Überblick:

- Elektrifizierung und Weiterentwicklung der eRikscha

- Einteilung in eMotor, eElektrik und eTÜV

- wichtige Randbedingungen:
Geschwindigkeit: max 25 km/h
Gesamtlast: max 300 kg
Drehmoment auf stufenloses Getriebe: 100Nm
Prüfnorm: 
- DIN 79010,
 - Elektrokleinstfahrzeuge-Verordnung - eKFV

eMotor

- Benötigte Komponente:
    - Elektromotor
    - Akku
    - Controller
    - Gasbetätigung

- Tretlager - Motorvarianten

(Abbildung 1: Bosch-Motor)

             
(Abbildung 2: Brose-Motor) (Abbildung 3: Yamaha-Motor)

=>Ergebnis: Bosch (keine weiteren Prüfungen erforderlich)

- Problematik:

- Stufenloses Getriebe

- maximale Drehmomentaufnahme 100Nm

- Tretlager unterstützen ca. 80Nm

- Idealfall: Fahrer übertragt nicht mehr als 20Nm (nicht möglich !!)

- Alternativlösungen:

- Radnabenmotor:
    - eBay (professioneller Einbau und TÜV Prüfung empfohlen und notwendig)

- Radkutsche

- Spannungsquelle:  22V Akkupack von "Hacker"

(Abbildung Hacker - Akkupack, CC0)

- Benötigte Spannung
    - Beleuchtung (Front-/Rück-/Brems-/Blinklicht) benötigt 12V
    - ESP32 benötigt 3,3V

- Spannungsteiler (DC/DC step down) werden benötigt

(Abbildung: Spannungswandler, LM2596)

22V -> 12V -> 3,3V

- Schaltung der Beleuchtung:
    Möglichkeit 1: Relais-Schaltung

Möglichkeit 2: Mosfet-Treiber

eTÜV

- DIN 79010 ->Typ2Ce

(2: mehrspurig, C: Personen und Gütertransport, e: elektrischer Antrieb)

- wichtige Passagen der DIN-Norm:

(1) "Die beweglichen Teile des Lastenrads müssen so konstruiert und gebaut sein, dass Unfallrisiken durch Berührung dieser Teile verhindert sind; falls Risiken dennoch bestehen, müssen die beweglichen Teile mit trennenden oder nichttrennenden Schutzeinrichtungen ausgestattet sein."

(2) "Die Position der Lastenaufnahme oder der Sitzplätze ist so zu wählen, dass das Lastenrad in jedem Beladungs- und Fahrzustand sicher gefahren und gebremst werden kann, der Fahrer nicht behindert wird und die Sicht nicht eingeschränkt wird."

- (1) Schutzblech

- (2)
Konzept 1: Blechverbindungen

(Abbildung 7: Transportkiste Version 1, CC0)

(Abbildung 8: Airlineschiene)

- Konzept 2: Flightcases (Rockshop)

(Flightcases, Rockshop: https://www.rockshop.de/roadinger-universal-case-profi-80x50x50cm)

- Konzept 3: MiniTec (30x30) und Lochblech

(Abbildung 9: Transportkiste (Creo)) (Abbildung 10: Verbindungselement MiniTec, CC0)


(Abbildung 11: Montage der Transportkiste und des Gestells, CC0)

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Da die eRikscha durch den vorherigen Bacheloranden konstruiert und entwickelt wurde, stellt sich die Frage, wie man die Rikscha nun elektrifizieren kann.
Um dieser Frage nachzugehen ist es am Geschicktesten das Pedelec (e-Bike) in verschiedene Gruppen einzuteilen.
- eMotor - eElektrik - eTÜV –

Um alle 4 Themenbereiche bearbeiten zu können, ist es vom großen Vorteil die Mindestanforderungen bzw. die Voraussetzungen für die Entwicklung eines eBikes näher zu betrachten.

