Der gesamte Funktionsablauf der induktiven Ladung wird in die folgenden Einzelstationen und Komponenten aufgeteilt. Dabei wird unterschieden zwischen stationäre und mobile Komponenten. Die stationären Komponenten sind am Gebäude oder Ladeort montiert und am Stromnetz angeschlossen. Die mobilen Komponenten befinden sich an der E-Rikscha unter der Transportbox, um dort eine gute Wärmeabfuhr und Erreichbarkeit zu gewährleisten.

Abbildung: Funktionspictogramm, nicht maßstabsgetreu

Einspeise-Steller TPS (stationär)

Dieser wandelt die Wechselspannung des Drehstromnetzes, welches eine Frequenz von 50 Hertz hat, in hochfrequente Wechselspannung mit 25k Hertz.

Feldplatte TFS (stationär)

Diese am Boden befestigte Feldplatte induziert die durch den Einspeise-Steller erhaltene Spannung in den durch einen Luftspalt getrennten Übertragerkopf. Alternativ kann hier auch ein Linienleiter verwendet werden. Dieser ermöglicht mit den entsprechend Ausgelegten Komponenten eine Energieübertragung während einer bestimmten Strecke.

Flacher Übertragerkopf THM (mobil)

Der Übertragerkopf THM 10 E ist das Gegenstück zur Feldplatte. Er empfängt die hochfrequente Wechselspannung und leitet sie weiter.

Anpass-Steller TPM (mobil)

In dieser Komponente wird die empfangene Spannung gleichgerichtet und auf 500 Volt und 24 Volt transformiert.

DC-DC-Konverter (mobil)

Der Gleichstromkonverter wird benötigt, um die empfangene Spannung von 500 Volt auf einen nutzbaren Wert zu reduzieren. So beträgt die Akkuspannung des Primerakkus 36 Volt und die der Elektronik-Versorgungs-Batterie 22,2 Volt. Optimal wäre daher eine Ausgangsspannung von 48 Volt.

Ladecontroller Primärakku (mobil)

Der Ladecontroller des Primärakkus ist dafür zuständig, den Akku zu laden und die Gefahr von einer Überladung zu reduzieren. Manche Ladecontroller besitzen zusätzlich noch die Möglichkeit eines Cell-Balancing. Dieses ist dafür zuständig, die einzelnen Spannungen der Akkuzelle aneinander anzupassen.

Primärakku (mobil)

Der Primärakku versorgt ausschließlich den Motor der E-Rikscha mit Spannung. Er ist nicht für die anderen Komponenten verantwortlich und benötigt seinen eigenen Ladecontroller.

Ladecontroller Sekundärakku (mobil)

Wie auch der Ladecontroller des Primärakkus hat auch dieser die Aufgabe, den Akku sicher zu laden.

Sekundärakku (mobil)

Dieser Akku versorgt sämtliche Elektronik mit Spannung. An ihn ist der ESP32 angeschlossen, welcher die Blinker und Bremslichter ansteuert.

Auswahl der Komponenten:

Bei der Auswahl der Komponenten stehen uns mehrere Produktgruppen von SEW zur Verfügung. Der übergeordnete Name der Produktreihe lautet MOVITRANS und beinhaltet Komplettlösungen zur kontaktlosen Energieübertragung. Die Bauteile der Produktreihe unterscheiden sich dabei in Funktionsumfang, Größe, Leistung und Komplexität.

Zur Auswahl stehen die in der Morphologie aufgeführten Bauteile. Da alle Komponenten der verschiedenen Lösungskonzepte die benötigte Leistung des E-Rikscha Ladecontrollers um mindestens Faktor 8 übertreffen, kann das Hauptaugenmerk auf die anderen Kenngrößen gelegt werden.

