Vom Rentnermobil zum Mini-Traktor?

Die Geschichte dieses Projektes begann an einem Grillabend mit der Frage: „Wie kann ich ein Rentner-Mobil (auch Elektromobil, Mobility Scooter oder Senioren Scooter genannt) schneller machen?“.

Kurzer Bericht: Was anfangs simpel erschien (Überbrückung der Bordelektronik), entpuppte sich schnell als suboptimal.

Problem: Kühlung der Motorsteuerung

In der Abbildung unten siehst Du die neue Motorsteuerung. Sie soll – laut Datenblatt – bis zu 3.000 Watt managen können.

Im Hintergrund ist eine Grafikkarte mit einem riesigem Kühlkörper und zwei Ventilatoren zu sehen. Sie nimmt es mit 300 Watt im Dauerbetrieb auf. Der Motortreiber darunter soll laut Datenblatt die zehnfache Leistung (3.000 Watt) schalten können.

Kurz: Das „Kühlsystem“ dieser Motorsteuerung kann die bei 500 Watt entstehende Wärme nicht abführen – die Thyristoren werden durchbrennen.

China-Motorsteuerung verbessern

Von der Schaltung her sind diese DC-Motor Speed-Controller nicht verkehrt – die Kühlung ist einfach nur unterirdisch. Eine passive Kühlung funktioniert nicht bei 24 Volt und 20 Ampere. Dieser Motortreiber brennt im INVACARE Leo nach kurzer Zeit (Sekunden) durch.

Die Kühlrippen austauschen? Das geht leider nicht, ohne alle Thyristoren samt Kühlkörper auszulöten, den kein Schraubendreher passt zwischen die eng platzieren Bauteilen. Der Platz wird auch noch geringer, je weiter die Schraube herausgedreht ist.

Steuerung einhausen (Gehäuse) und kühlen

Eine eventuelle Lösung: Es kann ein Gehäuse für den Motorcontroller gebaut werden (muss es ohnehin, um Spritzwasser fernzuhalten) und ein verbauter PC-Lüfter sorgt für „Umluft“.
Das ist ein guter Ansatz, der umgesetzt werden muss. Doch ein wild durch die Gegend blasender Ventilator bringt nichts. So ein „Fan“ muss geplant und konzipiert werden. Er muss die Luft von einer Richtung in die andere Abführen können. Das Spritzwasser geschützte Gehäuse bräuchte Luftschächte zur Abfuhr der aufgeheizten Luft.

Ihr seht schon: So einfach wird es nicht werden, ein Senioren Elektromobil mit preiswerten Komponenten aus China zu tunen, frisieren, umzubauen. Selbst ein Ersetzen der originalen Motorsteuerung beim INVACARE Leo (DR90) mit einem anderen Speedcontroller (Motorsteuerung) funktioniert nicht, OHNE diese preiswerte, aber fehlkonstruierte China-Motorsteuerung aufwendig umzubauen.

Per Software lässt sich der Leo kaum wirklich tunen – maximal von 6 bis 8 Km/h ist drin.

Zusätzliche Kühlrippen Aufstecken/ Anschrauben

Die vorhandenen Kühlkörper können nicht mit vertretbarem Aufwand durch größere ersetzt werden. Es können aber (passend gefertigte) Kühlrippen aufgesteckt oder festgeschraubt werden. Die Ableitung der Verlustwärme erfolgt über Wärmeleitpads oder Wärmeleitpaste (Thermal Paste).

Eine ausgezeichnete Entscheidungshilfe zum Thema „Wärmeleitpaste oder Wärmeleitpad“ findest Du auf der Website altium.com.

Wichtig: Es sollte die Wärmeverteilung an den aufgesteckten Kühlrippen kontrolliert werden.

Wenn die aufgesteckten Kühlkörper relativ kühl sind, bedeutet das nicht, dass die originären Kühlkörper ihre Wärme optimal weiterleiten. Es kann auch bedeuten, dass die Wärmeleitpads ihre Aufgabe nicht erfüllen, oder der aufgesteckte Kühlkörper einfach nicht passt.

An dieser Stelle wäre das Vorhandensein eine Wärmebildkamera – oder wenigstens ein Laser-Infrarot-Thermometer – eine gute Geschichte. So kannst Du die Temperatur auf den verschiedenen Kühlkörpern auf dem LCD-Display sehen.

Merke: Mit dem „Finger auf einen Kühlkörper kannst Du kontrollieren, ob er kalt, oder – FÜR DICH gefühlt – heiß ist. Aber nicht, ob die Temperatur über 150 Grad liegt und die höchstwahrscheinlich in den nächsten Minuten Bauteile durchbrennen werden.

Oft hilft ein Betropfen des Kühlkörper mit Spucke. Je schneller sie verdampft, desto höher die Temperatur auf dem Kühlkörper. Die alten Hasen kennen diesen Trick – jüngere Generationen benötigen eine Stoppuhr und eine Tafelwerk, um und eine fertige Tabelle per Google.

