Ausgabe 21 · Februar 2016

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Steckdose unterwegs – Teil 4

Leistungsstarke Nabendynamo-Ladeadapter mit Pufferakku

von Andreas Oehler

2011 erschien der letzte Artikel der Reihe »Steckdose unterwegs«. Seither gibt es immer neue Produkte auf dem Markt. Diesmal sollen hier leistungsfähige, hochwertige Ladelösungen mit Akkupuffer das Thema sein.

Warum überhaupt einen Akkupuffer verwenden?

Eigentlich erscheint es widersinnig einen zusätzlichen Pufferakku zu nutzen, um einen Akku im Smartphone oder Navi zu laden. Der Pufferakku kostet Geld, muss mit nicht vernachlässigbarer Umweltbelastung produziert werden, hat eine begrenzte Lebensdauer, ist vergleichsweise schwer und unförmig groß, bietet zusätzliche Möglichkeiten für Defekte und hat störende Verluste beim Be- und Entladen. Warum also sollte man sich all das antun?

Der Grund liegt in der Ignoranz der Hersteller vieler Mobilgeräte: Gerade die Hersteller besonders teurer Smartphones wie Apple und Samsung sorgen dafür, dass mit simplen Nabendynamo-Ladegeräten, bei denen bei langsamerer Fahrt der Ladestrom sinkt, der Ladevorgang in diesen Situationen abgebrochen wird oder dauerhaft auf sehr niedrigem Leistungsniveau verbleibt. Erst nach einem vollständigen Abfall der Ladespannung z. B. bei einem Ampelstopp ist wieder maximale Ladeleistung möglich. Garmin lässt beim überwiegenden Teil seiner Outdoor-GPS-Geräte bei jedem Ampelstopp und damit verbundener Ladeunterbrechung eine nervige Warnmeldung erscheinen. Ähnliche Ärgernisse gibt es auch bei vielen anderen Mobilgeräten. Die einfachste Umgehung dieser Probleme ist es, die elektrische Energie vom Nabendynamo in einem Pufferakku zwischenzuspeichern, der dann ohne Unterbrechungen oder Schwankungen kontinuierlich Strom am USB-Ausgang bereit stellt.

Neben den negativen Aspekten bietet ein Akkupuffer aber auch Vorteile gegenüber der direkten Versorgung von Mobilgeräten. So können gute Pufferlösungen bei schneller Fahrt dank höherem maximalen Eingangsstrom mehr Energie vom Nabendynamo ernten, als es das Mobilgerät erlauben würde. Diese Reserve kann dann bei nachfolgender Langsamfahrt oder Pause – oder gar am Abend im Zelt – genutzt werden. Außerdem gibt es Argumente dafür, während der Fahrt nur den Puffer zu laden und die oft empfindliche und undichte Micro-USB-Buchse des Smartphones nicht durch ein eingestecktes Ladekabel zu belasten. Geladen wird dann bei einer Pause in trockener und erschütterungsfreier Situation. Auch bietet der Pufferakku die Möglichkeit, beim Radfahren geerntete elektrische Energie beim Wandern oder einem Pausentag auf Radreise zu nutzen. Zudem lassen sich manche Puffer auch mit Netzstrom laden.

Busch & Müller: USB-Werk

Das USB-Werk ist eine sehr kompakte und robuste Ladelösung mit einem kleinen integrierten Puffer, der nur wenige Minuten Ampelstopp überbrücken kann. Genutzt wird ein zweizelliger LiFePO4-Akku mit 6,4 V/150 mAh, wie er auch im Scheinwerfer Luxos U Verwendung findet. Das verschweißte Kunststoffgehäuse und die Zuleitungen sind wasserdicht. An den kurzen Kabeln gibt es ebenfalls gedichtete Stecker, an die die eigentliche Zuleitung zum Nabendynamo und das Kabel mit einer Auswahl an USB-Buchsen oder Steckern angeschlossen wird. Das Gehäuse wird mittels Kabelbindern am Rahmen oder Lenker befestigt. Anzeigen, Schalter oder Einstellmöglichkeiten gibt es keine. Das von Busch & Müller parallel angebotene E-Werk im gleichen Gehäuse (aber ohne integrierten Akku-Puffer) bietet Drehschalter für Strom und Spannung, die real aber eher zu Verwirrung oder Fehlbedienung führen, ohne im Vergleich zur Standard-Nutzung »USB-Verbraucher laden« Vorteile zu bieten.