Bei der Größe unterschieden sich die einzelnen Lösungsvarianten. So muss bei der Lösungskomponente 1 sowohl eine Empfängerplatte als auch ein Anpass-Steller verbaut werden. Dieser Anpass-Steller, welcher die Spannung der Empfängerspule gleichrichtet und auf einen definierten Spannungspegel transformiert, bedarf jedoch viel Platz, weshalb er entweder zusammen mit der Ladespule hinten unter die E-Rikscha verbaut werden muss oder bei einer seitlichen Anbringung den Raum bis zur Mittelachse der Rikscha beansprucht. Die seitliche Anbringung hat hierbei den Vorteil, dass die Ladespule mittig angebracht werden kann und somit ein einfacheres Anfahren des Ladepunktes ermöglicht.

Abbildung: Rikscha von links unten mit Empfängerspule (grün) und Anspass-Steller (gelb) hinten

Abbildung: Rikscha von unten mit Empfängerspule (gelb) hinten mittig und Anpass-Steller (orange) links außen

Abbildung: Rikscha von links unten mit Empfängerspule (grün) hinten mittig und Anpass-Steller (gelb) links außen

Die Konstruktion der Rikscha entstand in vorangegangenen Bachelorarbeiten 1 & 2

Die zweite Möglichkeit ist das Verwenden der Induktionsspule TDM 80 E, welche den Anpass-Steller bereits integriert hat. Diese existiert in zwei Varianten mit unterschiedlicher Baugröße. Die kleinere Variante ist hierbei auf die punktuelle Aufladung limitiert, was bei unserer Aufgabenstellung der stationären Aufladung kein Problem darstellen sollte. Nachteil dieser Komponente ist die zwingend erforderliche Speicherzelle (EKV).

Leider ist hierfür aufgrund der erst geschehenen Markteinführung noch keine Dokumentation online verfügbar und auf eine entsprechende Anfrage wurde bisher noch keine Antwort erhalten (Siehe Protokolle). Aus diesem Grund liegt zum jetzigen Zeitpunkt noch keine Zeichnung für die Einpflege in das übergeordnete CAD-Modell zur Verfügung. Dies verzögert ebenfalls die Auswahl der dazugehörigen Energiespeicherzelle.

Auf der Website von SEW wurde jedoch eine Ausgangsspannung von 360 Volt (1500 Watt) für die TDM- Serie genannt. Die würde deine andere Auslegung des DC/DC-Wandlers zur Folge haben.

Konstruktion der Befestigung:

Um einen korrekten und effizienten Ladevorgang zu gewährleisten, muss die Positionierung von Sende- und Empfängerspule aufeinander abgestimmt sein. Minimaler Abstand sowie Winkelversatz bei perfekt mittiger Ausrichtung sind hierbei die zu erstrebenden Parameter.

Die Konstruktion für die Befestigung entstand mithilfe der existierenden CAD Dateien der E-Rikscha. Hierfür wurden die Bauteile von SEW digital nachgezeichnet und in die bestehende Baugruppe eingefügt. Nach der Evaluierung von Positionierung und Orientierung der Komponenten wurde die Aufhängung dieser entwickelt.

Hierbei wurden drei Möglichkeiten in Betracht gezogen. Da die Ladeplatten nur wenig Abstand bevorzugen, muss der Luftspalt dazwischen minimiert werden. Dies kann durch das Absenken der Empfängerplatte, das Anheben der Senderplatte oder das starre Positionieren zueinander geschehen.

Folgende Abwägungen wurden hierbei getroffen:

Das feste Anschrauben der Empfängerspule am Unterboden der Rikscha umgeht die Gefahr einer schweren Absenkmechanik und der damit einhergehend Gefahr des Verklemmens durch Verschmutzungen oder Rost.

Das feste Anschrauben der Sendespule auf eine abgemessene Positionierungsplattform verringert ebenfalls die Gefahr des Verklemmens durch Schmutz und Rost. Außerdem kann hierdurch die Erdung der Rikscha während des Ladeprozesses sichergestellt werden. Dies geschieht mit einem Federstahl, welcher zu einem Schleifkontakt gebogen wird und die Erdung des Rahmens, welche durch die isolierenden Gummireifen nicht sichergestellt werden kann, herstellt.