Geschwindigkeit: max 25 km/h
Gesamtlast: max 300 kg
Drehmoment auf stufenloses Getriebe: 100Nm
Prüfnorm: - DIN 79010,
 - Elektrokleinstfahrzeuge-Verordnung - eKFV
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eMotor
Das Herzstück eines e-Bikes ist der Elektromotor. Dieser unterstützt den Fahrer und gibt die notwendige Energie an die Räder, um eine schnellere Beschleunigung zu gewährleisten, um damit die gewünschte Geschwindigkeit zu erlangen.  
Damit der Motor überhaupt die entsprechende Leistung bekommt, braucht er Strom, welcher von einem externen Akku geliefert wird.

Um die nötige Energie zu übertragen oder auch zu steuern benötigt man zusätzlich einen Controller. Damit der Motor mit Informationen versorgt werden kann, erhält der Controller Signale aus den Sensoren. Dazu gibt es beispielsweise zwei Varianten. Zum einen kann die Betätigung des Gasgriffs oder auch die Pedalbewegung die Signale liefern.

Mit diesen Daten kann der Controller den Akku steuern und auch die gesetzliche Regelung der Höchstgeschwindigkeit unterstützen. Da der Controller auf eine bestimmte Spannung eingestellt ist, sollte dieser auch mit einem dementsprechenden Akku versorgt werden.

Zu Beginn wurde die Auswahl der Motoren auf die Hersteller Bosch, Brose und Yamaha beschränkt, da diese in der Motorbranche sehr breit gefächert sind.

 
(Abbildung 1: Bosch-Motor)

        
(Abbildung 2: Brose-Motor) (Abbildung 3: Yamaha-Motor)

Da die Zulassung des Bosch-Motors bereits gewährleistet wurde und keine weiteren Prüfungen erforderlich sind, ist dieser die sicherste Variante. Nach Informationsaustausch mit Bosch, wurde mitgeteilt, dass das Unternehmen aufgrund der hohen Anfrage keine Kooperation planen und organisieren kann.

Es wurden auch Anfragen an die Fahrradhändler vor Ort verschickt, jedoch ohne Erfolg. Als Alternative dient der vorhandene Radnabenmotor, der an einem kleineren Rad befestigt ist, ein Umrüstsatz, den man auf eBay günstig bestellen kann und das Angebot von der Radkutsche, mit der man bereits seit der vorherigen Bachelorarbeit, bzw. seit Beginn des Projektes eRikscha in Kooperation ist.


(Abbildung 4: vorhandener Radnabenmotor, CC0)

Nun stellt sich die Frage mit welcher Art von Motor die eRikscha betrieben werden sollte. Es gibt hierfür zwei Varianten, den Tretlagermotor oder einen Radnabenmotor, der bereits bei vorherigen Projekten auch verwendet wurde.

Der Antrieb, der aktuell an der Rikscha verbaut ist, ist ein stufenloses Getriebe von Enviolo. Dieser kann ein maximales Drehmoment von 100Nm aushalten. Ein Tretlagermotor unterstützt im Durchschnitt mit einem Drehmoment von ungefähr 80Nm. Was wiederum bedeutet, dass man als Fahrer nicht mehr als 20Nm Drehmoment auf das Pedal übertragen kann, was schon durch nicht allzu hohe Anstrengung sehr schnell überschritten werden und somit zu einem Versagen führen kann. Somit eignet sich der Radnabenmotor eher zur eRikscha.

Da die gefertigte Konstruktion der eRikscha genau für die Zulassung konzipiert wurde, dürfte man das fertige Rad nicht verwenden. Stattdessen müsste man diesen der Größe vom Rad, welche momentan an der eRikscha befestigt ist, anpassen und einspeichen. Hierbei ist zu beachten, dass die Unwucht und die perfekte Position in der Mitte vom Rad durch professionelle Hilfe angefertigt werden sollte. Zusätzlich müsste der Motor auch auf TÜV überprüft werden. All dies benötigt viel Zeit und wird mit der Anhäufung sehr kostspielig. Aufgrund von Corona und der Schließung aller Fahrradhändler ist dies nicht möglich.

Schließlich hat man sich für den elektrischen Antrieb der Radkutsche entschieden.
In der Lieferung der Radkutsche sind ein Akku, der Radnabenmotor, ein Controller und das Ladegerät für den Akku enthalten.

