Einführung in den Selbstbau eines Elektro Longboards von Nico Nostheide.

Vorwort

Dieser Artikel richtet sich in erster Linie an alle Leser, die sich für den Selbstbau interessieren, aber auch an jene, die grundlegend wissen wollen wie ein elektrisch betriebenes Longboard funktioniert.

Der Einfachheit halber werde ich nicht zu tief ins Detail gehen, jedoch sollte ein Grundverständnis für Elektrotechnik vorhanden sein.

Ich möchte auch noch einmal deutlich betonen, dass ein E-Board kein Spielzeug ist. Besonders der Umgang mit der Elektronik kann bei unbedachter Handhabung sehr gefährlich sein.

Einleitung: Selbstbau eines Elektro Longboards

Ein elektrisches Longboard besteht neben dem eigentlichen Longboard aus sechs Komponenten wie folgende Abbildung zeigt.

Im weiteren Verlauf des Artikels wird auf jede Komponente noch weiter eingegangen:

  • Electric Speed Controller (ESC, zu deutsch Drehzahlregler)
  • Motor (brushless, bürstenlos)
  • Empfänger für den ESC (Receiver)
  • Fernbedienung (Remote Control)
  • Batterie + Batteriemanagementsystem (BMS)
  • Getriebe (nicht abgebildet)
    Selbstbau eines Elektro Longboards
    Selbstbau eines Elektro Longboards

    Funktionsablauf

    Zu Beginn wird das Batterie Pack mit dem ESC verbunden. Dadurch wird der ESC, sowie der Empfänger für die Fernbedingung, mit Strom versorgt.

    Wird nun der Gashebel an der Fernbedienung betätigt, sendet die Fernbedienung ein Signal an dem Empfänger. Der Empfänger wandelt das Signal in eine PWM Signal um, also in ein Rechtecksignal, dessen Pulsbreite die Drehzahl für den Motor vorgibt.

    Dieses PWM Signal überwacht der ESC und generiert aus dem Gleichstrom der Batterie die Stromimpulse, die den Motor in Rotation versetzt.

    Komponenten

    4.1 Electric Speed Controller (ESC, zu deutsch Drehzahlregler)

    Der ESC ist das Gehirn der Motorsteuerung und ein wichtiger Teil beim Selbstbau eines Elektro Longboards. Er generiert aus dem Gleichstrom der Batterie Stromimpulse, die den Motor in Rotation versetzten.

    Die wichtigsten Komponenten sind:

  • 6 MOSFETs (3 sogenannte H-Brücken): Die drei Motorleitungen können unabhängig von einander an Batterie (+) oder Batterie (-) geschaltet werden. Die beiden Mosfets einer H-Brücken dürfen niemals gleichzeitig durchschalten, da sonst die Batterie kurzgeschlossen wird. Somit ergeben sich insgesamt 6 mögliche Kombinationen (Phasen) (siehe Bild weiter unten). Durch Schalten der Phasen in richtiger Reihenfolge entsteht eine Rotation der Rotors.
  • 6 MOSFET-Treiber
  • Rotorpositionsschaltung: Diese Schaltung überwacht die Motorleitungen auf induzierte Spannungen, die Auskunft über die Rotor Position geben.
  • Mikrocontroller: Der Mikrocontroller erzeugt die 6 Phasen und schaltet die MOSFETs. Da die Pegel des Mikrocontrollers zu niedrig sind, um die MOSFETs zu schalten, kommen MOSFET-Treiber zum Einsatz. Die Drehzahl wird über die Schaltfrequenz der MOSFETs geregelt und das Drehmoment bzw. der Strom über die Pulsweitenmodulation der einzelnen Phasen
  • BEC: Schaltung zur Bereitstellung einer Betriebsspannung für externe Steuergeräte
  • Kondensator: Parallel zur Batterie um Strom bei Stromspitzen bereitzustellen.
    Wie bereits erwähnt müssen die Mosfets 6 Phasen schalten, damit im Motor eine volle Rotation entsteht. Folgendes Bild zeigt den sternförmigen Aufbau der Statorwicklungen sowie die 3 H-Brücken. Das Bild zeigt außerdem den Zustand für Phase 1. Hier wird eine Motorleitung an A+ geschaltet und eine andere an B-. Die dritte Leitung bleibt unbeschaltet (off).
    Wie bereits erwähnt müssen die Mosfets 6 Phasen schalten, damit im Motor eine volle Rotation entsteht. Folgendes Bild zeigt den sternförmigen Aufbau der Statorwicklungen sowie die 3 H-Brücken. Das Bild zeigt außerdem den Zustand für Phase 1. Hier wird eine Motorleitung an A+ geschaltet und eine andere an B-. Die dritte Leitung bleibt unbeschaltet (off).