Wenn einige Minuten lang weder Strom vom Nabendynamo kommt noch ein Verbraucher am USB-Anschluss Strom aufnimmt, dann schaltet sich das Gerät aus. Will man bei Stillstand des Fahrrads das USB-Werk aktivieren um einen neu angesteckten Verbraucher zu versorgen, so muss man das Nabendynamo-Rad kurz in Bewegung setzten.

Beworben wird das USB-Werk zurückhaltend mit einem maximalen USB-Strom von 500 mA. Real funktioniert das USB-Werk gut mit den meisten Verbrauchern – insbesondere sparsamen Geräten wie Garmins Outdoor-GPS. Weil wasserdicht und unauffällig können es auch ängstliche Naturen dauerhaft am Fahrrad montiert lassen.

Cinq5: The Plug III in Kombination mit Smart Power Pack II

The Plug hatten wir schon im ersten Artikel dieser Reihe untersucht – damals noch in einer anderer Bauform. Gleich geblieben ist das robuste Aluminiumgehäuse, das elegant anstelle der Ahead-Kappe moderner Vorbauten angebracht wird. Die dritte Version ist etwas leistungsfähiger geworden, hat aber nach wie vor die etwas irritierende Eigenschaft, manche leistungshungrige Verbraucher bei langsamen bis mittelschnellem Tempo überhaupt nicht zu laden. Ein Verbraucher wie beispielsweise der weiter unten vorgestellte Pufferakku »Boropower IP036« (typisch für preisgünstige chinesische »Powerbank«-Lösungen) beginnt erst bei Fahrgeschwindigkeiten oberhalb 25 km/h am SON28 im 28″-Rad geladen zu werden. Der Vorteil ist, dass hier »zickige« Smartphones von Apple und Samsung mit hohem Ladestrom geladen werden oder gar nicht – nicht aber wegen derer verquerer Ladesteuerung bei schneller Fahrt auf unnötig niedrigem Ladestrom verbleiben.

Nun wird vom Reiserad-Hersteller Tout Terrain (Cinq5 ist dessen Zubehör-Marke) eine speziell zum Plug III passende Puffer-Lösung angeboten: Smart Power Pack II. Das außergewöhnliche daran ist die Möglichkeit, den Eingangsstrom in drei Stufen vorwählen zu können, 100/400/900 mA. Die niedrigeren Stromstufen sorgen dafür, dass der Plug3 schon bei langsamer Fahrt zu laden beginnt. Gemessen haben wir den Start des Ladebetriebs in niedrigster Stufe bei 8 km/h, in mittlerer bei 12 km/h und höchster bei 23 km/h. Ab Einsetzten des Ladebetrieb bleibt die Leistung konstant und schaltet bei Unterschreiten des entsprechenden Tempos wieder aus.

Bedient wird das Smart Power Pack mittels eines Tasters. Als Anzeige dient eine Mehrfarb-LED. Diese kann u.a. den Ladestand anzeigen. Der Taster dient auch dazu den USB-Ausgang einzuschalten. Alternativ gibt es die Möglichkeit per »Auto-On/Off« ein ähnliches Verhalten wie das des USB-Werks zu erreichen, also bei bewegtem Nabendynamo die USB-Spannung einzuschalten und nach fünf Minuten Stillstand automatisch abzuschalten. Außerdem gibt es ein weiße LED als kleine Taschenlampe und 2 rote LED zur Verwendung als Notfall-Rücklicht. Das Einschalten der Spezialfunktionen und erst recht die Programmierung der Ladestrom-Stufen mit nur einer Taste bedürfen recht hoher Konzentration und möglichst einer direkt vorliegender Bedienungsanleitung.

