Stromversorgung unterwegs

Konzept

Damit unterwegs möglichst nie der Strom ausgeht, mussten wir uns ein Konzept für die Stromversorgung überlegen.

Was sollte unterwegs alles aufgeladen / betrieben werden:

  • Smartphones (5V USB)
  • GPS-Tracker (5V USB)
  • Drohne / Kameras (12V mit entsprechendem Ladegerät)
  • Mobiler Luftkompressor (12V)
  • Beleuchtung (12V)

Das Grundkonzept war schnell aufgestellt:

  • Zweitbatterie
  • Batterie-Trennrelais
  • 12V -> 5V DC-DC-Wandler
  • Steckplätze für USB-A Anschlüsse
  • Steckplätze für 12V Anschlüsse

Die Idee dabei war, dass während der Fahrt beide Batterien aufgeladen werden. Sobald der Motor des Autos ausgeschalten wird, sollten die angeschlossenen Verbraucher jedoch nur die Zweitbatterie entladen.

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Schema für Schaltung der Zweitbatterie im Fahrzeug

Links auf dem Schema ist die Lichtmaschine der Alternator abgebildet. Weiter ist mit „B1“ die Fahrzeugbatterie, mit „R“ das Trennrelais und mit „B2“ die Zusatzbatterie gezeichnet.

Das Batterietrennrelais schliesst den Stromkreis, sobald Spannung an der Lichtmaschine anliegt / der Motor des Fahrzeugs läuft.

Material

Als Zweitbatterie wurde ein VARTA Bleiakku 12V 100Ah gewählt. Mit der Kapazität von 100Ah kann ein typisches Smartphone mit ungefähr 2’000mAh Akku ca. 50 mal aufgeladen werden. Dies sollte für unsere Ansprüche reichen.

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12V Fahrzeugbatterie

Das Batterietrennrelais ist ein no name Exemplar aus China (Aliexpress). Der Aufkleber verrät uns lediglich, dass die Schaltung mit 12V DC zurechtkommt. Was die angegebenen 500A bedeuten sollen konnte nicht genauer eruiert werden. Der Funktionstest steht noch aus.

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Batterietrennrelais

Der DC-DC-Wandler ist aus dem Hause RCNUN (Aliexpress). Bis zu 150W sollte er aushalten können.

Ein Smartphone wird mit ungefähr 1.2A bei 5V und somit mit ca. 7W geladen. Mit diesem Wandler könnten also über 20 Smartphones gleichzeitig geladen werden. Genügend Spielraum für unseren Bedarf also.

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12V -> 5V DC-DC-Wandler

Smartphone laden

Da heutzutage alle Smartphones über USB-Ports aufgeladen werden, sollte die Stromversorgung kein grosses Problem darstellen.

Unsere erste Idee, unseren 5V Stromkreis direkt an die VCC und GND Anschlüsse des Standard-USB-Ports anzuschliessen, stellte sich nicht als beste Idee heraus. Da die Ladekontroller in den Smartphones die Ladeströme auf 0.5A beschränken, wenn auf den Pins „D-“ und „D+“ keine Spannung anliegt.

Um die maximal möglichen Ladeströme zu erhalten, müssen unterschiedliche Faktoren berücksichtigt werden:

Android: Zwischen den Data-Pins „D-“ und „D+“ muss ein 200Ohm Widerstand angeschlossen werden. Der Ladekontroller des Smartphones prüft, ob diese Konfiguration vorhanden ist und erlaubt dann höhere Ladeströme.

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Android Ladekonfiguration

Apple: Unseren Freunden aus Cupertino ist diese Konfiguration natürlich nicht einfach genug. Um das iPhone glücklich zu machen, möchte es gerne genau +2.8V auf „D+“ und +2.0V auf „D-“ vorfinden. Mit einer überschaubaren Schaltung kann dies aus den +5V zwischen „VCC“ und „GND“ zusammengebaut werden. Da über die Data-Pins beim Ladevorgang nur wenig Strom fliesst, sind keine Hochleistungswiderstände erforderlich. Im Betrieb sollten über die Widerstände weniger als 1/8W dissipiert werden.

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Apple Ladekonfiguration

Die beiden Ladekonfigurationen wurden zu einer gemeinsamen Lösung kombiniert und gezeichnet. Je nach verbauten Widerständen kann daran ein Android- oder ein Apple-Smartphone mit ca. 1.3A aufgeladen werden.

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Layout der Schaltung

Vor dem bestellen der Platinen wollten wir die Schaltung zuerst testen. Auf einem kleinen Steckboard wurden die Widerstände und Verkabelungen aufgebaut. Als Spannungsquelle wurde gerade unsere 12V Fahrzeugbatterie verwendet. Mätteli hat im „Schere – Stein – Papier“ verloren und sein Smartphone sehr gerne als Testobjekt zur Verfügung gestellt.

Batterie -> DC-DC-Wandler -> Steckboard -> Multimeter in Strommessmodus -> Smartphone.

Natürlich hatten wir keine Batterieklemmen für die 12V Batterie also galt die Devise „Augen zu und durch“ und die Kabel des DC-DC-Wandlers an die offenen Batterie-Kontakte halten und hoffen, dass das Smartphone diese Übung übersteht.

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Versuchsaufbau

Und tatsächlich: Beide Versionen der Schaltungen funktionieren auf Anhieb und ermöglichen ein Aufladen mit 1.2A. Als Vergleich: Wenn die 5V Quelle direkt an die „VCC“ und „GND“ Pins des USB-Ports angeschlossen werden, erlaubt das Smartphone einen maximalen Ladestrom von nur 0.5A.

Die Printplatten können also bestellt werden und die Ladestation kann im Auto eingebaut werden.

Zur Frage „Warum sind 0.5A nicht ausreichend?“: Okay klar, das Aufladen würde auch ohne die Schaltung funktionieren. Aber 1.2A > 0.5A.

Damit wäre das ja mal geklärt.

Um die USB-Anschlüsse Art- und Nerdgerecht unterzubringen, musste natürlich ein Gehäuse aus dem 3D-Drucker her:

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Halbfertige USB-Box

Mit viel Mut und Heissleim zusammengepappt, sieht das Resultat dann so aus:

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Dreiviertelfertige USB-Box

Jetzt muss das alles nur noch im Doblo angeschlossen werden. Machen wir. Bald.

 

Laptop laden

Zur Organisation und Verwaltung unserer Bilder und Filme unterwegs, werden wir ein Macbook 12″ verwenden.

„Ach, das Ding, das nur einen einzigen USB-C-Port hat und denkbar schlecht dafür geeignet ist, mehrere Festplatten anzuschliessen und Bilder und Filme unterwegs zu verwalten und organisieren?“ Ja. Genau so eines.

Das Macbook lässt sich über den USB-C-Port an einer 5V Quelle aufladen. Theoretisch. An einer Powerbank wurde dies getestet und funktioniert. Direkt an der Smartphone-Ladeschaltung angeschlossen macht der kleine Laptop kurz „plim“ – zeigt für eine Sekunde das Symbol für „wird geladen“ an, welches sofort aber wieder verschwindet. Das heisst wir brauchen eine Schaltung um die verfügbaren 5V im Auto dem Applegerät schmackhaft zu machen. „Ok Google“

Resultat: DC -> AC Wechselrichter kaufen. Es gibt keine vertretbare Alternative das Krüppelgerät im Auto aufzuladen.