USB-Fahrradlader V2.1

Nun kommt die zweite Version meines USB-Fahrradladers. Schon seit 2017 verrichtet die erste Version des USB-Laders treue Dienste. Jedoch wollte ich einen besseren Lader im Hinblick auf Effizienz, Baugröße und Sicherheit entwickeln. Daraus entstanden ist der USB-Fahrradlader V2.1. Ich habe versucht zum Großteil SMD-Komponenten zu verbauen, um den Lader so kompakt wie möglich zu bauen. Zudem wurde die Effizienz des Laders optimiert. Zum einem durch eine Serienkapazität in Reihe zum Dynamo, um die Dynamo-Induktivität zu kompensieren, zum anderen durch die Verwendung eines Effizienten Synchron-Wandler, welcher als Buck-Converter arbeitet.

Da ich den Lader dazu verwenden möchte um während der Fahrt mit dem Fahrrad mein Handy zu laden, habe ich bewusst auf einen Pufferakku verzichtet. Stattdessen, habe ich den Ladevorgang mehrerer Smartphones untersucht und den Ladezyklus des Laders angepasst. Dadurch wird das Smartphone stehts mit dem maximal verfügbaren Strom geladen.

Daraus entstanden ist ein effizienter Fahrradlader mit folgenden Eigenschaften:

  • Ausgangsleistung bei Reisegeschwindigkeit von ~18km/h von 700mA bei 5V
  • Überspannungsschutz
  • kompakte Bauform von: 78x17x14mm (LxBxH)
  • USB-Ladeoptimierung, sodass stehts der maximal verfügbare Strom zum Laden anliegt. (Abschaltbar bei Bedarf)
  • Kosten < 10€ im Eigenbau, 20€ fertig bestückt

Bilder

Schaltplan des Fahrradladers:

Der Schaltplan sowie die KiCad-Dateien stehen hier zum Download bereit:

Benötigte Bauteile:

AnzahlBeschreibungName auf PCBLink
2x8x16mm 470uF 25V ElkoC1, C2 
3x100 nF 0805 50V KermaikkondensatorC3, C5, C8 
1x10 µF 0805 25V KermaikkondensatorC7
1x2,2 nF 0805 50V KermaikkondensatorC10
1x10nF 0805 50V KermaikkondensatorC9
1x22 µF 0805 25V KermaikkondensatorC4, C11
2x1K 0603 1% Widerstand R2, R10
1x8,1K 0603 1% Widerstand R1
1x220 Ohm 0603 1% WiderstandR5
1x100K 0603 1% WiderstandR6
1x52,5K 0603 1% Widerstand R8
2x10K 0603 1% WiderstandR9, R7
1x33K 0603 1% WiderstandR3
1x1M 0603 1% WiderstandR4
4xSS34 40V 3A Schottky-DiodeD1-D4
1xTL431DBZ SOT-23U2
1xBDX54C PNP-TransistorQ1
1xNE555 SOIC8U1
2x1N4148 SOD-323D5,D6
1xEUP3476 Buck-ConverterU3
1x6,8uH InduktivitätL1
1xAO3401 PNP-Transistor SOT-23Q2
1x0603 LED RotD7
1xUSB-A BuchseJ3

Anschluss am Fahrrad

Um den Lader mit dem Fahrraddynamo zu verbinden, muss der Masseanschluss des Nabendynamos an L- der Ladelektronik angeschlossen werden und L+ vom Dynamo an L+ von der Ladeelektronik.

Ladeleistung und USB Ladeoptimierung

Ziel bei der Entwicklung des Fahrradladers war es die maximale verfügbare Leistung des Dynamos als Ladeleistung für mein Smartphone bereitzustellen. Jedoch bin ich bei der Entwicklung des Laders auf einige Probleme gestoßen, die maximale Ladeleistung verfügbar zu machen. Hier möchte ich gerne auf die zwei wesentlichsten Punkte eingehen, welche benötigt werden, um die Ladeleistung zu maximieren.

  1. Das Smartphone muss den Fahrradlader als Ladegerät erkennen

Schließt man am USB-Anschluss einfach nur 5V an, ohne die Datenanschlüsse D+ und D- zu betrachten, sieht das Smartphone den Lader nicht als mögliches Ladegerät an und limitiert den Ladestrom auf max. 500 mA. Schließt man jedoch D+ und D- kurz, erkennt das Smartphone den Lader als DCP (Dedicated Charging Port) und das Smartphone (je nach Modell) weiß nun das es bis zu 1,8 A ziehen kann.

2. Das Smartphone überprüft am Anfang den max. Ladestrom und behält diesen bei

Durch experimentelle Versuche von verschiedenen Smartphones (Xiaomi Mi9, Redmi Note 3 Pro sowie einem Huawei Tablet) ist mir aufgefallen, dass der Ladestrom immer am Anfang des Ladevorgangs festgelegt wird. Dies ist bei einem normalem Ladegerät für die Steckdose vorteilhaft, da so der maximale Strom gezogen wird. Beim Fahrradlader ist dies leider anders… . Hier liegt nicht direkt am Anfang die maximale Leistung an, denn wenn der Lader bei ~10km/h anfängt Strom zu liefern, kann der Lader noch nicht die maximale Leistung liefern. Erst so bei 18km/h werden die ~700mA bereitgestellt. Und hier ist das Problem: Das Smartphone sieht zunächst bei 10km/h das es nur ~100mA ziehen kann und setzt diesen Wert für den gesamten Ladevorgang fest, auch wenn der Lader 700mA bei 18km/h oder mehr liefern kann!

Um diese Problematik zu verhindern, habe ich einen Schalter eingebaut, welcher den Ladevorgang ungefähr alle 15sec neu startet, sodass das Smartphone immer die gerade maximale verfügbare Leistung ziehen kann. Falls diese Funktion nicht gewünscht ist, kann diese unterdrückt werden, indem man den Jumper JP1 mit einem Klecks Lötzinn verbindet.

Kaufen

Der Fahrradlader ist hier als Open-Source-Projekt frei verfügbar, und jeder der möchte kann sich diesen gerne nachbauen. Eine kommerzielle Nutzung ist jedoch nicht gestattet.

Falls man jedoch keine Möglichkeit hat sich diesen Lader selbst zu bauen, verkaufe ich diesen auch in meinem Onlineshop

Support

Bei Fragen, gerne eine Email an „info @ vulcaman.de“

Haftungsausschluss:

Die Dokumentation zu dieser Elektronik habe ich nach bestem Wissen und Gewissen erstellt. Die Benutzung der Elektronik und der Nachbau geschehen auf vollkommen eigene Verantwortung. Haftung für Schäden bei der Durchführung sowie Folgeschäden schließe ich aus – ebenso wie Schadensersatzforderungen oder Gewährleistungsansprüche aufgrund falscher oder fehlender Angaben.

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