Als Speichermedium ist eine Lithium-Ionen-Zelle NCR18650A von Panasonic verbaut – ein vergleichsweise hochwertiges Markenprodukt, dem man die angegebenen 3.100 mAh bei Strömen unter 1 A durchaus glauben kann.

Ingenieurbüro Thomas Treyer: Be On Bike Dynamo Harvester

Recht neu auf dem Markt ist der Dynamo-Harvester. Hier hat ein in der Fahrradszene bislang unbekanntes Ingenieurbüro eine aufwändige Lösung realisiert, um in einem breiten Geschwindigkeitsbereich jeweils angepasst möglichst hohe Leistung entnehmen zu können. Ein Microcontroller variiert dazu gezielt das Lastverhalten des Schaltreglers, um jeweils den »maximum power point« des Nabendynamo zu finden. Die zum Zeitpunkt des Test noch nicht verfügbar »Plus«-Version des Harvester soll noch höhere Leistungen ernten können. Für die Plus-Version nennt der Hersteller bis zu 7,5 Watt bei 20 km/h im 28″-Rad. Angeschlossen an den Nabendynamo wird das Gerät über offen angebrachte 4,8 mm breite Flachstecker – wie sie auch am SON28 zu finden sind. Eine LED zeigt Ladestand und Betriebsbereitschaft an. Wie beim USB-Werk wird der USB-Ausgang durch kurzes Bewegen des Nabendynamos aktiviert. Das Gerät bietet zudem die Möglichkeit der Kommunikation per Bluetooth an. Spezielle Apps für iPhone (ab Modell 4S) und Android (ab Version 4.3) stehen kostenlos zur Verfügung, sind zum Betrieb aber nicht erforderlich. Mangels entsprechend moderner Smartphones wurde dies hier nicht getestet. Die App bietet allerdings keine Informationen zum Ladebetrieb, sondern ermöglicht nur die Anzeige von Fahrgeschwindigkeit und barometrisch gemessener Höhe am Smartphone.

Als Akku ist ein Samsung ICR18650-30A verbaut – eine hochwertige Lithium-Ionen-Zelle mit nominell 3.000 mAh. Die Zelle steckt in einem Batteriehalter und kann werkzeuglos durch den Nutzer getauscht werden.

Jens During: Forumslader Automatik V5

Bereits im ersten Artikel »Steckdose unterwegs« war ein Forumslader mit im Test – und lieferte mit Abstand die höchste Leistungsentnahme vom Nabendynamo. Damals gab es zwei manuell zu schaltende Stufen für langsame und schnelle Fahrt. Der aktuelle Forumslader Automatik V5 schaltet automatisch 4 Stufen, um jeweils höchste Leistung entnehmen zu können. Schaltkriterium ist dabei die Frequenz der Nabendynamo-Spannung entsprechend dessen Drehzahl. Entgegen der aufwändigen »maximum power point«-Suche des Microcontrollers im Dynamo Harvester zur Ansteuerung eines Schaltreglers werden hier schlicht verschiedene Kondensatoren in die Wechselstrom-Zuleitung aus dem Nabendynamo geschaltet. Bei langsamem Tempo kommt zudem eine Spannungsverdopplerschaltung zum Einsatz, um auf das mit 10 bis 12 Volt relativ hohe interne Spannungsniveau zu kommen. Geladen werden drei in Reihe geschaltete Lithium-Mangan-Zellen. Diese haben bei der hier getesteten Kompakt-Version je 700 mAh. Alternativ gibt es das Gerät auch mit 2.250 mAh starken Akkuzellen.