Da das aktuell vorhandene Rad mit dem gelieferten Motor leicht einbaubar ist, ist ein Einspeichen nicht notwendig.

In der Automobilindustrie werden keine Kabelbinder verwendet; zumindest nicht so, dass man es von außen eindeutig sehen kann.

Daher wird als Lösung eine Platine mit dem 3D-Drucker aus Kunststoff hergestellt. Diese Platine wird mit dem Controller verschraubt und anschließend an das MiniTec-Profil angebracht.

Die Anbringung des Controllers erfolgt, wie auf dem Bild unten von der Radkutsche beschrieben mit den Kabeln nach unten.

(Abbildung 5: Installationsanleitung des Controllers - Radkutsche)



(Abbildung 6: Montierter Controller, CC0)

Dieser Controller wird einerseits mit einem Energieregler, welcher am Lenker befestigt ist und mit dem Akku verbunden.

Der Akku nimmt mit seiner Größe sehr viel an Platz ein. Da dieser zum Schutz vor Diebstahl oder zum Laden auch leicht ein- und ausbaubar sein sollte, wurde er hinter dem Sattel an einer vertikal verschraubten Mini-Tec Profil befestigt.

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eElektrik
Die eElektrik beschäftigt sich damit, die elektronischen Anschlüsse und Steuerungen innovativ und effizient wie möglich zu gestalten.
Sowohl die Konzeptionierung als auch die Implementierung hatte am Meisten an Zeit beansprucht.

Die Überlegung bestand darin, die eRikscha mit einem 22V Akkupack von "Hacker-Brushless Motors" zu verwenden. Da dieser die benötigte Spannung liefern kann, wurde das Konzept auf diesen Akku aufgebaut.
Die Spannungsquelle liefert 22V.

Front-/ Rück-/Brems- und Blinklicht benötigen 12V und die ESP32 wird mit 3,3V betrieben.
Damit diese Spannungen durch einen Akku gezogen werden können, verwendet man Spannungsteiler. Der Spannungsteiler (DC-DC, Step down) senkt die Spannung zuerst auf 12V und liefert diesen Wert an einen Mosfet-Treiber und an einen weiteren Spannungsteiler, der für die Betreibung des ESP32 auf 3,3V reduziert. Da auf Empfehlung keine Relais-Schaltungen verwendet werden sollten, benutzt man hier einen Mosfet Treiber und regelt die Lichter wie Frontlicht, Bremslicht und Blinker über diesen.
Die ESP32 wird hier dazu verwendet, um die entsprechenden Signale, wie zum Beispiel bei der Betätigung der Bremse, an den Mosfet-Treiber weiterzuleiten und das Licht zu aktivieren.
Diese Mosfet-Treiber findet man als 4x4 oder auch 8x8 Varianten. Das heißt mit 4 oder 8 anzusteuernden Ausgängen. 
Da momentan nur Front-/Rück-/Brems- und Blinklicht (insgesamt 4 zu schaltenden Kabeln) verwendet werden, ist der 4x4 – Treiber sehr gut geeignet.

Einer der wichtigsten Aspekte dieses Themengebiets ist die Kabelverlegung.

Da ein weitere Bachelorarbeit über die eRikscha zeitgleich geschrieben wird und die Positionierung der Bauteile dieser Arbeit noch unklar ist, hat man sich dazu entschlossen den Schaltkasten nicht wie früher festgelegt unter den Transportbereich, sondern neben den Motor-Akku zu montieren.

Gleichzeitig wurde auch der Schaltplan für die ESP32, der WAGO-Klemmen und weiteren Bauteilen fertiggestellt. Jedoch wurde dieser noch nicht zum Drucken freigegeben, damit weitere Bacheloranten die Möglichkeit bekommen sollen diesen zu erweitern. Mehr dazu unter „Ausarbeitung -> Schaltplan“.

eTÜV:

Das Projekt ist entstanden um den Hausmeistern der Hochschule das Transportieren von Waren, Post, etc. zu vereinfachen.

