Entwicklung einer akkugepufferten Dynamo LED-Beleuchtungsanlage

[muenchner1968]

Worum geht es hier genau ?

- Um die Entwicklung einer kombinierten Akku/Dynamo Fahrrad-Beleuchtungsanlage, die ausschliesslich mit der Energie eines Nabendynamos betrieben wird, aber durch die Akkupufferung eine konstante Helligkeit während der Fahrt als auch eine Standlichtfunktion bietet.

Somit werden die Vorteile einer reinen Akku-Beleuchtung (immer konstante Helligkeit) mit den Vorteilen einer Dynamobeleuchtung (ständige Verfügbarkeit, Zuverlässigkeit) vereint.
Gleichzeitig kann man die Nachteile der Akkubeleuchtung (plötzlich leerer Akku während der Fahrt) und die Nachteile einer reinen Dynamobeleuchtung (Flackern bei geringen Geschwindigkeiten, ungleichmässige Helligkeit vor allem bei langsamer Fahrt) durch die Pufferung umgehen.

Was soll die Beleuchtungsanlage können:
- Aufladung des internen Akkus ausschliesslich über die vom Dynamo gelieferte Energie
- Überladeschutz des internen Akkus
- Tiefentladeschutz des internen Akkus
- Spannungsfest/Überlastfest auch bei hoher Geschwindigkeit und vollem Akku
- Bereitstellung von Konstantströmen für den LED-Frontscheinwerfer und das LED-Rücklicht
- automatisches Einschalten/Ausschalten
- keinerlei Bedienelemente oder Schalter
- keine Verwendung von mechanische Bauteilen (z.B. Relais)
- zeitlich begrenzte Standlichtfunktion mit anschliessender automatischer Abschaltung
- Keine Entladung des internen Akkus über Standby-Ströme im ausgeschalteten Zustand
- möglichst effiziente Auslegung der Elektronik um interne Verluste so gering wie möglich zu halten
- Eine einfache Elektroniksteuerung, die nur das absolut nötigste beinhaltet
- Verwendung von Batteriehaltern, um ein Austauschen der Akkus ohne Lötkolben zu ermöglichen
- Möglichst geringe mechanische Arbeiten beim Zusammenbau, einfacher Anschluss der Elektronik

Die Zutaten:
-die Ausgangsbasis für den Frontscheinwerfer bildet der allseits bekannte YINDING Lampenkopf
(die komplette Treiberelektronik wird entfernt, die beiden seriell verschalteten LED´s werden direkt angeschlossen)
- Für das Rücklicht wird ein Standardmodell (in diesem Fall ein Büchel "Champs Elysees") modifiziert
(die interne Elektronikplatine wird durch eine neu entwickelte Austauschplatine ersetzt)
- Die Elektroniksteuerung wird zusammen mit den internen Akkus ( 18650 LiFePo4 in 2S Konfiguration) in einem kleinen, externen Gehäuse untergebracht
- Es werden nur SMD-Bauteile verwendet, ein einseitig bestücktes Platinenlayout reicht aus

So, das war mal der Anfang, alles weitere kommt noch
Ein erster Prototyp existiert bereits und wird gerade am Labornetzteil geprüft und optimiert
Für neue Ideen oder Vorschläge bin ich immer offen

 

[Siam]

Schau Dir mal meine "Powerbox" an. Ist fast auf den Punkt genau das!

 

[effx]

Ruhig, Brauner

 

[muenchner1968]

Hallo Siam,

ich beobachte dieses Forum schon lange und kenne auch deine Powerbox.
Meine Schaltung ist ausschliesslich für die Beleuchtung gedacht (ohne Zusatzfunktionen)
Sonderfunktionen wie USB Ausgang sind zwar theoretisch möglich, waren aber nicht der Hauptgrund für diese Entwicklung
Durch einfache analoge Elektronik spare ich mir einen Microcontroller und kann den Eigenstromverbrauch der Steuerung auf etwa 2mA reduzieren.
Sicher werde ich durch diese recht simple Elektronik nicht das Maximum an Leistung herausholen, darum geht es auch nicht.
Die ganze Anlage ist eher für den Durchschnittsradler gedacht, der es bequem und einfach haben möchte

 

[Siam]

Bin schon gespannt! Wundert mich das es so etwas noch nicht zu kaufen gibt. Gerade die automatische An/Ausschaltung ist sehr praktisch...