    Kennwerte:

  • Dauerstrom: Der Dauerstrom gibt den Strom an, den der ESC konstant schalten kann ohne durchzubrennen. Da das Schalten der MOSFETS verlustbehaftet ist, entsteht zwangsläufig Wärme, die abgeführt werden muss. In der Regel befindet sich daher ein Kühlkörper am ESC.
  • Batteriespannung: Die Batteriespannung gibt an, an welche maximale Spannung der ESC angeschlossen werden darf. Üblicherweise wird die Spannung in S angegeben, also die Anzahl von LIPO Zellen. 6S entspricht z.B 25,2V. Kann der ESC mit einer Spannung von mehr als 8S betrieben werden, spricht man von HV ESC (High Voltage). Dieses ESC sind meistens deutlich teurer.
  • BEC: Der Battery Eliminator Circuit ist eine Schaltung innerhalb des ESC und stellt eine Betriebsspannung für externe Steuerelektronik bereit, wie z.B. dem Receiver Modul. Die Spannung liegt dabei im Bereich zwischen 5-12V und kann oftmals eingestellt bzw. programmiert werden.
  • Programmierschnittstelle: Viele ESC’s besitzen eine Programmierschnittstelle, mit der es möglich ist, diverse Parameter einzustellen. Dazu gehören unter anderem BEC-Spannung, Beschleunigungskurve, Bremse und Schaltfrequenz der MOSFETs.
  • Bremse: Die Bremse ist eine Funktion, die nicht jeder ESC aus dem Modellbau vorsieht. Sofern sie vorhanden ist, schaltet der ESC beim Bremsen die Windungen kurzzeitig kurz, was zu einem Bremseffekt führt. Die Bremsenergie wird dann in den Motorwindungen in Wärme umgewandelt. Bei kommerziellen ESCs wird oftmals Rekuperation genutzt, um die Bremsenergie zurück in die Batterie zu speisen.

    4.2 Motor – Selbstbau eines Elektro Longboards

    Das Herz beim Selbstbau eines Elektro Longboards ist der Motor. Bei den Motoren handelt es sich um sogenannte bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC Brushless Direct Current).

    Hier wird unterschieden zwischen Innen -und Außenläufern (In -and Outrunner), wobei sich Außenläufer durchgesetzt haben, da er ein höheres Drehmoment erzeugen kann. Beide Varianten gibt es mit und ohne Sensor.

    Dieser sogenannte Hall-Sensor wird genutzt, um die genaue Position des Rotors zu bestimmen und somit ein weiches Anfahren zu ermöglichen. Im folgenden Verlauf betrachten wir den sensorlosen Außenläufer.

    Aufbau eines bürstenlosen Außenläufers:

    Selbstbau eines Elektro Longboards - Elektro Longboard Motor
    Selbstbau eines Elektro Longboards – Elektro Longboard Motor

    Kennwerte:

    Kennung: z.B. 5065/06. Damit ist gemeint, dass der Motor einen Durchmesser von 50mm hat und eine Länge von 65mm ohne Schaft. Das 06 gibt in der Regel die Windungszahl an, also die Anzahl von Kupferdrahtwicklungen bei einer Spule.

    Je mehr Wicklungen, desto höher das Drehmoment jedoch eine geringere Drehzahl. Das Drehmoment nimmt auch mit dem Größe des Durchmesser zu. Eine weitere übliche Größe ist 6374.

