Abstract English

What if we could expand an existing or freely selectable small boat with an affordable, electric drive system with pedal assistance easily and non-destructive?

And what if the battery wouldn´t be full at the start of the journey and empty after a more or less long time, but can be charged at the same time while driving, so that not only short trips but infinitely long journeys are possible.

For me as a product developer, but also a water sports enthusiast and cyclist, that sounds like a dream that I would love to explore. This project aims to clarify how much of this dream can be realized and how it could work and look in detail.

At the end of the processing, there should be a technically and functionally well thought-out overall concept. It is very important to me that not only a theoretical design study is created, but a design that can actually be implemented, which should also become a real product after all.

Ausgangssituation

Im Zuge der Miniaturisierung von Microcontrollern, Elektromotoren und Energiespeichern sind in den letzten Jahren hervorragende Voraussetzungen für die Elektromobilität entstanden. Lithium-Ionen-Akkus sind nicht nur umweltfreundlich und leicht, sondern bieten auch eine etwa sechsmal höhere Energiedichte als die früher bekannten Bleigel Batterien bei etwa einem Drittel Gewicht. Auch bürstenlose Motoren und -generatoren setzen sich immer mehr durch. Hier ist der bewegliche Rotor mit Permanentmagneten bestückt und die Spulen befinden sich auf dem feststehenden Stator, sodass keine Kohlebürsten mehr erforderlich sind, woraus sich Wirkungsgrade von bis zu 97 % ergeben und wegen der geringen Wärmeentwicklung hohe Leistungen bei kleinen Baugrößen erzielt werden können.

Diese Entwicklung hat in den letzten Jahren zum Durchbruch der Pedelecs in der urbanen Mobilität geführt, aber auch für den Einsatz im Wasser sind dabei einige wenige kleine und leistungsfähige elektrische Antriebslösungen entstanden, die den herkömmlichen Außenborder für Kleinstboote wie Kajaks, Canadiern oder SUP ablösen.

Unter den am Markt erhältlichen portablen Antriebslösungen ist mir allerdings keine mit einem Tretantrieb zur Reichweitenerhöhung, ähnlich dem E-Bike, bekannt.

Parallel dazu gab es bis heute zwar einige Konzepte für einen nachrüstbaren mechanischen Kanu-Pedalantrieb, von denen aber kaum eines am Markt Bestand hatte, da die Kraftübertragung über einen Direktantrieb universell für verschiedene Fahrzeuge recht kompliziert in Konzeption und Anwendung ist.

Aktuell erhältliche Tretantriebe beschränken sich daher hauptsächlich auf die feste Kombination mit speziellen Fahrzeugen mit entsprechender Aussparung im Boden. Hat man bereits ein Boot, ist eine Nachrüstung meist nur destruktiv, also z.B. durch Öffnen des Bodens usw. möglich, was nicht immer akzeptabel und für einige Bootstypen, z.B. Schlauchboote, gar nicht möglich ist.

Zielformulierung

Entwurfsziel soll also ein portables Antriebssystem sein, das sich vor allem durch zwei Alleinstellungsmerkmale auszeichnet: Es ist leicht und reversibel an möglichst vielen handelsüblichen Kleinstbooten montierbar und es ist in der Lage, mittels eines Generators die Batterie (bei entsprechend moderater Geschwindigkeit) auch während der Fahrt zu laden bzw. den Input mit dem Output zu synchronisieren und damit die Akkureichweite quasi unendlich zu verlängern.

Durch den Einsatz von zwei Propellern, je einer pro Seite sollte es möglich sein, auf ein herkömmliches Steuerruder und den damit verbundenen Installationsaufwand zu verzichten. Der Nachteil des verringerten Wirkungsgrades einer rein elektrischen Kraftübertragung sollte für durch den geringen Installationsaufwand, die enorme Flexibilität und Skalierbarkeit und die gegenüber einer an spezielle Fahrzeuge gebundenen Lösung deutlich erweiterte Zielgruppe mehr als wettgemacht werden.

Als Ergebnis dieser Arbeit soll ein Gesamtkonzept entwickelt und dargestellt werden, das anhand von Funktionsmodellen die technischen und gestalterischen Details bis hin zu einer Prototypreife klärt.

Umsetzung

Die Grafik unten zeigt das logische Gesamtkonzept, wie ich es mir zu Beginn vorgestellt habe. Im Verlauf des Funktionsmodellbaus soll dieses Konzept technisch auf Machbarkeit überprüft und bei Bedarf entsprechend verändert werden.