Kühlkörper aufstecken?

Im Handel gibt es passende Kühlkörper zum Aufstecken auf Leistungstransistoren, Thyristoren, CPUs oder anderen elektronischen Bauelementen mit einer hohen Hitzeentwicklung zu kaufen. Das funktioniert ausgezeichnet, weil jedes elektronische Bauteil weltweit genormt ist. Wir aber benötigen einen Kühlkörper, der auf einen nicht-standardisierten Kühlkörper aufgesteckt werden kann.

An dieser Stelle würde ein selbst gefräster Aluminium-Kühlkörper weiterhelfen. Allerdings könnte er „abrutschen“, den ihm fehlen kraftübertragenden Federelemente.

Doch wie wäre es, wenn die aufgesteckten Kühlrippen durch Schrauben Spannung erzeugen und so Halt erzeugen? Ja, das ist eine vielversprechende Möglichkeit, um eine universelle Kühlrippen auf nicht standardisierte Kühlkörper zu montieren.

Verschraubbare Kühlkörper selbst herstellen?

Ich habe in der Küche meiner Hobbywohnung eine kleine Proxxon CNC-Fräse stehen. Sie kann anhand einer CAD-Zeichnungen aus Aluminium das „eine“ oder „andere“ fräsen. Allerdings ist die Leistung dieser Hobby-Maschine unterirdisch. Die Proxxon CNC MF-70 kann aus einem Alu-Block keinen Kühlkörper in vertretbarer Zeit herausfräsen. Das müsste eine professionelle Firma für Lohnarbeiten übernehmen – was viel Geld kostet. Schon das alleinige Einrichten der Fräsmaschine, die Übernahme der CAD-Datei …. kostet hunderte Euro. Für weniger steht leider kein Selbstständiger vom Sofa auf.

Wie wäre die Idee, einen Kühlkörper per 3D-Druck im Filament druck zu fertigen? Additive (Zugaben von Stoffen) entscheiden über die Eigenschaften eines 3D-Druckes.

Es geht auch ohne CNC-Fräse!

Zwar sind die verbauten chinesischen Kühlrippen nicht genormt wie die Leistungselemente auf der Leiterplatte, doch dank eines Tricks könnten wir dennoch Wärme überleiten auf „externe Kühlkörper“.

Im Handel gibt es bei OBI Aluminium U-Profile mit den Maßen 21x21x1 mm zu kaufen. Diese Profil haben einen inneren Abstand von 19 mm.
Wenn der Kühlkörper eine Breite von 17,5 mm aufweist, und die Wärmeleitpads 1 mm messen, würde der zur Verfügung stehende Platz genügen, um Abwärme abzuleiten.

Eigenbau Kühlkörper: Aluminium U-Profil mit 19 mm Innenweite

Ein Alu-U-Profil als Kühlkörper Basis

Die kleinen Kühlkörper der Motorsteuerung sind 17,4 mm breit. Hier kann ein Stück Aluminium U-Profil mit 19 mm Innenweite aufgesetzt werden. Damit möglichst viel Wärme an die Luft abgegeben werden kann, werden später Kühlrippen (mit Wärmeleit-Paste) auf das U-Profil geschraubt. Wärmeleit-Paste gleicht (immer vorhandene) Unebenheiten aus.

Vielleicht ist ein 25x19x25 Aluprofil besser geeignet, weil hier ein Gewinde im Alu geschnitten werden kann, mit dem eine Maden/Feststellschraube das Kupferblech gegen den originalen Kühlkörper pressen kann.

Der Zwischenraum links und rechts (jeweils 0,8 mm) wird mit Kupferblech und Wärmeleitpads überbrückt. Hierbei bieten sich Wärmeleitpad mit einer Dicke von 0,5 mm an.

Wärmeleitpads zur Wärmeübertragung

Wärmeleitfolien (Wärmeleitpads) leiten Hitze weniger effektiv als Wärmeleitpaste ab, doch verursachen sie auch weniger Sauerei. Deswegen nutze ich 0,5 mm dünne Pads und füll den restlichen Abstand mit Kupferplättchen auf.

Kupferblech zur Optimierung der Wärmeübertragung

0,5 mm dünne Kupferstreifen mit 10 mm Breite und ein 0,5 mm dünnes Wärmeleitpad (kann auf 0,3 mm gedrückt werden) passen zwischen dem originalen Kühlkörper und dem aufgesteckten Alu-U-Profil. Wer eine kleine Fräsmaschine besitzt, stellt die Blechstreifen aus Kupfer preiswert selbst her. Ist das nicht möglich, müssen passende Kupfermaterialien gefunden und gekauft werden.

Wenn wir von einer (guten) Wärmebildkamera reden, reden wird von einem über 1.000 Euro teuren Produkt. Das steht zunächst in keinem gesundem Verhältnis zu einer 15 Euro billigen Motorsteuerung aus China.