 

[muenchner1968]

So, hier ist der Schaltplan:

 

[muenchner1968]

Hier nun die Funktionsbeschreibung:

Eingangsseitig ist das ein klassischer Brückengleichrichter, nur mit der Ausnahme das die oberen Dioden keine Schottkydioden sein dürfen.
(Die Leckströme bei Schottkydioden sind so hoch das sich die Schaltung selbst einschalten würde)
Wird das Fahrrad bewegt steigt die Eingangsspannung und lädt über D5 den Kondensator C1.
Die Spannund an C1 steigt und auch die Gatespannung von Q1.
Q1 wird leitend und schaltet alle Steuerleitungen für die Konstantstromquellen und die Ladespannungsbegrenzung auf Masse.

T1,T2,R5 und R6 bilden die Stromquelle für das Frontlicht:
Der Ausgangsstrom errechnet sich wie folgt: UBE(T1) : R6 = 0,6V : 1,95 Ohm = 307,7mA

T3,Q2,R7 und R8 bilden die Stromquelle für das Rücklicht:
Der Ausgangsstrom errechnet sich wie folgt: UBE(T3) : R8 = 0,6V : 18 Ohm = 33,3mA

Die Gesamtstromaufnahme beträgt in der Praxis ewa 340mA für die komplette Beleuchtung.
Bei einem zu erwartenden Eingangsstrom von Dynamo von etwa 450mA bleibt also ein Ladestrom von 450mA-340mA=110mA übrig.

Die Ladespannungsbegrenzung aus IC1, R2, R3, R4 und Q3 begrenzt bei:
( ( R2 + R3 ) : R3 ) x 2,5V = ( ( 10K + 5K6 ) : 5K6 ) x 2,5V = 6,96V
Bei zwei in Reihe geschalteten Akkus macht das eine max. Ladespannung von 6,96V : 2 = 3,48 V pro Akku
Damit liegt man unterhalb der Maximalladespannung von 3,65V pro Zelle.
Dadurch verliert man zwar etwas Kapazität, die Lebensdauer steigert aber erheblich.
Wird nun dieser Überspannungsschutz aktiv, wird Q3 durchgesteuert und leitet den überflüssigen Strom in den Frontscheinwerfer.
Die Gesamtspannung und damit die max. Ladespannung bleibt dadurch konstant und der Scheinwerfer wird heller.

Im Stand entlädt sich C1 langsam über R1 bis die Gatespannung von Q1 unter die Schwellspannung fällt und Q1 damit sperrt.
In der aktuellen Dimensionierung ergibt das eine Standlichtdauer von etwa 38 s.
Ist das Licht aus fliessen keinerlei Standbyströme die den Akku entladen können.

Alle gewünschten Funktionen sind damit abgedeckt und das alles mit recht wenig Aufwand.

 

[nikolauzi]

Erstmal recht einfach und sollte soweit funktionieren. Gut erkannt mit den oberen beiden glr Dioden
Wird ja oft bei Solarlampen falsch gemacht...Aber: was für Akkus sind das mit der Endspannung? Da fehlt ev. für die Dauerfestigkeit die Symmetrierung?!

Der Nikolauzi

 

[muenchner1968]

Die verwendeten Akkus sind 2S LiFePo4 18650 Zellen
Ladeschlußspannung 3,65V (bei mittleren Ladeströmen), Entladeschlußspannung (bei geringer Last 2,50V)
Diese Zellen sind wesentlich robuster als die üblichen Lithium-Zellen (bezüglich Temperatur, Überladung, Tiefentladung), haben eine nahezu konstante Entladekennlinie, einen extrem niedrigen Innenwiderstand und passen auch von der Nennspannung (3,2V/3,3V) am besten für diesen Anwendungszweck.
Der Preis für die Robustheit ist die deutlich kleinere Kapazität im Vergleich mit anderen Lithiumzellen gleicher Baugröße.
Eine Symmetrierung ist bei den recht kleinen Strömen (Entladestrom 340mA, Ladestrom ca. 110mA) nicht erforderlich.
Wie bei jedem Akkupack sollte man aber generell Zellen vom gleichen Hersteller, vom gleichen Typ, möglichst gleicher Produktion und vor allem mit gleicher "Vorgeschichte" verwenden. Die Zellen sollten von Anfang an immer nur gemeinsam verwendet werden.
Somit kann ein mögliches Auseinanderdriften der Zellspannungen deutlich geringer gehalten werden.
In der Praxis ist der Drift bei diesen Zellen von Hause aus recht gering, auch ohne Symmetrierung.