Grob betrachtet sind für das Konzept 5 Module notwendig:

Das Generatormodul, welches den Generator zur Stromerzeugung und die Tretkurbel für dessen Antrieb enthält. Dazu kommt das Logikmodul, dem ich den Microcontroller zur Informationsverarbeitung und Motorsteuerung das Userinterface für die Interaktion mit dem Nutzer zuordne. Das eigentliche Antriebsmodul besteht aus zwei Motoren mit Propeller, Unterwasserstrahler genannt, und soll damit gleichzeitig Vortrieb und Lenkung übernehmen können.

Zum Zwischenspeichern der Energie ist noch ein Akkumodul notwendig. Auch hier ist das Konzept sehr frei in der Auswahl möglicher Produkte. Das letzte wichtige Modul ist der Sitz. Dieser erscheint zwar zunächst niederkomplex, ist aber aufgrund der Vielfalt der zu erwartenden Anwendungsmöglichkeiten ein Detail, welches unbedingt erprobt werden muss, da er eine kraftschlüssige Verbindung zum Generatormodul benötigt.

Die Umsetzung des Entwurfs im Detail ist in der angehängten PDF-Datei nachzulesen. Hier eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Punkte:

Generatormodul: 

Ein handelsüblicher Brushlessgenerator funktionierte im Funktionsmodell wie geplant, bei gemäßigter Fahrt wird abzüglich aller mechanischen und elektrischen Verluste des Gesamtsystems eine echte elektrische Leistung von 50 Watt erzeugt, mit sportlichem Einsatz lassen sich auch Leistungen jenseits der 100 W erreichen. Das ist ausreichend, um die Motoren auch auf Dauer zu betreiben. 

Das Generatormodul war ursprünglich komplett eigenständig geplant, damit es bei Benutzung z.B. weggelassen oder für den Tandembetrieb verdoppelt werden kann. Im Verlauf des Funktionsmodellbaus erwies sich aber die Verbindung eines optionalen Generators mit einem in Höhe und Position variablen Sitz als nicht befriedigend umsetzbar. Dies führte zu einer Konzeptänderung: 

Für den finalen Entwurf entschied ich mich für einen weniger modularen, aber dafür stabilen Komplettrahmen, an welchen Generator, Tretkurbel, Interface und Akku fest montiert werden können. Lediglich der Sitz muss noch verstellbar bleiben. Das System soll eine schlüssige Einheit bilden, die im Ganzen und ohne Bastelei einfach ins Boot gestellt werden kann. Es bleibt dabei mit etwa 1,5 m Gesamtlänge weiterhin so transportabel, dass es in einen Kofferraum passt. Im Falle eines Transports dürfte meist auch ein Boot transportiert und damit ein KFZ genutzt werden.

Die Möglichkeit der Nutzung ohne Treteinheit entfällt zwar dadurch, aber da für diesen Zweck nur die Motoren, ein Akku und ein einfaches Bedienteil notwendig sind, wäre es sinnvoller, hierfür einen separaten Akkupack mit integriertem oder kabellosem Bedienteil anzubieten.

Antrieb:

Das Antriebsmodul dient der Motorisierung des Fahrzeugs. Diese ist für diesen Entwurf insofern etwas besonders, als das zwei Motoren zur Anwendung kommen. Daraus ergeben sich zwei Vorteile: Der Wichtigste ist die Möglichkeit der Steuerung ohne Ruderanlage. Vergleichbare Konkurrenzprodukte mit Minimotoren müssen immer mithilfe einer herkömmlichen Ruderanlage oder, bei Kajak, SUP oder Schlauchboot, mit einem zusätzlichen Paddel steuern.

Dieser Aufwand entfällt hiermit. Werden die Motoren jeweils seitlich außen unter dem Bootsrumpf positioniert, ist es möglich, durch Verlangsamen oder Rückwärtsfahrt eines einzelnen Motors das Boot zu steuern, auch auf der Stelle zu drehen. Dies muss der Nutzer nicht bewusst tun, die richtige Ansteuerung der Motoren übernimmt die Software des Interfacemoduls.

Aktuelle Brushless-Unterwasserstrahler bieten die gleiche Leistung wie herkömmliche kleine Elektro-Außenborder, bei weniger Energieverbrauch und deutlich weniger Baugröße. Ich entschied mich speziell für einen T200 Thruster von Bluerobotics, der pro Stück mehr als 300W dauerhaft umsetzen kann.