    KV: Der KV-Wert gibt die Drehzahl pro Minute pro Volt an. Zum Beispiel bei einer Batterie Spannung von 30V und einem Motor mit einer KV270 ergibt sich eine maximal Drehzahl von 30*270 = 8100 RPM. Bezieht man noch die Übersetzung des Getriebes und den Umfang der Rolle mit ein, kann die theoretische maximale Geschwindigkeit ermittelt werden.

    Die Wahl des KV-Werts beeinflusst neben der maximale Geschwindigkeit auch das Drehmoment, denn so höher der KV-Wert, desto niedriger das Drehmoment. Somit sollte der KV-Wert mit bedacht gewählt werden. Zur Dimensionierung folgt ein weiterer Artikel.

    Empfohlene Spannung: z.B 8S. Bei 8 Zellen ist die Spannung ca. 30 Volt

    Maximal Leistung: 2000W. Über die empfohlene Spannung lässt sich der maximal Strom ermitteln. 2000W/30V = 66,6A. Der maximale Strom sollte gar nicht oder nur kurzzeitig überschritten werden, da die Motorwicklungen sonst überhitzen und der Isolierlack des Kupferdrahtes schmilzt.

    Das führt zu einem Wicklungsschluss, also dem Durchbrennen des Motors. Der Motor ist dann unkontrollierbar und es kann zum abrupten Bremsen führen, also dem absoluten Worst Case für den Fahrer!

    4.3 Empfänger für den ESC (Receiver)

    Der Empfänger ist ein kleines Modul, das mit Hilfe des BEC mit Strom versorgt wird. Das Modul empfängt das Signal der Fernbedienung und leitet es in Form eines PWM Signals an den ESC weiter. Dieser regelt dann je nach Tastgrad (duty cycle) die Geschwindigkeit.

    4.4 Fernbedienung (Remote Control)

    Die Fernbedienung sendet das Signal zur Geschwindigkeitsregelung an den Empfänger. Zieht der Benutzer am sogenannten Throttle erhöht sich die Geschwindigkeit.

    Bausatz - Elektro Skateboard Fernbedienung
    Bausatz – Elektro Skateboard Fernbedienung

    4.5 Batterie + Batteriemanagementsystem (BMS)

    Bei den Akkus haben sich die Technologien Lithium-Polymer (LiPo) und Lithium-Ion (Liion) durchgesetzt. Beide Technologien werden in Zellen angeboten mit einer Nennspannung von 3,6V. Hat ein Akku z.B. 6 Zellen in Serie (21,6V Nennspannung), spricht man von 6S.

    Um die Kapazität zu erhöhen, werden Zellen parallel verschaltet. Ein Akku aus insgesamt 6 Zellen (3 seriell, 2 parallel), wird als 3S2P bezeichnet.

    LiPo – Vorteile und Nachteile:

    + günstig
    + hohe Stromfestigkeit (hohe Entladerate)
    – mechanischer Einfluss führt zum Defekt einer Zelle
    – Zelldefekte können zur Explosion führen

    Liion – Vorteile und Nachteile:

    + robust
    + 18650 Zellen können in beliebiger Form konfiguriert werden.
    – hohe Stromfestigkeit nur bei einigen Zellentypen (z.B. VTC5A)
    – gute Zellen sind sehr teuer

    Kennwerte:

    Kapazität: Die Kapazität wird in mAh angegeben, also wie viel Strom die Zelle eine Stunde lang liefern kann. Aussagekräftig ist dieser Wert jedoch erst dann, wenn die Nennspannung bekannt ist, bzw. aus wie vielen Zellen das Akkupack besteht. Dann lässt sich die Nennspannung mit der Kapazität multiplizieren und ergibt somit die Energie (Wattstunde). Beispiel: 10S4P mit 2600mAh Zellen ergibt: (10*3,6V) * (4*2600mA) = 374Wh.
    Entladerate in C: Die Entladerate gibt Auskunft über den maximalen Strom, mit dem die Zelle konstant entladen werden darf.

    Dazu wird die Entladerate C mit der Kapazität multipliziert. Ein Akkupack mit 5000mA und 20C darf also mit 100A maximal entladen werden. Ein weiterer Kennwert C Burst gibt an, mit welchem Strom der Akku kurzzeitig entladen werden darf.