 

[plattfusz]

Nette Schaltung. Funktioniert die Geschichte mit 2 LEDs vorne in Serie? Deine Stromquelle hat ja knappe 1V drop.
Ich würde die Geschichte auf 3s aufbohren und die LEDs mit maximalen Dynamostrom fahren. Man will ja Nachts was sehen.

 

[Siam]

Wirklich schöne Sache, für jedermann nachzubauen! Plattfusz Frage kam mir auch da es vermutlich zu knapp wird mit 2 LEDs und mit einer der Wirkungsgrad doch extrem gering ist. Es würde sich anbieten eine linear-KSQ mit Opamp und Fet zu bauen da man so den Drop fast beliebig klein bekommt. Alternativ eine additive Komponente zu der Basis von T1 von der Masse aus (die Schwankung des Stromes durch die Batteriespannungsschwankung ist vernachlässigbar) und einen kleineren Shunt (ich denke man kann auf so 0,1 V gehen). Das sind dann ja nur 2 Widerstände zusätzlich.
Bezüglich Zellendrift denke ich auch das es keine Probleme gibt. Und 3,4V/Zelle reichen bei kleinem Ladestrom (CV-Ladung bis 0mA) für rund 95% Kapazität. Alles also absolut im grünen Bereich.

Schön, gibt ein einfaches und somit auch Robustes Kistchen...

 

[muenchner1968]

Zum Themo Dropspannung:
Es wird der Lampenkopf der bekannten und beliebten YINDING verwendet (nur der Lampenkörper selbst, ohne Akkupack)
Die Lampe wird aufgeschraubt, die Treiberplatine ausgelötet, die Led`s direkt angelötet und zum Schluß wird wieder alles zugeschraubt.
In der Schaltung werden die dort verwendeten in Reihe geschalteten zwei Cree XM-L2 Leds´ nur mit 0,3A bestromt.
Die direkt an der Lampe gemessene Durchlassspannung beider Led´s zusammen liegt bei 5,45V.

Bei der Konstantstromquelle arbeitet T1 nicht im gesättigten Betrieb, der Kollektorstrom liegt zudem unter 0,5mA.
Das ergibt eine Ube von nicht mehr als 0,6V die als Dropspannung auch an R6 anliegt.

Bei T2 handelt es sich um einen "2.5V Specified PowerTrench MOSFET" mit einem RDS(ON)=0.050Ω@VGS=–4.5 V.
Der minimale Spannungsabfall an T2 errechnet sich also wie folgt:
U = I x R = 0,3A x 0,05Ω = 0,015V also 15mV

Rechnet man nun mal zusammen welche Spannung insgesamt benötigt wird:
5,45V (Led´s) + 0,6V (Ube von T1) + 15mV (UDS T2) = 6,065V

Bei einer Akkuspannung von 2 x 3,3V = 6,6V bleibt also noch 6,6V - 6,065V = 0,535V übrig.
Das reicht locker für alle Eventualitäten:
(Spannungsabfall in den Kabeln zur Lampe, Spannungsabfall an den Kontakten des Batteriehalters, Abweichungen in den typischen Werten von den Led´s und T1)

Man kommt also ganz bequem mit dieser einfachen Transistor-KSQ aus.

Zum Thema "LEDs mit maximalen Dynamostrom fahren":
Wenn man allen verfügbaren Strom in die Lampe leiten würde hat man sicherlich auch mehr Licht.
Aber was bleibt dann noch als Energie für das Standlicht übrig ? .... Hmmm, NIX
Das ist nicht gerade sehr überzeugend.
Es gibt keine externe Lademöglichkeit, es wird einzig und allein die Energie benutzt die vom Dynamo kommt.
Man muss also sprichwörtlich was auf die hohe Kante legen für schlechte Zeiten, anders geht es nicht.

