E-Roller
Im Frühjahr 2014 hat Sohnemann in einer Vorlesung an der Hochschule Pforzheim die Idee aufgenommen, einen normalen, auf dem Markt erhältlichen Cityroller auf Elektroantrieb umzubauen. Der Professor hat seine Version eines solchen Umbaus mit in die Vorlesung gebracht, um zu zeigen was mit einfachen Mitteln möglich ist. Hintergedanke der Hochschullösung ist die Realisierung einer StVO-konformen Umsetzung, so dass der Roller im öffentlichen Straßenverkehr eingesetzt werden kann und darf. Dabei sollte die Steuerung mit preiswert erhältlichen Teilen aus dem Modellbau realisierbar sein.
Konkret wird der Roller des Professors mit einem Heli-Controller betrieben, der im sogenannten Governor-Mode arbeitet. In diesem Modus wird eine Maximaldrehzahl fest voreingestellt, die der Controller eigenständig unter allen zulässigen Belastungen einhält. In der Anlaufphase wird der Motor in dieser Betriebsweise langsam hochgefahren, nachdem der Controller den Befehl zum Start erhalten hat. Der Startbefehl lässt sich über einen Taster auslösen, so dass die Steuerung des Rollers mit diesem Setup denkbar einfach gehalten ist. Gebremst wird mit dem original vorhandenen Schutzblech, das mit dem Fuß auf den Hinterreifen gedrückt wird.
Bezüglich des Betriebs eines solchen, auf Elektroantrieb umgebauten Rollers sind umfangreiche Vorschriften seitens StVO (Straßenverkehrsordnung), StVG (Straßenverkehrsgesetz), StVZO (Straßenverkehrszulassungsordnung) und FZV (Fahrzeugzulassungsverordnung) zu beachten. Außerdem besteht Versicherungspflicht.
Die Kurzfassung: Der Betrieb des in Eigenregie auf Elektroantrieb umgebauten Rollers im öffentlichen Straßenverkehr ist verboten. Bei Nichtbeachtung ist mit Bußgeld und Strafe zu rechnen.
Nach dem Umbau auf Elektroantrieb - genaugenommen nach jeglicher Änderung am Original - darf der Roller also ausschließlich auf Privatgrund betrieben werden. Hier ist jeder Nachbauwillige gehalten, sich im Vorfeld kundig zu machen und sich entsprechend zu verhalten. Dies gesagt, geht es jetzt an die technische Umsetzung.
Der Roller wurde bereits mehrfach von Studenten nachgebaut - was aus der Idee in unserem Hause geworden ist, stelle ich hier vor.
Grundstock für den Umbau ist der Big Wheel Air 205 von Hudora. Der Roller hat
luftgefüllte Gummireifen auf Vier-Speichen-Alufelgen die die Montage des Antriebszahnrades am Hinterrad mittels vier Stahlschrauben relativ einfach machen. Die
Wahl eines Rollers mit luftgefüllten Reifen ist alleine dem Komfort geschuldet, Roller mit Vollgummireifen sind sicher ebenfalls geeignet.
Die elektrischen Betriebsmittel sind Teile aus dem umfangreichen und vergleichsweise preiswerten Programm von HobbyKing, allerdings sind die Lieferungen aus China traditionell recht lange unterwegs. Lieferzeiten um die 6 Wochen und mehr sind keine Seltenheit und bei den hier in Frage kommenden Teilen geht die Lieferung ziemlich sicher durch den Zoll, werden also letztendlich nochmal teurer. Man sollte also prüfen, ob die gewünschten Teile nicht im German oder European Warehouse von HobbyKing erhältlich sind, hier entfällt die zollrechtliche Behandlung und die Lieferzeiten sind deutlich kürzer. Die Vorteile erkauft man sich natürlich mit höheren Katalog-Preisen.
Der Antriebsstrang wird mit Teilen aus dem Werkzeugmaschinenbau aufgebaut, konkret sind das ein Kettenrad mit 57 Zähnen und ein Ritzel, verbunden mit einer passenden Kette. Durch den linearen Zusammenhang zwischen Betriebsspannung, Kv-Wert des Brushless-Motors und Übersetzung des Kettenantriebs ist es möglich, im Vorfeld die notwendige Zähnezahl des Ritzels zu bestimmen, nachdem die Versorgungsspannung des Antriebs festgelegt war. Der einschränkende Parameter für die Wahl des Kettenrades ist dessen Außendurchmesser. Dieser sollte etwas kleiner als der Durchmesser der Felge sein.