    Laderate: siehe Entladerate nur für das Laden. Die Laderate ist in der Regel niedriger.

    Elektro Skateboard selber bauen - In Bildern und mit Komponenten-Liste
    Elektro Skateboard selber bauen – In Bildern und mit Komponenten-Liste

    Ladeschlussspannung: maximale Ladespannung pro Zelle. Wird die Zelle höher geladen als die Ladeschlussspannung, führt dies zum Defekt der Zelle bis hin zur Explosion.

    Untere Spannungsgrenze: LiPo und Liion Zellen dürfen nur bis zu dieser Grenze entladen werden, da sie sonst beschädigt werden. Ein BMS (Batterie Management System) überwacht die Zellspannungen und schaltet die Last ab, um zu tiefes Entladen zu verhindern.

    4.6 Getriebe – Selbstbau eines Elektro Longboards

    Das Getriebe beim Selbstbau eines Elektro Longboards besteht aus vier Teilen.

  • Motorhalterung (Mount): Die Motorhalterung kann entweder online bestellt werden oder selber gefertigt werden. Dazu reicht der Gang in den nächsten gutsortierten Baumarkt. Ein Stück Aluminium ca. 120mm x 50mm (Motordurchmesser) x 10mm (Stärke) kostet ein paar Euro und kann passend zugeschnitten werden. Der Rest ist dann Handarbeit und je nach Werkzeugbestand viel oder sehr viel Arbeit 😉 Wichtig ist hier, dass der Motor justiert werden kann. Zum einen, um den Riemen zu spannen und ggf. noch Spiel für einen kleineren oder größeren Motor pulley zu haben. Und zum Zweiten sollte die Motorhalterung eine Rotationsjustierung haben, damit eingestellt werden kann, wie hoch der Motor unter bzw. hinter dem Board hängt.
  • Zahnriemenscheibe für den Motor (Pulley): Üblich sind 12-15 Zähne
  • Zahnriemenscheibe für die Rolle: Üblich sind 32-48 Zähne, je nach Rollengröße
  • Riemen: Der Riemen sollte HTD 5M sein, genauso wie die Zahnriemenscheiben. Dabei handelt es sich um das Zahnprofil, welches aussieht wie ein Halbkreis. 5M gibt den Abstand der Zähne in mm an. Ein Riemen mit 50 Zähnen hat dementsprechend einen Umfang von 250 mm. Übliche Riemenumfänge sind 250-300mm.Kennwerte:

    Breite der Scheiben und dem Riemen: Übliche Breiten sind 9mm, 12mm, 15mm. So breiter der Riemen, desto mehr Drehmoment kann der Motor auf die Rolle übertragen ohne dass es zum Überspringen kommt. Bei einem 2-Motor-System reicht 9 mm. Bei nur einem Motor kann es Bergauf zum Überspringen kommen, was zu mechanischem Verschleiß und Stromspitzen führt.

    Verhältnis der Pulleys: Das Verhältnis beeinflusst das Drehmoment und die maximale Geschwindigkeit. Ein kleiner Motorpulley und ein großer Rollenpulley bedingt das Drehmoment, mindert aber die Höchstgeschwindigkeit.

    Vergrößert man den Motorpulley erhöht sich die Geschwindigkeit, jedoch mindert es das Drehmoment. Der sweetspot zwischen Drehmoment und Höchstgeschwindigkeit, kann rechnerisch ermittelt werden. Dazu folgt ein separater Artikel.

    Elektro Skateboard selber bauen
    Elektro Skateboard selber bauen

    Diese Komponenten können vollständig erworben werden und müssen im Prinzip nur verkabelt und montiert werden.
    Hier einige wichtige Webseiten für den Selbstbau eines Elektro Longboards:

    Shops:
    https://hobbyking.com/de_de/?___store=de_de
    https://shop.elektro-skateboard.de/
    http://alienpowersystem.com/
    http://www.hellray.de/

    Teile zum selber Drucken (3D):
    https://www.thingiverse.com/

    Forums:
    https://endless-sphere.com/forums/
    http://www.electric-skateboard.builders/

Fragen bitte an [email protected]