hinweis. Ich habe mir im Internet die Beschreibung des Axa Nano Plus angeschaut. Es handelt sich dabei um einen Scheinwerfer mit einem 5V USB Ausgang. Er enthält aber keine Ladefunktion für Akkus. Das müssen die angeschlossenen Geräte selbst können. Für Handys, Organizer, MP3-Player und manche GPS-Geräte ist das ideal. Möglicherweise reagieren die Garmin-GPS-Geräte mit einer Abschaltung, wenn man steht und keine 5V mehr geliefert werden.

Da mir das aber nicht reicht, werde ich beim Forumslader bleiben. Trotzdem danke für den Tipp.

Gruß
Klaus

Hallo Klaus,

mein Prüfstand kann leider nicht langsamer als 3km/h- dabei liegen bereits 18V im Leerlauf an (220µF, Villard). Es fliesst also definitiv ab Schrittgeschwindigkeit ein Ladestrom auch an 4 Zellen LiIon- der ist aber wirklich klein (5-15mA?).

Die KFZ-Spannung geht ja von ca. 10V bis 14.5V beim Bleiakku. Mit 3 Zellen LiIon bist Du da voll drin, noch besser halt mit 4 Zellen LiFePo. Leider sind die räumlich kleinen Zellen dieser Chemie wirklich Schrott, ich hatte da mal ein paar Testexemplare aus China importiert und war schwer enttäuscht.
Aber wenn der Einbauplatz nicht gar so beschränkt ist dann sind die LiFePo4 von A123 sehr gut.

Ich teste gerade LiMn-Zellen mit 680mA bei 3.6V, Baugrösse entspricht einer AA-Zelle. Scheint für die meisten Anwender auch zu reichen...

Achso, C3 hat keinen Einfluss auf die Kennlinie- kannst Du auch grösser nehmen wenn Du magst.

Speziellere Kennlinien kann ich bei Bedarf auch für Dich aufnehmen, evt. per PN oder Mail?

Grüsse von
Jens.

Hallo Jens,

du bist aber auf Zack. Hast sogar schon eine Messung durchgeführt. Alle Achtung.

Ich bin erst einmal mit der Aussage zufrieden, dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters nicht der limitierende Faktor ist. Damit bin ich frei bei der Wahl eines Akku-Packs. Aber wenn du Daten hast, würde ich mich schon über eine Tabelle per PN freuen. Und Messungen unter 5 km/h sind aus meiner Sicht auch nicht so notwendig. Wenn ich auch reise statt rase, so schleiche ich nicht. Ich hoffe, ich hatte hier keinen falschen Eindruck erweckt.

Die LiMn-Zellen (Konion S-680 ??) könnten ganz interessant sein, da sie sicherer als LiPos sind und wohl auch keinen Balancer benötigen. Wegen der kompakteren Maße neige ich dennoch zu den Handy-Akkus, es sei denn, jemand würde mir dringend davon abraten.

Kann jemand etwas über die Qualität der Handy-Akkus von Reichelt sagen? Ich habe sie bisher nirgendwo günstiger gesehen. Und sollte ein Akku-Pack nach einer Saison hinüber sein, wäre das nicht so schlimm. Jede bessere Kette ist da schon teurer.

Eine Alternative könnten da auch die flachen LiNANO-Zellen sein. Allerdings scheinen die mir ohne Gehäuse sehr empfindlich zu sein.

Gruß
Klaus

Hallo Klaus,

die LiMn die ich grade teste sind diese hier, die beiden grösseren Bauformen dieses Shops haben sich bereits hier bewährt und mit den 18650-ern fahre ich seit Kurzem durch die Gegend.
Die Handyzellen gehen durchaus auch für mehrere Jahre, die Kapazität lässt halt nach und man sollte bei der Löterei wissen was man tut (evt. die Funktion der Schutzschaltung nach der Verlötung nochmal überprüfen, schaden kann das nicht).
Die LiNano-Zellen kannte ich noch nicht- Danke! Ich werde auch da mal ein paar Testexemplare bestellen (von der Kapazität her klingt es ja recht gut).

Grüsse von
Jens.

Hier ist noch ein anderer Shop, der prismatische LiFePo-Zellen in unterschiedlichen Formaten anbietet. Und auf der Seite von Gerd Giese gibt es jede Menge Infos, Vergleiche und Messungen zu Akkus.

Gruß
Klaus

Danke Klaus!

Die prismatischen LiFePo sehen wirklich gut aus- auch wenn die grösseren Kaliber recht gross in der Bauform sind. Ein paar süsse kleine werde ich aber sicher demnächst mal bestellen- im Moment hat aber die Erarbeitung eines weiteren Forumsladers (Nachfolger wäre falsch) meine Priorität.
Alle Testzellen die ich ausser der A123 geordert hatte waren bei den LiFePo bisher Flops- das scheint sich geändert zu haben (ich muss doch wieder mehr bei den Modellbauern vorbeisehen ).

Grüsse von
Jens.