Hier in loser Folge ein paar Ansichten verschiedener Baustufen des Rollers.
Das Kettenrad wird mit vier Schrauben parallel zur Felge mit über die Schrauben einstellbarem Abstand befestigt:
Das innere Loch des Kettenrades muss mit einem Stufenbohrer soweit aufgebohrt werden, dass die Achse der Felge hindurch passt:
Die Kette läuft in dem schmalen Spalt zwischen Hinterrad und Achsträger:
Der Abstand zwischen Felge und Kettenrad wird mit Muttern so eingestellt, dass die Kette mittig zwischen Achsträger und Reifen läuft und nirgendwo schleift. Natürlich muss das Kettenblatt absolut parallel zur Felge montiert sein, was etwas knifflig ist, da die Muttern durch die kleinen Öffnungen in der Alufelge nur schlecht erreichbar sind. Alle Schrauben und Muttern werden vor der endgültigen Montage mit Schraubensicherungslack gegen Lösen gesichert.
Die Motorachse muss passend gekürzt werden, auf Grund der Härtung der Achse ein anstrengendes Unterfangen, falls das mit einer Handsäge durchgeführt werden muss. Der Innendurchmesser des Ritzels war zu klein, musste also ebenfalls zuerst auf den Achsdurchmesser aufgebohrt werden. Um das Ritzel auf der Achse mit einem Splint zu sichern müssen beide Teile durchbohrt werden. Wir haben zur Sicherung eine sogenannte Spannhülse in passender Länge verwendet.
Der Roller wird mit zwei in Serie geschalteten 5 Ah LiPo-Akkus mit je 3 Zellen betrieben,
was eine Spannung unter Last von ca. 22 V bei voll geladenen Akkus ergibt. Mit der Kennzahl 149 Kv des Motors ergibt sich eine Höchstdrehzahl von 3300 U/min was mit
der gegebenen Zähnezahl von 10 des Ritzels und 57 des Kettenrads nach ein wenig Mathematik in einer Abrollgeschwindigkeit von 747477 mm/min am Hinterrad resultiert.
Damit würde der Roller also bei Vollgas ca. 44 km/h schnell fahren. 7 km/h sind für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug zulässig. Da eine Änderung der Übersetzung auf
Grund der mechanischen Gegebenheiten nicht möglich ist, muss die erreichbare Höchstdrehzahl in der elektronischen Steuerung begrenzt werden.
Das kann, wie oben beschrieben, durch den Betrieb des Heli-Controllers im Governor-Mode erreicht werden.
Wir wollten allerdings eine stufenlos einstellbare Geschwindigkeit realisieren, dazu später mehr.
Für erste Tests wurden die Akkus und der Heli-Controller an geeigneter Stelle mit Tape befestigt.
Die Signale für den Heli-Controller wurden dabei mit einer normalen Fernsteuerung erzeugt, was grenzenloses Vertrauen zwischen Fahrer auf dem Roller und Pilot am Gashebel (an der Fernsteuerung) voraussetzt :-)
Die von uns bevorzugte Methode ist eine stufenlose Einstellung der Drehzahl mittels Daumen-Gashebel, wie das z.B. bei einigen E-Bikes realisiert ist.
Der neben dem Tacho sichtbare Microschalter ist nicht in der Lage, den Erregerstrom für das Power-Relais zu liefern, er schaltet nur einen FET auf der Controller-Platine. Der selbe FET wird vom Controller gesteuert um den Sleeptimer zu realisieren.
Da wir einen normalen Heli-Controller verwenden, kann dessen Drehzahl durch PPM -Signale, wie sie von handelsüblichen Fernsteuerungen abgegeben werden, eingestellt werden. Solche Signale können z.B. mit einem einfachen, sogenannten Servo-Tester erzeugt werden, der mit einem Gleichspannungssignal, einzustellen mit einem Poti, angesteuert wird. Alternativ zum Selbstbau einer Lagerung für ein Poti und einem Hebel zu dessen Betätigung verwenden wir besser einen käuflich erhältlichen Daumen-Gashebel, der einfach auf dem Lenker befestigt werden kann und das Steuersignal für den Speed-Controller mittels Hallsensor verlust- und verschleißfrei erzeugt. Alternativ sind heute (Stand 02/2016) auch komplette Gas-Drehgriffe für Pedelecs erhältlich.