Wie auch beim Dynamo Harvester kann ein Bluetooth-Modul Informationen zum Smartphone senden. Das Modul ist hier aber optional. Eine App wird nur für Android angeboten, läuft aber auch auf alten Geräten mit Android 2.2 noch problemlos. Die App bietet neben der Bereitstellung von Fahrgeschwindigkeit und barometrischer Höhe sowie daraus errechneten Werten auch Lade- und Entladestrom sowie die Akkuspannung an. Man kann überdies beobachten, wie zwischen den Ladestufen umgeschaltet wird. Alle Messwerte werden in einer detaillierten Statistik gespeichert. Notwendig zum Laden von Geräten ist die App nicht.

Minimal-Lader und Powerbank Boropower IP036

Der Minimal-Lader wurde ebenfalls bereits im ersten Artikel dieser Reihe vorgestellt: Eine extrem einfache Selbstbaulösung aus einem Brückengleichrichter mit Schottky-Dioden, Glättungs-Elko und einer 5,1-Volt-Zenerdiode zur Spannungsbegrenzung sowie einem 330-µF-Kondensator im Wechselstromzweig zur Leistungserhöhung. Alternativ wird hier auch ein 230-µF-Serienkondensator getestet. Als Puffer dient eine Powerbank Boropower IP036, wie sie so oder ähnlich bei Internet-Händlern angeboten wird. Auf Knopfdruck kann mit 4 LEDs der Ladestand angezeigt und eine LED als Taschenlampe geschaltet werden. Als Speichermedium verwendet diese zwei Lithium-Ionen-Zellen Samsung ICR18650-26C. Nominell haben diese jeweils 2.600 mAh Kapazität, was Boropower auf dem Gehäuse kreativ zu 5.600 mAh addiert. Es gibt zahlreiche ähnliche chinesische USB-Pufferakkus auf dem Markt. Wichtig für die Nutzung mit dem Minimallader und aktuellen Smartphones sind mindestens 800 mA am Eingang und mindestens 1,5 A am Ausgang. Laden und Entladen sollte wie beim IP036 ohne Tastendruck automatisch und vor allem gleichzeitig funktionieren. In Europa ist ein Gerät mit gleichem Gehäuse wie das Boropower IP036, aber leicht modifizierter Elektronik von der Schweizer Firma Sistech erhältlich. Laut deren Angabe sind zwei Samsung ICR18650-30B verbaut, was real 6.000 mAh ergibt. Das Produkt heißt dort Swisscharger Powerbank XL-22.

Sinewave Revolution

Außer Konkurrenz, da ohne Akkupuffer, soll hier noch kurz das Sinewave Revolution vorgestellt werden. Dies ist die Ladelösung eines kleinen Hersteller in den USA, die sich wachsender Beliebtheit bei dortigen Reiseradlern erfreut. Bislang wird das Gerät noch nicht von Europa aus vertrieben. Es handelt sich um ein verschraubtes Kunststoff-Kästchen in Streichholzschachtel-Größe. Die Elektronik ist wasserdicht in Harz vergossen – nur die USB-Buchse ragt heraus.