Da aber auch die eRikscha als Personentransport für Demonstrationszwecke verwendet werden kann, ist unser Modell laut DIN79010 als Typ2Ce

(2: mehrspurig, C: Personen und Gütertransport, e: elektrischer Antrieb) festgelegt.

Der wesentliche Unterschied zwischen den verschiedenen Typen liegt bei der Sicherheit der zu transportierenden Person, womit sich der Bereich eTÜV unter anderem auch beschäftigt.  

Damit das Konzept entwickelt werden kann, müsste man zuerst die wichtigsten Kriterien aus der DIN-Norm 79010 heraussuchen:

- "Für den Personentransport muss für jede zu befördernder Person ein geeigneter Sitz vorhanden sein."

- "Die beweglichen Teile des Lastenrads müssen so konstruiert und gebaut sein, dass Unfallrisiken durch Berührung dieser Teile verhindert sind; falls Risiken dennoch bestehen, müssen die beweglichen Teile mit trennenden oder nichttrennenden Schutzeinrichtungen ausgestattet sein." 
 
- "Die Position der Lastenaufnahme oder der Sitzplätze ist so zu wählen, dass das Lastenrad in jedem Beladungs- und Fahrzustand sicher gefahren und gebremst werden kann, der Fahrer nicht behindert wird und die Sicht nicht eingeschränkt wird."


 Wenn der Radnabenmotor vom Labor benutzt werden soll, müsste man diesen zuerst dem Rad anpassen und somit einspeichen, was wiederum auch extra geprüft werden müsste. 


Der Radnabenmotor wurde von der Radkutsche bestellt, was der eTÜV einen enormen Arbeit erspart hat, da nun die ganzen Komponenten, wie zum Beispiel der Motor, der Controller, und das Rad bereits auf TÜV geprüft und für die Straße zugelassen sind.

Verkabelungen am elektrifizierten Fahrrad sind nicht zu umgehen.
Das Chassis, die mit MiniTec-Profilen verbaut wurde, eignet sich optimal um eine TÜV-gerechte Verkabelung und das Abdecken dieser zu gewährleisten.
Hierfür eignen sich die Abdeckprofile von MiniTec und Spiralschläuche, die genügend Platz in der Nut zur Verfügung stellt und nach außen abdeckt.

 
Die vorhandene Konstruktion stellt eine vorläufige Verwendung der eRikscha mit Sattel dar. Da dieser aber auch für Warentransport benutzt werden soll, müssten einige Änderungen vorgenommen werden. Eine leichte ein- und ausbaubare Konstruktion am hinteren Teil des Fahrrads könnte durch eine fest montierte Blechkonstruktion ermöglicht werden. Hierbei wird das zurechtgefertigte Blech auf das Profil montiert und zusätzlich mit einem Schienensystem versehen, welches die leichte De/Montage eines Sitzes beispielsweise ermöglichen kann.
Im Folgenden wird eine Konstruktionsüberlegung durch PTC Creo dargestellt.


(Abbildung 7: Transportkiste Version 1, CC0)

(Abbildung 8: Airlineschiene)

Zusätzlich wird durch diese Konstruktion am Hinterrad der Schutz zu den Rädern gewährleistet.
Diese Version der Transportkiste kann aber durch die Instabilität am äußeren Rand nicht mehr berücksichtigt werden.
Daraufhin bestand die Überlegung darin, Transport-cases, die in der Musikbranche für die Lagerung der Instrumente oder Geräte des Öfteren benutzt werden, einzubauen.

(Flightcases, Rockshop: https://www.rockshop.de/roadinger-universal-case-profi-80x50x50cm)

 
Nach Rücksprache mit den Hausmeistern und co, wurde beschlossen eine Kiste zu montieren, die von oben leicht zugänglich und zugleich offen ist, damit größere bzw. längere Teile oder Pakete transportiert werden können.
OSB- bzw. Holzplatten standen zuerst zur Auswahl und geeignete Platten wurden auch bereits rausgesucht. Die Problematik dahinter wäre aber dass teilweiße schwere Gegenstände verstaut werden und diese das Holz eventuell beschädigen könnten. Da die eRikscha größtenteils im Freien benutzt werden soll, besteht die Möglichkeit, dass das Holz bei Regen aufquillt und der Risikofaktor soweit es geht auf Null gesenkt werden sollte.