Abbildung: Skizze der Positionierungskonzepte

Beider der Lösungsvariante mit fixierter Empfängerspule und der Sendespule auf eine Positionierungsplattform ist darauf zu achten, dass eine geringe Einstellmöglichkeit der Höhe realisiert werden kann. Sollte der Untergrund nicht exakt eben sein, könnte sonst der Abstand der beiden Spulen zueinander zu groß oder nicht vorhanden sein. Bei einem schwungvollen Anfahren der Ladeposition könnten diese so beschädigt werden. Außerdem sollte die Ladestation immer so eingestellt sein, dass bei einem platten Reifen keine Kollisionsgefahr besteht.

Dabei ist zu beachten, dass die übertragbare Leistung mit zunehmendem Abstand geringer wird. Da die Leistungen für unsere Verbraucher jedoch mehr als ausreichend sind, sollte dies kein Problem darstellen.

Abbildung: Auszug aus dem Datenblatt der MOVITRANS-Produkte. Auswirkungen von Abstand und Winkelversatz auf die Übertragungsleistung

Auswahl der elektrischen Komponenten

Um die hohe Spannung des Anpass-Steller-Ausgangs auf eine nutzbare Spannung zu reduzieren, muss ein Gleichspannungswandler verwendet werden. Hierfür wurde evaluiert, welcher Spannungswert für den Laderegler von größtem Nutzen ist. Ebenfalls muss die maximal benötigte Leistung ausgerechnet werden.

Da die Rikscha einen großen Primärakku verfügt, welcher ausschließlich den Motor betreibt und zusätzlich über einen kleineren Akku (im folgenden Sekundärakku), welcher alle anderen elektrischen Komponenten versorgt, müssen zwei Laderegler verwendetet werden.

Die benötigte Leistung errechnet sich hierbei aus der Summe der beiden Einzelleistungen. Der Ausgang des Primärakkuladegerätes liefert maximal 168 Watt. Dies errechnet sich aus der maximalen Ladespannung von 42 Volt bei einem Strom von 4 Ampere. Außerdem wird der Wirkungsgrad des Ladecontrollers mit >80% angegeben. Dies bedeutet die maximale Eingangsleistung von

sollte abrufbar sein.

Da der Akkuhersteller leider keine Antwort sendete und die Zulieferfirma, welche Motor, Batterie und Ladegerät lieferte, keine Ladegeräte mit DC-Eingang vertreibt, konnte nur wenig Informationen zu einem möglichen alternativen Ladegerät gewonnen werden. Um die Problematik eine funktionsfähige Rikscha mit den bestehenden Komponenten zu realisieren, lässt sich jedoch durch den Einbau eines DC/AC-Wandlers umgehen, welcher bei 24VDC Eingangsspannung 230VAC (50Hertz) Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Dieser ist als Erweiterung für Fahrzeugen einfach zu erwerben. Jedoch ist hierbei entscheidend, den jeweiligen Wirkungsgrad zu beachten. Der in Stückliste ausgewählte Wandler wird mit n=82% angegeben. Dies erweitert die oben kalkulierte Leistung:

Der Laderegler des kleineren Akkus liefert zusätzliche 50 Watt an seinem Ladeausgang. Leider konnte hierfür kein Wirkungsgrad ermittelt werden, jedoch wurde für vergleichbare Ladegeräte pessimistische Werte ab 60% entdeckt. So wurde die Leistung für dieses Ladegerät wie folgt berechnet:

Aus den beiden Einzelleistungen wurde so die maximale Gesamtleistung von 333 Watt berechnet. Da der DC/DC-Wandler von Siemens eine maximale Leistung von 480 Watt liefern kann, sollte das kein Problem darstellen.

Abbildung: mögliche Komponentenketten

Da der Primärakku eine Spannung von 36 Volt und der Sekundärakku eine Spannung von 22,2 Volt hat, sollte optimalerweise der Output des DC-Wandlers 36 oder 24 Volt Spannung führen.

Leider sind Ausgangsspannungen zwischen 24 und 48 Volt bisher sehr selten. Nur langsam nimmt die Verfügbarkeit von Wandler, welche in diesem Spannungsspektrum arbeiten, zu. Diese Tendenz ist dem Trend nach erneuerbarer Energie für kleinere Objekte wie Gartenhäuser per Fotovoltaikanlagen geschuldet. 