Maximale dauerhafte Leistung am USB-Ausgang

Während Outdoor-GPS-Geräte mit ca. 1 Watt betrieben werden können, benötigen moderne Smartphones etwa 2 Watt im Navigations-Betrieb mit heller Displaybeleuchtung. Netz-Ladegeräte für Smartphones liefern heute mindestens 5 Watt. 2 Watt sollte eine Nabendynamo-Ladelösung also dauerhaft bei üblichem Durchschnittstempo liefern, damit der Ladestand nicht absinkt. Gemessen haben wir dafür bei laufendem Nabendynamo die Ladeleistung am USB-Ausgang des Pufferakkus und dabei die Last so reguliert, dass an der Akkuzelle selbst kein Strom mehr fließt – also alle Leistung vom Nabendynamo kommt. Verwendet wird hier ein aktueller SON28. Die Fahrgeschwindigkeit bezieht sich auf ein 28″-Laufrad mit 700 mm Laufraddurchmesser. Gemessen wurde stets von Stillstand bis 70 km/h. Der Prüfstand entspricht dem Aufbau der vorhergegangenen Artikel der Serie »Steckdose unterwegs«. Im wesentlichen ist das ein motorisch angetriebener SON28 und zwei GMC Metrahit 29S Multimeter zur präzisen Leistungsmessung. Als Last wird entweder der jeweilige Pufferakku im halbvoll geladenen Zustand genutzt oder ein elektronischer Lastwiderstand, der so eingeregelt wird, dass bei 4,4 bis 5,0 Volt der Punkt maximaler Leistung erreicht wurde. Dieser Spannungsbereich ist typisch für Ladespannungen an USB-Verbrauchern.

Die Messungen zeigen, dass der Forumslader mit Abstand die höchste Dauerleistung bietet. Der Sinewave Revolution erreicht im Diagramm etwas höhere Leistung als der Dynamo-Harvester. Da Powerbank-Lösungen wie das hier getestete Boropower IP036 (ebenso das Smart Power Pack) aber nur einen Wirkungsgrad von 75–85 % zwischen Ein- und Ausgang bieten und auch nur maximal 5 Watt am Eingang aufnehmen, würde die Kombination Sinewave Revolution mit Pufferakku weniger Leistung als der Dynamo-Harvester bieten. Das USB-Werk liefert ab 15 km/h die fürs Smartphone erforderlichen 2 Watt. Mit knapp über 3 Watt bei 30 km/h kann es bergab nicht allzu viel Reserveren für Langsamfahrstrecken oder Pausen sammeln. Smartphone-Navigierer mit USB-Werk sollten also besser meist schneller als 20 km/h fahren, um den Ladestand dauerhaft zu halten. Der Minimal-Lader mit 330-µF-Serienkondensator und der externen Powerbank liefert schon ab 14 km/h mehr als 2 Watt. Damit liegt es sogar besser als die meisten teuren Konkurrenzprodukte. Allerdings wird die Leistung bei schnellerer Fahrt nur unwesentlich höher. Die dauerhafte Versorgung energiehungriger Smartphones ist also nur möglich, wenn nur selten Pausen oder extrem langsames Tempo vorkommen. Wenn ein Smartphone auch ohne Puffer gut geladen wird (wie Modelle von Motorola, HTC, Sony), erreicht man 20 % höhere Ladeleistung. Die Nutzung eines 230-µF-Serienkondensator beim Minimal-Lader bringt etwas mehr Leistung bei 18–35 km/h, dafür aber deutliche Abstriche bei langsamer Fahrt. Bei Nutzung des Smart Power Pack II am The Plug III ist die Wahl des optimale Ladestrom schwierig. Wenn ein sparsamer Verbraucher wie ein Outdoor-GPS betrieben werden soll, wird der 400-mA-Modus fast immer ausreichen. Smartphone-Nutzer hingegen sollten in der Regel schneller als 23 km/h unterwegs sein, sonst reicht es nicht für dauerhaften Betrieb.

Ladeleistung zum Akkupuffer

Wenn kein Verbraucher am USB-Anschluss versorgt wird, wünscht man sich möglichst hohe Ladeleistung in den Puffer-Akku. Eine Messung war bei den Testmustern hier aber nicht immer möglich. Zum einen Bestand nicht immer die Möglichkeit die Akku-Anschlüsse zugänglich zu machen oder das Einfügen des Meßgeräte-Shunt für die Strom-Messung beeinträchtigte die Funktion des Ladeadapter. Herr Treyer hatte beim Dynamo Harvester bereits explizit darauf hingewiesen, dass ein Strommessgerät störend wirken würde – und das zeigte sich dann auch bei über 30 km/h und Ladeleistung größer als 4 Watt. Bei allen Ladelösungen außer dem Minimal-Lader geht bei vollständig geladenem Akku die Ladeleistung auf minimale Werte zurück. Bei keinem System wird der Akku »überladen« und beschädigt, auch wenn lange Zeit nur geladen und nicht entladen wird.