 

[JuergenH]

Probier es einfach aus, du wirst sehen, dass der Akkupack unter 6V die Lampen deutlich dunkler werden lässt. Damit nutzt du die Kapazität des Akkus nur teilweise. Ich habe seit zwei Jahren einen 6-zelligen NiMH-Akku, den ich mit einem (Mosfet-) Gleichrichter auflade. Die Lampe (2 x XM-L) werden mit einer low-drop-Stromquelle betrieben. Diese hat einen Drop von maximal 150mV. Damit kann ich die Akkukapazität fast zu 100% ausnutzen.

Der Thread über den Stromregler ist schon alt, aber es gibt ihn noch: http://www.mtb-news.de/forum/t/5-watt-led-lampe.101010/page-5

Jürgen

 

[muenchner1968]

Die verwendeten LiFePo4 Zellen (A123 APR18650M1A) haben eine Nennkapazität von 1100mAh.
Der Entladestrom beträgt konstant etwa 340mA, das ergibt eine Entladerate von etwa C/3.
Bei dieser geringen Entladerate bleibt die Akkuspannung von LiFePo4 Akkus bis zum Schluß fast konstant auf Nennspannung.
Die Durchlasspannungen der Led´s bleiben bei konstantem Strom ebenfalls fast konstant. (Abgesehen von geringen Temperatureffekten)
Ergo bleibt auch die Differenzspannung zwischen Akkuspannung und der Spannung an den LED´s fast konstant.

Ob ich die Differenz von 6,6V (Akku) - 5,45V (Led´s) = 1,15V nun mit einer Transistor-KSQ oder mit einer OP-KSQ verheize spielt keine Rolle
Auf die nutzbare Kapazität der Akkus hat es keinen Einfluß, egal welche KSQ verwendet wird.

Ich stimme voll und ganz zu, das unter 6V das ganze Licht deutlich dunkler wird.
Hauptsächlich sind dafür die Led´s in der Frontlampe verantwortlich, die aufgrund ihrer Kennlinie den Stromfluß verringern.
Wenn sich die Stromaufnahme der Lichtanlage verringert, steigt bei gleichem Eingangsstrom automatisch der Anteil des Ladestromes.
Mit steigendem Ladestrom steigt auch die Akkuspannung wieder mehr an.
Wenn ich am Labornetzteil eine Spannung von genau 5V einstelle (=nominelle Entladeschlußspannung von 2 Akkus nach Datenblatt) beträgt die Stromaufnahme der ganzen Lichtanlage nur noch etwa 50mA.
Bei einem nominellen Eingangsstrom von etwa 450mA (Durchschnittliche Fahrgeschwindigkeit) würde in so einem Fall also der Ladestrom 8x so hoch sein wie die Stromaufnahme.
Das reicht also locker um die Akkuspannung wieder hoch zu bekommen.
Diese Art von Schutzmechanismus war von Anfang an schon in der Entwicklungsphase berücksichtigt.

Licht hat man auf jeden Fall immer, die Gefahr das man plötzlich im Dunkeln steht besteht also nicht.

 

[dkc-live]

Nettes Teil

Find ich eine gute Idee. Die Ying ding sollte auch heller sein als die meisten Dynamo Lampen am Markt

 

[Siam]

Mich würde mal interessieren wie sich das Leuchtbild der YD ändert wenn man die XM-L gegen eine SSL80 tauscht. Könnte bei Dynamobetrieb nicht verkehrt sein um etwas Reichweite zu bekommen.

 

[plattfusz]

Klar kann man das so machen. Nur ist die Ausbeute recht mager. Du hast die rotationssymmetrische YD und betreibst jede LED mit ~0,8W. Ich fürchte daß da nicht viel davon auf der Straẞe landen wird.

 

[muenchner1968]

Mal ein paar Informationen zur Lichtleistung:

Spannung an den Led´s: 5,45V
Strom: 0,3A
Das ergibt also: P = U x I = 5,45V x 0,3A = 1,635W gesamt, pro Led also rund 0,8W

Bei dieser relativ geringen Leistung , guter Anbindung an den Kühlkörper und Kühlung durch den Fahrtwind kann man von einem realistischen Wirkungsgrad für die XM-L2 im Bereich zwischen 120-130 Lumen/Watt ausgehen.
(für die Rechnung nehme ich mal den Mittelwert).
1,635W x 125 Lumen/Watt = 204,4 Lumen, also rund 200 Lumen
Bei den TIR-Linsen gehe ich man von einem pessimistischen Wirkungsgrad von 80% aus.
Macht also 204,4Lumen x 0,8 = 163,5 Lumen , also rund 160 Lumen

Mit 160 Lumen die man auf die Strasse bringt liegt man auf dem Niveau eines sehr guten LED-Dynamoscheinwerfers.