Um bei der Auswahl des DC-DC Wandlers (Abbildung Lila) eine sinnvolle Entscheidung treffen zu können, war die Betrachtung der nachfolgenden Komponenten nötig. So kann durch eine passende Auslegung direkt die benötigte Spannung eines Ladecontrollers erzeugt werden, was die Verwendung eines dritten DC/DC-Wandler obsolet macht.

Auch währen Controller von Vorteil, welche bereits eine variable Eingangsspannung zulassen. Beispiel hierfür ist der SMART CHARGER von iSDT, welcher mit Eingangsspannungen zwischen 10 und 27 Volt arbeiten kann. Dies würde ermöglichen, einen DC/DC-Wandler von Siemens zu nutzen, welcher bei 24 Volt 480 Watt zur Verfügung stellen kann. (Möglichkeit 2)

Schwieriger stellt sich jedoch die Auswahl eines passenden Ladecontrollers und des damit verbundenen DC/DC-Wandlers für den 36 Volt Akku heraus. Wie bereits beschrieben, konnte hierfür aufgrund der fehlenden Informationen zum Ladeprozess des Akkus keine klare Aussage getroffen werden. Dieses Problem, welches in Möglichkeit 3 unter Verwendung eines DC/AC-Wandlers umgangen wurde, ist bisher die bevorzugte Lösung. Sollten jedoch weitere Informationen zur Funktionsweise des Akkus gefunden werden, wäre Methode zwei zu priorisieren.  

Auswahl der Kabellängen

Um die Kabellänge berechnen zu können, wurde an der entsprechenden Stelle im CAD Modell ein grober Verlauf dargestellt. Dabei wurde der Durchmesser von 16mm der Zeichnung entnommen und entsprechend der Faustformel „Biegeradius = 2x Durchmesser“ verlegt. Um dabei mögliche Reibstellen zu verhindern, wurde das Kabel entlang den Aluminiumprofilen des Fahrzeugs verlegt. Dies ermöglicht das spätere Befestigen und Sichern. Der Vorteil der fest montierten Empfängerspule wird auch hier nochmal deutlich, da durch eine Absenkeinrichtung das Kabel länger sein müsste. Ebenfalls wäre es wechselnden Belastungen wie wiederkehrendem Knicken ausgesetzt, was zusammen mit anhaltenden Witterungsbedingungen im Freien die Lebensdauer des Kabels drastisch reduzieren würde.

Abbildung: Übertragerkopf mit angedeutetem Kabellauf

Abbildung: Montiertes Kabel an dem Aluminiumrahmen der Rikscha

Dadurch errechnet sich die Gesamtkabellänge von 460mm. Diese Länge enthält aufgrund der Vernachlässigung der Winkel-Rundungen auch bereits eine Sicherheit und stellt das korrekte Verbinden von Übertragerkopf und Anpass-Steller sicherstellt.

Wie in der Abbildung zu sehen ist, benötigt die Aufhängung von Übertragerkopf und Anpass-Steller noch weitere Aluminiumprofile zur korrekten Aufhängung. Dafür werden insgesamt 4 weitere Querelemente inklusive deren Winkelstücke für die Befestigung verbaut.

Abbildung: Rikscha mit rot markierten Befestigungsprofilen

Auswahl und Bewertung des Kabeldurchmessers

Bei der Auswahl eines geeigneten Kabelquerschnittes sind zwei Kenngrößen entscheidend. Zum einen die Mindestfläche, um dem benötigten Strom stand zu halten und zum anderen der Spannungsabfall von DC/DC-Wandler zu Ladecontroller.

So ergibt sich folgende Rechnung:

Maximale Stromstärke bei 330 Watt:

Bei einer Stromstärke von 10 Ampere werden laut DIN-Norm Kabel mit einem Querschnitt von 1,5mm² benötigt, sofern es sich um Kupfer als Adermaterial handelt.

