Entwicklung und Bau einer solarbetriebenen Ladestation für Elektrofahrräder

 

Physik | Technik

 

Andrin Fluri, 2000 | Vordemwald, AG

 

Im Rahmen dieser Wettbewerbsarbeit wurde eine mit Solarstrom betriebene Ladestation für Elektrofahrräder entwickelt und gebaut. Mit ihr können verschiedene Akkutypen geladen, sowie die Ladeparameter Spannung und Ladestrom für jeden Ladevorgang neu eingestellt werden. Durch die Versorgung mit Solarstrom funktioniert sie komplett autark und kann somit auch in Gebieten ohne Stromanschluss eingesetzt werden.

Fragestellung

Wenn man ein Elektrofahrrad kauft, wird immer ein Ladegerät mitgeliefert, mit dem man dieses aufladen kann. Bei mehreren Elektrofahrrädern im Haushalt kann dies ziemlich unübersichtlich und mühsam werden. Dass jedes Elektrofahrrad ein eigenes Ladegerät hat, hat aber einen guten Grund: Es gibt verschiedene Akkuchemien (Lithium, Blei, NiMh, usw.), die wiederum verschiedene Nennspannungen aufweisen können (beispielsweise 36 oder 48 Volt). Aus dieser Problematik entstand die Idee, ein Ladegerät zu bauen, mit dem die meisten Elektrofahrräderakkus aufgeladen werden können. Dabei soll dieses Ladegerät mit erneuerbarer Energie betrieben sowie mit möglichst kleinem finanziellem Aufwand realisiert werden.

Methodik

Im Vorfeld der Arbeit wurden 2 Fachleute kontaktiert, die viel zu dem Projekt beitragen konnten. Somit war ein effizientes Vorgehen ermöglicht, das von Anfang an auf das Endprodukt fokussiert war.
Des Weiteren wurde vor dem effektiven Zusammenbauen der Komponenten ein Schaltplan erstellt und dieser mit den Fachleuten verbessert und besprochen. Er stellte die Grundlage für das praktische Vorgehen dar. In einem nächsten Schritt wurden die benötigten elektronischen Komponenten im Zusammenhang mit der entwickelten Software getestet und nach und nach in das Produkt integriert. Für die Softwarestruktur wurde ebenfalls ein Diagramm gezeichnet, um trotz der relativ aufwändigen Programmierung der Benutzeroberfläche den Überblick zu behalten.

Ergebnisse

Die Stromversorgung wird durch ein von „Bau- und Energieberatung Reto Niedermann“ gesponsertes Solarpanel mit 270 Watt Nennleistung sichergestellt, das zwei von „Banner Batterien“ gesponserte AGM-Akkus lädt. So kann das Elektrofahrrad auch am Abend geladen werden, wenn die Sonne nicht mehr scheint. Die Kapazität der Speicherbatterien mit 67Ah bei 24 Volt und die Leistung des Solarpanels von 270 Watt sind so ausgelegt, dass bei mehreren Tagen ohne Sonne und auch im Winter die Stromversorgung sichergestellt werden kann.
Das eigentliche Kernelement der Ladestation ist ein Gleichstromwandler, der die Spannung der Speicherbatterien auf die Ladespannung für den zu ladenden Akku wandelt. Als «Gehirn» der Ladestation ist ein Arduino Mikrocontroller verbaut, der den Touchscreen und den Gleichstromwandler steuert. Ein wichtiger Aspekt ist, dass der Mikrocontroller den Ladevorgang überwacht und bei einer Fehlfunktion automatisch abbricht. Er misst die Spannung des Akkus, die des Gleichspannungswandlers und den Ladestrom. So wird vermieden, dass beispielsweise ein 36 Volt Akku versehentlich mit 48 Volt geladen wird. Somit ist ein sicherer Einsatz gewährleistet.
Mit dieser Ladestation können Akkus mit bis zu 60 Volt Ladeschlussspannung geladen, sowie ein maximaler Ladestrom von 10 Ampere geliefert werden. Übliche Ladegeräte können ein Akku mit circa 4-6 Ampere laden.

Diskussion

Die entwickelte und gebaute Ladestation kann als der erste Prototyp der Produkteentwicklung betrachtet werden. Sie ist komplett funktionsfähig, ist aber noch weit von einer möglichen Kommerzialisierung entfernt. Das Produkt zur Marktreife zu bringen wäre denkbar, denn es ist gemäss meiner Recherche stand März 2020 die erste Ladestation für Elektrofahrräder, die komplett autark mit Sonnenstrom betrieben wird. Mit den kontaktierten Fachpersonen konnte der Prototyp besprochen sowie Verbesserungsmöglichkeiten diskutiert werden. Ein Nachteil der Ladestation ist, dass sie über keinen Anschluss für einen NTC-Widerstand verfügt, über den die Temperatur des Akkus kontrolliert werden könnte. Des Weiteren verfügt sie über keine digitale Kommunikationsmöglichkeiten wie CAN-Bus, weshalb die neueste Generation Akkus nicht geladen werden kann.

Schlussfolgerungen

Das erfolgreiche Projekt bietet noch Verbesserungsmöglichkeiten, die im Falle einer Kommerzialisierung umgesetzt werden sollten. Für meinen privaten Gebrauch reicht der Prototyp völlig aus. Mit der autarken Stromversorgung ist es eine Vorzeigeplattform in kleinem Massstab, wie wir in Zukunft mit der Herstellung und Verteilung der Energie umgehen sollten.

 

 

Würdigung durch den Experten

Robin Woodtli

Herr Fluri’s Entwicklergeist ist sehr beeindruckend.
Er hat sich mit viel Engagement und Wissbegierde tief in unterschiedliche Fachrichtungen eingearbeitet, um seine nachhaltige Innovation der Ladestation erfolgreich umzusetzen.
Die erstklassig abgerundete Arbeit mit der sauber strukturierten Dokumention belegt Herr Fluri’s professionelles Vorgehen.

Chapeau!

Prädikat:

hervorragend

Sonderpreis Metrohm – London International Youth Science Forum (LIYSF)

 

 

 

Kantonsschule Zofingen
Lehrer: Jürg Gabathuler