Die Befestigung erfolgt über ein Gurtsystem, das gleichzeitig der Kabelführung und Fixierung des Komplettrahmens dient.

Interface:

Das Interface-Modul bildet das Herz des Systems. Hier laufen Generator, Motor, Batterie sowie Ein- und Ausgaben zusammen. Ein Microcontroller wertet die Daten aus und übernimmt die Ansteuerung der Motoren.

Über das Userinterface kann der Nutzer Einstellungen vornehmen und das Boot steuern. Je nach gewählter Einstellung synchronisiert der Controller die Geschwindigkeit der Motoren mit der vom Generator erzeugten Leistung, sorgt für die Umsetzung von Lenk- und Bremskommandos, überwacht den Batteriestatus und gibt dem Nutzer Informationen über Systemstatus und gewählte Einstellungen.

Die visuellen Informationen werden über ein 1,5 Zoll Oled Display angezeigt. Dieses könnte z.B. folgendermaßen bespielt werden:

Eine Möglichkeit der Steuerung mit nur einem Bedienelement wäre ein kleiner 3-Achsen-Joystick mit Taster oder bei Aufsplittung in zwei Elemente könnte die Z-Achse über einen Daumenhebel in der einen Hand und die X- und Y-Achse über einen 2-Achsen-Joystick in der anderen Hand bedient werden. Beides ist in verschiedensten Größen erhältlich bis zur 3 cm Daumenbedienung z.B. am Ende eines Griffes.

Die X-Achse dient der Impulsbeschleunigung, also z.B. Bremsen oder kurze Schubstöße beim Manövrieren und die Y-Achse zur Richtungssteuerung. Die Z-Achse, also der drehbare Steuerknüppel bzw. der Daumenhebel regelt je nach Fahrmodus die Balance bzw. die absolute Geschwindigkeit. Der Taster würde den Fahrmodus umschalten.

Die Position der Bedienelemente bereitete mir lange Kopfzerbrechen, ursprünglich wollte ich eine unscheinbare mittige Integration in das Gehäuse, was sich aber am Modell als nicht praktikabel erwies. Eine alternative Variante ist die seitliche Positionierung in Verbindung mit dem Nutzer Sicherheit vermittelnden Haltegriffen. Diese ich gestalterisch nicht besonders schön, da sie das aufgeräumte Gesamtbild stört, ist aber in der Praxis so am besten zu bedienen.

Im weiteren Verlauf der Projektumsetzung sollte auch der Einsatz eines Neigungssensors für die häufigen, aber minimalen Korrekturen der Geradeausfahrt getestet werden.

Sitz:

Obwohl der Sitz ein passives Element der Gesamtkonstruktion darstellt, sollte seine Bedeutung vor allem für die angestrebten langen Ausfahrten nicht unterschätzt werden. Unter Liegeradfahrern ist die Wahl des passenden Sitzes eine Wissenschaft für sich. Für den vorliegenden Entwurf ist zu beachten, dass es bei Booten mit vorhandener, nicht demontierbarer Sitzbank möglich sein muss, den System-Sitz oben darauf zu positionieren.

Der initiale Entwurf sah vor, Sitz und Generatormodul unabhängig voneinander einsetzen zu können und bei Bedarf mit Gurten oder Schienen zu verbinden. Da sich aber schon sehr früh im Modellbau herausstellte, das eine stabile Verbindung essenziell für das Funktionieren des Entwurfs ist, soll der Sitz stattdessen über eine Rahmenkonstruktion mit der Tretkurbel verbunden werden. Es ist aber weiterhin nötig, den Sitz passend zu Beinlänge und gewünschter Fahrerposition verschieben und neigen zu können.

Für diesen Entwurf habe ich mich für einen Schalensitz aus GFK entschieden. Mit diesem Werkstoff ist es möglich, Form und Kontur völlig frei zu gestalten und dabei die geschwungenen Linien von Rahmen und Gehäuse weiterzuführen.

Akkumulator:

Die Zeiten von schweren Bleigel-, Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Akkus sind glücklicherweise vorbei. Wurden früher auch Pedelecs noch mit solchen Akkutypen verkauft, setzt man mittlerweile für verbrauchsintensive Anwendungen Lithium-Ionen-Akkus ein, die eine bis zu 6x höhere Energiedichte von bis zu 180 Wh/kg besitzen und auch vergleichsweise umweltfreundlich sind.