Die dritte und auch die am Meisten zufriedenstellende Version ist die unten abgebildete Kiste.


(Abbildung 9: Transportkiste (Creo)) (Abbildung 10: Verbindungselement MiniTec, CC0)


(Abbildung 11: Montage der Transportkiste und des Gestells, CC0)

(Abbildung x: Transportkiste)
Die Transportkiste wird mit 30x30 MiniTec-Profilen zusammengebaut und durch Gitternetzprofilen als Wand von außen montiert. Da die Kiste ein- und ausbar sein sollte, hat man, nach Rücksprache mit MiniTec - Ingenieuren, sich dazu entschlossen Verbindungselemente in das Gestell der 45x45 Profilen zu positionieren und diese mit kleinen Profilen zu verbinden. Somit kann die komplette Kiste einfach rein und rausgeschoben werden.

Da aber im Fall der Fälle, der Schutz der transportierten Personen von den Rädern nicht gewährleistet werden kann, sind Schutzbleche für die Räder nicht unumgänglich und wurden somit zusätzlich bestellt.

Die Prüfstation ist seit Beginn des Projekts nicht zugänglich und hat Wartungsarbeiten, was dazu führt, dass keine ausführliche Tests vollzogen werden können.

Dennoch gibt es

Provisorische Prüfung an der Hochschule Karlsruhe
Laut DIN79010 (Anforderungen und Prüfverfahren für ein- und mehrspurige Fahrräder) gibt es zwei Varianten Bremsen zu prüfen;
(1) Prüfverfahren auf der Prüfstrecke
(2) Prüfverfahren auf dem Prüfstand




(Abbildung 12: Din79010, Bremstest)

Um die Prüfung erfolgreich und normgerecht durchzuziehen sind einige Bedingungen erforderlich:

- alle Achsen müssen einzeln eingebremst werden
- Fahrgeschwindigkeit zwischen 12,5 km/h und 25 km/h
- Bremsweg muss möglichst konstant sein
(letzte 5 Bremsungen dürfen nicht mehr als ±10% variieren)
Prüfumgebung:
- trockener und fester Boden
- Windgeschwindigkeit unter 3m/s
- kalibriertes Geschwindigkeitsmessgerät (±5% Abweichung möglich)
- Aufzeichnungsgerät für die Geschwindigkeit
- Aufzeichnungssystem für den Bremsweg (bsp. Kamera)
-  Benetzungssystem, um die Bremsflächen mit Wasser zu benetzen (an der Hochschule nicht möglich)
- Gesamtmasse (Fahrrad, Fahrer, Messausrüstung) = 300kg

Vorbereitung:
Die Bremsen mussten zuerst entlüftet werden.
Wie man das ganz einfach und selbst machen kann, wird in dem folgenden YouTube-Video vom Kanal "bike-components" beschrieben.
https://www.youtube.com/watch?v=S0zxTCYyqnw&t=630s

Für die Geschwindigkeitsmessung werden folgende Komponente benötigt:
1x ESP32

1x KY024

8x Kopfmagnet

1x LCD-Display

1x Kamera

Durchführung:

(1)
Als erstes muss ein Geschwindigkeitsmessgerät an der eRikscha angebracht werden. Hierfür gibt es bereits Beispiele, die auch auf de, YouTube-Kanal der Mechatronikwelt hochgeladen wurden.
Beispiel:
https://www.youtube.com/watch?v=5ZKlBcHKOSc&t=190s

Im Idealfall müsste man aufgrund von Platzmangel in der Hochschule, die eRikscha draußen am Campus testen. Aber da die Wetterbedingungen die Ergebnisse fälschen würde und die Herstellung der Transportkiste sehr viel Zeit in Anspruch genommen hat, kann dieser provisorische Test nicht durchgeführt werden.

Wie man die eRikschan noch weiterentwickeln kann und wo es an Verbesserungsbedarf besteht, findet man unter „Ausarbeitung“ -> „Weiterentwicklungen“.