Das reicht problemlos für den geplanten alltäglichen Einsatz, für mehr Reichweite (Fernlicht) ist es definitiv zu wenig.

 

[Siam]

Ich denke das "Problem" von mir, Kadikater und anderen hardcore-Bastlern ist das wir immer zur Optimierung auf das technisch machbare neigen. Was rauskommt sind natürlich am Ende immer wieder hochkomplexe Geräte die keiner mehr nachbauen kann.
Du hast schon recht wenn Du Dir klare Grenzen setzt was den Aufwand angeht, Dein Weg ist schon gut so. Infos was alles geht hast Du ja hier im Forum und nimmst diese ja auch mit, was ja viele Hersteller nicht mal machen. Finde ich gut.

 

[JuergenH]

Siam, Kadikater, ja, mir geht es genau so. Aber in diesem Fall würde ich es fast wagen, in das andere Extrem zu gehen: wenn die Spannung der LiFe-Akkus wirklich so stabil ist, dann braucht man sich nicht mit aufwendigen Stromquellen plagen. Da dürfte doch ein passend dimensionierter Widerstand reichen. Dann bleibt maximal ein Tiefentladeschutz für den Akku übrig.

Immer nach dem Motto: was nicht vorhanden ist, kann auch nicht kaputt gehen.

Jürgen

 

[muenchner1968]

Die Konstantstromquellen haben durchaus ihre Berechtigung:

Rücklicht:
Das Rücklicht liegt ja aufgrund der Montage nicht immer im direkten Blickfeld, einen Ausfall würde man vielleicht nicht sofort sehen.
Wenn alles nominal läuft würde das mit einem einfachen Vorwiderstand gehen.
Tritt bei der Verkabelung aber irgendwann ein Kurzschluss auf, würde der Vorwiderstand sofort überlastet und durchbrennen.
Die Folge ist ein dauerhafter Ausfall, eine Reparatur wäre nötig.
Mit der Strombegrenzung wird nur Q2 wärmer, wegen der geringen Leistung steckt er das problemlos auch dauerhaft weg.
Die Lichtanlage nimmt also in so einem Fall keinen Schaden.

Frontlicht:
Die Variation in der Akkuspannung ist recht gering aber vorhanden, bei einem benötigten niederohmigen Widerstand würde aber selbst eine geringe Spannungsänderung eine deutlich grössere Stromänderung mit sich bringen.
Mit Widerstand hat man bei einem möglichen Kurzschluß wieder das Risiko eines dauerhaften Ausfalls.
Einen langfristigen Kurzschluß packt der SMD-Mosfet T2 nicht, er würde die Wärme nicht wegbekommen.
Kurzfristig geht das ohne Probleme, da die Lampe ja immer im Blickfeld liegt kann man dieses Risiko eingehen.

Bei entsprechender Umdimensionierung könnte man auch einen dauerhaften Kurzschluß beim Frontlicht wegstecken.
Dies würde aber mehrere Änderungen mit sich bringen:
-einen anderen Transistor (TO-220)
-einen Kühlkörper geeigneter Größe
-elektrisch isolierte Montage bei dem TO-220 Transistor
-insgesamt also mehr Montagearbeiten beim Aufbau der Schaltung
-Nötigenfalls sogar ein grösseres Gehäuse

In der hier beschriebenen SMD Variante gestaltet sich der gesamte Aufbau absolut einfach (beinahe idiotensicher).
-SMD-Bauteile bestücken
-Kabel an die Platine anlöten, Akkus einlegen
-Platine ins Gehäuse einlegen
-Kabeldurchführung montieren
-die grobmechanischen Arbeiten beschränken sich auf das Bohren eines einzigen Lochs im Gehäuse
-bis auf die Platinen bekommt man alles andere "von der Stange"

 

[plattfusz]

Mit 160 Lumen die man auf die Strasse bringt liegt man auf dem Niveau eines sehr guten LED-Dynamoscheinwerfers.
Das reicht problemlos für den geplanten alltäglichen Einsatz, für mehr Reichweite (Fernlicht) ist es definitiv zu wenig.