Bei einer maximalen Leitungslänge von einem Meter ergibt sich daraus folgender Spannungsabfall:

Mit:

 R = Widerstand des Kabels

phi = spezifischer Widerstand (Kupfer 20 Grad Celsius)

L = Leitungslänge

 A = Leitungsquerschnitt

Bei einem maximalen Strom von ca. 10 Ampere ergibt sich:

Dieser Spannungsabfall stellt für den Laderegler des 22.2V-Akkus kein Problem dar, da dieser Eingangsspannungen zwischen 10- und 24 Volt verarbeiten kann.

Entwicklung der Ladeverkabelung

Um den Ladeprozess ohne das Umstecken von Kabeln zu gewährleisten, empfiehlt sich die Einbindung in die bisherige Verkabelung.

Hierfür werden beide Stromkreise gesondert betrachtet:

Abbildung: Stromkreis des Antriebsmotors

Die Einbindung in den Stromkreis, welcher den Motor betreibt, ist recht simpel. Da das Ladekabels des Ladecontrollers nur über zwei Adern mit dem Akku verbunden ist, auf welchen die Ladespannung anliegt, kann diese parallel zu den Verbrauchern geschalten werden. Da die Rikscha nicht während der Ladung bewegt werden kann, da sonst die induktive Energieübertragung unterbrochen würde, ist die Gefahr einer direkten Stromversorgung des Motors über das Ladegerät ausgeschlossen.   

Die Ladung des Lichtersteuerungsstromkreises ebenfalls einfach zu realisieren:

Stromkreis der Lichtsteuerung

Da der Akku über den Balancer-Port geladen werden kann, welcher jede Zelle einzeln mit der benötigten Spannung versorgt, kann das Ladegerät direkt an die entsprechende Schnittstelle geschalten werden.

Sollte nach längerem Betrieb festgestellt werden, dass die Akkus eine Tendenz zur Selbstentladung besitzen, kann mithilfe von Dioden der Stromfluss der Ladegeräte in eine Richtung beschränkt werden. Leider konnte aus den Datenblätter nicht ermittelt werden, ob eine solche Diode intern verbaut ist.

Einbau der elektrischen Komponenten

Um die elektrischen Komponenten wie Ladecontroller und DC/DC-Wandler sicher zu verstauen, empfiehlt sich eine wasserdichte Anschlussdose am Unterboden zu montieren. In dieser können alle Geräte, welche keine geeignete IP-Zertifizierung besitzen, unterbracht werden. Um einen zusätzlichen Schutz zu gewährleisten, sollten der Box Siliciagelpäckchen beigelegt werden. Diese kompensieren zwar keine Leckage, jedoch können diese an kalten Tagen kondensierende Luftfeuchtigkeit aufnehmen und so die Elektronik schützen.

Als Richtwert wird dabei 500g pro m³ von den Herstellern angegeben. Dies führt bei einem Volumen von 0,004375 m³ in unserem Fall gerade mal zu 2-3 Gramm. Handelsüblich sind hierbei Päckchen ab 5 Gramm.

Abbildung: CAD-Modell der DC/DC-Wandler und Ladecontroller

Entwicklung der Ladestation

Bei der Entwicklung der Ladestation wurde aufgrund der bereits genannten Vorteile eine stationäre Vorrichtung entwickelt, auf welche die Rikscha geschoben werden konnte. Hierbei war dennoch darauf zu achten, dass je nach Ebenheit des Untergrundes oder Bereifung der Rikscha die Höhe der Ladespule einstellbar sein sollte. Aus diesem Grund wurden die Aluminiumprofile mithilfe eines Schnellspanners aufeinander befestigt. Dieser ermöglicht die genaue Einstellung der Höhe, um einen möglichst effizienten Ladevorgang zu gewährleisten.

Außerdem musste darauf geachtet werden, dass während dem Ladevorgang die Erdung der Rikscha möglich ist.

Abbildung: Seitenansicht Ladestation mit Schnellspanner zur Einstellung der Höhe

Abbildung: Ladestation und Rikscha