Da die üblichen, aktuell verbreiteten Lithium-Ionen-Akkus eine penible Pflege benötigen, um überhaupt die angegeben 150 – 300 Ladezyklen und 3 Jahre Lebensdauer zu erreichen, habe ich mich für eine deutlich robustere Zellchemie entschieden, den Lithium-Eisenphosphat Akku (LifePo4). Diese Zusammensetzung hat eine etwas geringere Energiedichte, kann aber dafür von allen Lithium Varianten am unkompliziertesten genutzt werden, hat eine hohe Kalenderlebensdauer von bis zu 10 Jahren und eine Zyklenfestigkeit von 1000 -5000 Zyklen. 

Der von mir für das Funktionsmodell aus A123 Zellen konfektionierte Akkupack hat mit 4x4 Zellen eine Größe von nur 29 x 5 x 5 cm und eine Kapazität von 10Ah bei 14,4V Ladeschussspannung. Das sind etwa 150 Wattstunden, was angesichts der möglichen Energierückgewinnung durch den Generator auch für lange Touren ausreichen sollte. Mit etwa 1,2 kg ist der Akkupack dabei noch sehr leicht. Der Akku in dieser Konfiguration würde nur etwa 100 € kosten, bei hervorragender Performance und gut 10 Jahren Lebenserwartung. Der Nutzer könnte je nach Bedarf z.B. für längere Ausfahrten auch mehrere Austauschakkus erwerben bzw. unter verschiedenen Größen auswählen.

Gehäuse und Rahmen:

Das Herzstück des finalen Entwurfs nach der Konzeptänderung wird das Mittelgehäuse sein, hier finden Generator, Akku, Tretlager und die elektronischen Komponenten Platz. Über eine einfache Rahmenkonstruktion, die aus zwei geschwungenen Längsprofilen besteht, wird das Gehäuse inklusive Tretkurbel fest mit dem Sitz verbunden. Gleichzeitig ist der Rahmen für die Standsicherheit des Gesamtsystems verantwortlich und soll die Vibrationen des Generators, möglichst nicht auf den Bootsrumpf übertragen. Dazu steht der Rahmen auf gebogenen Profilen, die durch ihre leichte Flexibilität Schwingungen dämpfen können und dem Gesamtsystem Standfestigkeit verleihen.

Der Rahmen darf und soll gern aus einem Plattenwerkstoff bestehen, der z.B. mittels CNC Technik in Kleinserie, aber auch industriell günstig hergestellt werden kann. Die Nutzung von zwei einfachen Plattenprofilen ermöglicht es, Volumen und Oberflächen zu schaffen, ohne dabei in die teure Herstellung von Vollverkleidungen gehen zu müssen. Damit bildet der Entwurf eine Brücke zwischen den beiden Extremvarianten Rohrkonstruktion und Vollverkleidung. 

Was ich erreichen möchte, ist eine möglichst aufgeräumte Erscheinung mit gut erkennbarer Linienführung aus jedem Betrachtungswinkel. Die leichten Biegungen vorn und hinten sind außerdem wichtig für Standsicherheit und Körperschallentkopplung und könnten bei einem Kunststoffmaterial mit Wärme erzeugt werden. Auch eine Herstellung aus versiegeltem Formholz kann ich mir sehr gut vorstellen.

Fazit und Ausblick

Der vorliegende Entwurf ist im Rahmen der Bachelorarbeit abgeschlossen. 

Von einer möglichen Serienfertigung ist er aber noch ein gutes Stück entfernt und auf dem Weg dorthin dürfte sich noch einiges ändern. Einige Funktionen wie z.B. die Steuerung per Neigungssensor konnten im Bearbeitungszeitraum nicht mehr getestet werden, sollen aber in weiteren Modellbauiterationen noch einmal aufgegriffen und in der Praxis erprobt werden.

Ich glaube an das Potenzial dieses Entwurfs und werde auch nach dem Studium weiter daran arbeiten, um ihn mit den richtigen Partnern hoffentlich von der Entwurfs- in die Marktrealität überführen zu können.

Ein wichtiger Punkt im Verlauf der bisherigen Bearbeitung war die Entscheidung, die anfangs angestrebte Modularität aufzugeben und statt kombinierbarer Teilprodukte eine fest definierte Einheit zu entwickeln. Einige Features sind dadurch weggefallen, dafür hat das Produkt stark an Zuverlässigkeit gewonnen. 

Ich persönlich freue mich auf eine Reise mit dem ersten kompletten Prototyp noch in diesem Jahr, auf dem der Entwurf sich unter Realbedingungen beweisen darf. Und dann bin ich gespannt, wie es damit weitergeht.