Du wirst dich wundern wie wenig bei einer Yingding auf der Straße landet. Das sind prima Lämpchen für Offroad, die ordentlich bestromt auch ein ordentliches Pfund raushauen. Von den angepeilten 160 Lumen werden nur ~60 auf der Straße landen. Der Rest beleuchtet die Baumwipfel und blendet den Gegenverkehr.

 

[Siam]

Deswegen meinte ich mal die XM-L durch eine SSL80 zu ersetzen. Bei den meisten Optiken erhält man weitaus besser gebündeltes Licht.

 

[muenchner1968]

Die Yinding wurde aus folgenden Gründen verwendet:
- serielle Verschaltung von 2 Led´s
- effiziente XM-L2 Led´s
- gute thermische Anbindung an das Gehäuse
- Größe
- Gewicht
- Preis
- einfacher Umbau für meine Zwecke

Über das nicht STVZO-konforme Leuchtbild der Yinding braucht man hier wohl nicht zu diskutieren.
Das dürfte allen bekannt sein.
Die Elektroniksteuerung wurde mit Absicht in ein separates Gehäuse eingebaut um in der Wahl der Lampe nicht festgelegt zu sein.
Sollte sich ein gleichwertiger STVZO-konformer LED-Scheinwerfer finden lassen kann man diesen ohne Bedenken verwenden.
Ich habe auch nach langer Suche leider nichts gefunden.

 

[inselfan]

Es paßt hier dazu aber auch nicht so richtig, jedenfalls habe ich mich der gleichen Aufgabe verschrieben, aber auf etwas komplizierter Basis, Mosfetgleichrichter mit R2R OPV, Step-up-down Konverter, um aus jeder anliegenden Spannung vom Dynamo 12,6V als Ladeschlußspannung von 3 Stück LiIon 18650 zu machen, ein Mosfetdiodenersatz vor der Batterie, der ca 50mV "schluckt" und 10µA Rückstrom aus der Batterie nimmt. Dazu kommen 2 in Reihe geschaltete XML LED mit 1A Konstantstrom digital und eine "Tagesfahr-LED" CREE mit 0,2A Konstantstrom digital. Beide Zweige sind einzeln einschaltbar und über 2 Dioden wird die Rücklichtspannung abgeleitet. Rücklicht arbeitet extra mit 3 roten LED und Konstanstromquelle analog. Die Konstanstströme werden mit je einem ZXLD 1360 von Zetex erzeugt. USB- Ladeanschluß für alle Fälle über einen Step down Wandler und eine Energiebilanzanzeige + oder - ergänzen das ganze Ding. Den Aufwand habe ich getrieben, um eine maximale Energieausbeute zu erzielen. Habe ich gedacht...... Jetzt habe ich alles zusammengeschaltet und mußte feststellen, daß der Wandler mit dem XL 6009, der die 12V erzeugen soll, prinzipiell funktioniert, aber nicht mit Spannungsquellen, die einen hohen Innenwiderstand wie zB ein Nabendynamo haben, funktioniert. Der Wandler läßt die Eingangsspannung auf 2,7V zusammenbrechen, nimmt dazu den angebotenen Strom (Dynamo ca. 0,5-0,6A) und erzeugt damit die mögliche Leistung von ca. 1,3W. Obwohl er höhere Spannungen angeboten bekommt, bleibt er in diesem Modus, bis er den Strom erhält, um die Ausgangsleistung (Ladestrom Batterie, Beleuchtung) zu erzeugen. Der liegt u.U bei mehreren Ampere. Danach ist er mit der angebotenen höheren Spannung zufrieden und nimmt den Strom zurück. Das Problem ist im Gegensatz zum Ziel eine hundsmiserable Energieausbeute. Nun bin ich festgefahren mit meinem Konzept. Hat jemand einen Tip?
Die Step-up-down Wandler werden ja auch für Solarmodule angeboten, um die stark schwankende Zellenspannung auf eine konstante Ladespannung zu bringen. Das kann doch auch nicht funktionieren, oder ist es eine spezifische Schwäche des XL 6009?
Falls es nicht recht hierher paßt, bitte ich um Entschuldigung!