Wie bereits beschrieben verlangt der Heli-Controller ein PPM-Signal, der Daumen-Gashebel gibt aber eine einstellbare Gleichspannung ab.
Um das System so variabel wie möglich zu gestalten, haben wir uns entschlossen, einen Atmel Micro-Controller des Typs AtMega8 zu verwenden, der auf einer speziell entworfenen Platine mit Anschlüssen für alle möglichen Erweiterungen platziert wird. Dieser Microcontroller wird mit BASCOM programmiert, wertet per Programm die vom Daumen-Gashebel erzeugte Gleichspannung aus und erzeugt passende PPM-Signale für den Heli-Controller. Hier ein Bild der zuletzt eingesetzten Version 3 der RollerControl Steuerung:
Da das Layout einseitig entflochten ist, müssen zwei Signale mit Drähten verbunden werden.
Der nicht bestückte Vierfach-Stecker oberhalb des Microcontrollers führt den Hardware -I²C-Anschluss des Microcontrollers nach außen. Er kann zum Anschluss eines I²C-Displays genutzt werden. Ebenso denkbar ist der Einsatz eines 6DOF Bewegungssensors mit I²C-Anschluss. Damit wäre z.B. möglich ein drohendes Wheelie abzufangen (passende Reduzierung der Antriebsleistung) oder das Gefährt eventuell doch STVZO gerecht zu machen (die Geschwindigkeit wird nicht mit dem Daumen-Gashebel sondern mittels Abstoßen mit dem Fuß am Boden eingestellt, so bereits realisiert beim Smart Ped von FlyKly. Damit könnte zumindest die Versicherungspflicht entfallen).
Nachdem die Grundfunktionalität - Erzeugung eines PPM-Signals proportional zur angelegten Gleichspannung - implementiert war, kamen nach und nach Goodies hinzu, die den Betrieb des Rollers angenehm und einfach machen. So wurde z.B. eine Beschleunigungsrampe implementiert, die das Anfahren unkritisch werden lässt, zieht doch der Motor mit ca. 1 PS am Hinterrad. Wird diese Kraft schlagartig auf den Antriebsstrang losgelassen, ist die Beanspruchung der Kette viel zu hoch, nicht zu vergessen, dass der Roller im Zweifelsfall ein Wheelie macht und den Fahrer abwirft. Außerdem hat sich als notwendig erwiesen, das Eingangssignal vom Daumen-Gashebel zu glätten, da beim Fahren jede Unebenheit dazu führt, dass der Daumen mit dem Hebel wackelt, was zu einem sehr unruhigen Fahrstil führt.
Als unbedingt notwendig erwiesen hat sich im weiteren Betrieb der Einbau eines Sleeptimers. Die verwendeten LiPo-Akkus vergeben eine zu tiefe Entladung nicht, es kann sogar passieren, dass der Akku in Flammen aufgeht, wenn er tiefentladen wird. Eine zu tiefe Entladung gilt es also unbedingt zu verhindern.
Die Verwendung eines Microcontrollers für die Steuerung macht das recht einfach. Vergisst man nach dem Fahren, den manuellen Schalter auszuschalten, läuft ein 3 Minuten Timer ab, wenn in dieser Zeit nicht wieder Gas gegeben wird. Sowohl Schalter als auch Timer schalten das komplette System über ein Hochlastrelais vollkommen ab, es fließen keine Restströme, die den Akku über längere Zeiträume dennoch tiefentladen könnten.
Relais und Controller sitzen geschützt im Rahmen unterhalb der Trittfläche:
Die Akkus sind unterhalb und vor dem Trittbrett mit Tape befestigt und mit einem Alu -Winkel gegen Verrutschen gesicher, das Trittbrett bleibt so auf ganzer Fläche frei für die Füße:
Für den Betrieb bei Nässe und allgemein zum Schutz gegen Schmutz ist der Hohlraum unterhalb des Trittbretts komplett mit Tape abgedichtet.