Leistung aus dem Nabendynamo

Einerseits wünscht man sich maximale Ladeleistung – andererseits muss diese Leistung auch vom Fahrer aufgebracht werden. Zwar geht bei allen Lösungen bis auf den Minimal-Lader die Leistung stark zurück, wenn der Puffer-Akku voll ist und auch am USB-Anschluss nichts verbraucht wird. Aber während des Ladevorgang bremst die aufzubringende Leistung natürlich schon ein wenig. Zu der elektrischen Leistung ist dabei noch der Wirkungsgrad eines hochwertigen Nabendynamo zu bedenken, der bei niedrigen Leistungen bei 50–60 %, bei sehr hohen Leistungen 70–80 % beträgt. Gerade wenn ein sehr großer Puffer-Akku genutzt wird, kann es Stunden dauern ihn aufzuladen. Zum Vergleich: In der Ebene benötigt ein Reiserad in halbwegs sportlicher Sitzposition 200–250 Watt Tretleistung für eine Geschwindigkeit von 30 km/h. Der Forumslader bremst dann mit etwa 15 Watt mechanisch, der Dynamo Harvester mit 9 Watt und der Minimal-Lader mit unter 5 Watt. Das reduziert entsprechend die Geschwindigkeit um 0,3 km/h (Minimal-Lader) bis 1 km/h (Forumslader).

Wirkungsgrad Akku zu USB-Anschluss

Wenn der USB-Anschluss teilweise oder ausschließlich aus dem Akku gespeist wird, ist ein hoher Wirkungsgrad der Elektronik wünschenswert. Die Messungen zeigen, dass die billige chinesische Boropower Powerbank hier erstaunlich gute Werte liefert – insbesondere bei niedrigen Entnahmeleistungen. Hervorragend mit über 90 % ist der Wirkungsgrad beim USB-Werk. Mehr als 2,5 Watt Ladeleistung sind aber bei reinem Akku-Betrieb nicht möglich. Der Forumslader ist bei niedrigeren Leistungen weniger effizient, was aber daran liegt, dass hier auch das Bluetooth-Modul versorgt wird, was zusammen mit den anderen »Komfort-Funktionen« einen gewissen Grundumsatz bedingt, der bei niedriger Leistung mehr ins Gewicht fällt.

Daten im Überblick

Fazit

Alle hier vorgestellte Lösungen haben sich im über ein Jahr (2014/2015) erstreckenden Test im Labor und in der Praxis als tauglich erwiesen. Mit sparsamen Verbrauchern wie Garmin Outdoor-GPS-Geräten reicht das USB-Werk auch bei sehr langsamen Fahrern für wochenlangen Betrieb ohne Nachladen am Netz. Wer ein modernes Smartphone intensiv nutzen will und immer mal längere Pausen überbrücken muss, der hat derzeit mit dem Forumslader V5 die meisten Reserven. Smartphone-Nutzer die eher wie Randoneure zügig und ohne große Pausen unterwegs sind, haben mit dem Dynamo Harvester mehr als genug Energie verfügbar. Der Minimal-Lader mit der einfachen chinesischen Powerbank ist auch mit kleinstem Budget bezahlbar. The Plug III und das Smart Power Pack II verhalten sich deutlich anders als die anderen Ladelösungen und können somit bei speziellen Anwendungen Vorteile bieten. Zudem sind sie mechanisch sehr elegant und robust ausgeführt. Das Sinewave Revolution ist eine besonders leichte, kleine und leistungsstarke Lösung.