Im Bild oben ist der Roller bereits mit zwei Sätzen Akkus ausgerüstet um die Reichweite zu erhöhen. Die Akkus sind in 2S2P verschaltet, also jeweils zwei Akkus in Serie und diese beiden Seriellschaltungen dann parallel. Der zweite Satz Akkus ist oberhalb des Trittbretts montiert.
Ein Fahrradtacho (passend einstellbar für den geringen Radumfang des Rollers), ein Scheinwerfer und ein Rücklicht vervollständigen die elektrische Ausstattung des Rollers:
(Click auf das Bild für Detailaufnahmen des Rücklichts)
Das Frontlicht erwies sich als zu schwach, weshalb hier nochmal nachgerüstet wurde:
Da diese Power-LED die Fahrbahn taghell ausleuchtet, wurde ein Dimmer vorgeschaltet, der in einem kleinen Kunststoffkästchen Platz findet:
Wie beim Muster des Professors wurde unser Roller anfangs ebenfalls mit dem Schutzblech auf dem Hinterrad abgebremst. Um den ohnehin durch den kräftigen Motor arg heran genommenen Hinterreifen nicht auch noch mit dem Bremsen zu belasten, haben wir den ersten Heli-Controller durch eine Version ersetzt, die Bremsen durch Rekuperation - Rückspeisung von elektrischer Energie in den Akku, gewonnen aus der mechanischen Bewegungsenergie über die Generatorfunktion des Motors im Schiebebetrieb - ermöglicht.
Angedacht war, die Bremswirkung mit dem Daumen-Gashebel dosierbar zu machen, das wird von dem verwendeten Heli-Controller aber leider nicht unterstützt. Folglich hat der Roller nur eine Bremstaste, die die Bremse sofort und maximal stark aktiviert. Man belastet also tunlichst das Hinterrad durch Gewichtsverlagerung, bevor die Bremse betätigt wird.
Das in BASCOM geschriebene Programm für die Steuerung des Rollers im momentanen Setup wird als Sourcecode zur Verfügung gestellt. Das aus der BASCOM Source erzeugte Compilat liegt knapp über der Grenze von 2 kByte, lässt sich also mit der Freeware -Version von BASCOM nicht mehr erzeugen. Durch geschickte Optimierungen ist aber sicher eine passende Reduzierung des Codes erreichbar, der geneigte Nachbauer ist hier selbst gefordert.
Update
Sporadisch bleib die Bremsfunktion des ESC aktiviert, auch nachdem die Bremstaste
gelöst wurde. Dieses Verhalten wurde behoben indem nach dem Lösen der Bremstaste ein sehr kurzer “Gas-Stoß” ausgegeben wird. Dadurch nähert sich der PPM-Wert für den
ESC wieder “von oben”, so als ob nur das Gas weggenommen worden wäre. Das geänderte Programm zum Download.
Die EAGLE Dateien der Microcontroller-Platine RollerControl V3 liegen ebenfalls zum Download bereit. Hier das Schaltbild der Steuerung:
(Click auf das Bild für größere Darstellung)
So sieht die Schaltung mit EAGLE 3D gerendert aus:
Bei Fragen zu technischen Einzelheiten, die in unserem Bericht nicht enthalten aber wichtig für das Gelingen sind, bitte einfach eine Mail schreiben.
So, jetzt bleibt uns nur noch übrig viel Spaß bei einem eventuellen Nachbau zu wünschen :-)
Und auf die Gefahr hin zu nerven, nochmal der Hinweis, dass der Betrieb des umgebauten Rollers im öffentlichen Straßenverkehr verboten ist!
Nachtrag
Nach den ersten paar Hundert Kilometern bei Wind und Wetter zeigen sich erste Verschleißerscheinungen am Motor, hervorgerufen durch Piloten, die ihren Schuh zu weit nach hinten positioniert haben. Schön zu erkennen die Schleifspuren am Umfang des Rotors. Der Motor steckt das übrigens besser weg als der Schuh ;-)
Auch schön zu sehen das von der Kette abgeschleuderte Fett an der Felge.
Bei Nässe schleudert das Hinterrad Dreck bis auf den Rücken des Fahrers, weshalb eine Verlängerung aus Tape am Schutzblech angebracht wurde.
Erfahrungen im Winter
Es stellte sich heraus, dass die Impulserzeugung nicht stabil genug läuft. Ein neuer Controller muss her.
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