Elektroantrieb (Fahrrad)

Unter Elektroantrieb eines Fahrrades werden die wesentlichen Bauteile Elektromotor, Akku und Steuereinheit und ihr Zusammenwirken verstanden. In Europa und Japan wird der Elektroantrieb am häufigsten als zusätzliche Antriebshilfe beim Radfahren, beim sogenannten Pedelec verwendet.

Allgemeines

Der Elektroantrieb ist bei allen Elektrofahrrädern grundsätzlich gleich. Unterschiedlich ist lediglich die Steuerungstechnik als Folge der unterschiedlichen verkehrsrechtlichen Behandlung. Beim Pedelec sind die gesetzlichen Beschränkungen am stärksten. Der Elektroantrieb darf nur wirken, wenn pedaliert wird: die Leistung des Motors und die Fahrgeschwindigkeit sind begrenzt und Pedalieren und Fahrgeschwindigkeit sind mittels Sensoren zu erfassen.

Nabenmotor mit Getriebe

Motoren

Es werden fast ausschließlich Gleichstrommotoren ohne oder mit Getriebe verwendet. Es handelt sich um kommutatorlose oder bürstenbehaftete Scheibenläufermotoren. Die Kohlen in den Kohlebürsten unterliegen einem gewissen Verschleiß.

Die Verwendung wartungsfreier Wechselstrom-Asynchronmotoren ist die Ausnahme.

Antriebskonzepte

Von den vielen Möglichkeiten, ein Fahrrad mit einem Motor anzutreiben, werden folgende verbreitet angewendet. Dabei kann zwischen Direktantrieb eines der beiden Räder mit Hilfe eines Nabenmotors und indirektem Antrieb mit einem separat montierten Motor (oft als Mittelmotor bezeichnet) unterschieden werden.

Ansatzpunkte des Elektroantriebs

Direkte Einspeisung der Motorkraft in eins der beiden Laufräder:

Nabenmotor im Laufrad (häufig),

über Reibrolle auf den Fahrradreifen (selten).

Indirekte Einspeisung der Motorkraft in das Hinterrad:

über separaten Ketten- oder Zahnriementrieb (in der Regel an der linken Hinterradseite, selten),

über die Fahrradkette (häufig):

über in die Kette eingreifendes Ritzel (häufig),

über ein zum Kettenblatt paralleles Blatt, das Teil eines separaten Kettentriebs ist (selten),

über die Tretlagerwelle (jüngste Entwicklung):

über ein Stirnradgetriebe (häufig),

über ein Kegelradgetriebe (Sattelrohrantrieb, selten).

Motor (und Akku) auf einem Anhänger (Schubanhänger, selten).

Direktantrieb mit Nabenmotor

Den Platz der Radnabe nimmt entweder ein reiner Elektromotor oder einer, der mit einem Getriebe kombiniert ist, ein. Das macht das Umrüsten auf den Zusatzantrieb relativ einfach. Der Austausch gegen kürzere Speichen entfällt bei Angeboten, die ein komplett neues Rad mit Nabenmotor enthalten.

Der getriebelose Motor hat im Vergleich zu einem Getriebemotor einen vergleichsweise großen Durchmesser, weil die relative Geschwindigkeit zwischen Stator (mit der Radachse verbunden) und Rotor (Außenläufer, mit den Speichen verbunden) eines Elektromotors einen minimalen Wert haben muss.^[1] Durch den größerem Radius der Rotormasse erhöht sich auch das Massenträgheitsmoment, wodurch zum Beschleunigen und Bremsen mehr Energie erforderlich ist.

Ein Nabenmotor mit Getriebe ist kleiner als der getriebelose. Er hat einen kleineren Durchmesser und somit ein kleineres Massenträgheitsmoment. In Nabenmotoren werden wegen des technischen Aufwandes selten Nabenschaltungen eingebaut.^[2] Wenn auf eine solche nicht verzichtet werden soll oder sonstige Gründe dafür sprechen, wie zum Beispiel gewünschter Vorderradantrieb, ein leichterer Ausbau des angetriebenen Rades u. a., erfolgt der Nabenantrieb vorne.

Ein Nabenmotor im Vorderrad hat den Nachteil, dass er dessen Kreiselmoment verändert. Beim getriebelosen Nabenmotor wird es wegen des besonders hohen Massenträgheitsmoments so hoch, dass das Lenken erschwert sein kann. Beim Nabenmotor mit üblicherweise einem Planetengetriebe dreht der Rotor rückwärts. Sein Kreiselmoment ist von dem des Vorderrades zu subtrahieren, weshalb das Halten des Gleichgewichts erschwert sein kann.

Die Traktion ist immer kleiner als bei Hinterradantrieb, da der Gewichtsanteil auf das Vorderrad kleiner als auf das Hinterrad ist. Andererseits ergibt der Elektroantrieb vorne mit dem Muskelantrieb hinten einen auf beide Räder verteilten Allradantrieb.

Indirekter Antrieb

Ein schneller kleiner Getriebemotor wirkt entweder mit einer eigenen Kette (oder Zahnriemen) auf das Hinterrad oder über die vorhandene Kette gemeinsam mit dem Kurbelantrieb.

Beim Dolphine-Bike werden die Drehzahlen von Pedal- und Motorantrieb in der von Michael Kutter erfundenen und patentierten Weise in der Nabe (ähnlich dem Gehen auf einem Fahrsteig) addiert. Der Motor ist am Sattelrohr befestigt.^[3] In einem als Nachrüstsatz erhältlichen Antrieb ist der Motor an der linken Sattelstrebe und die große Zahnriemenscheibe direkt an den Speichen des Hinterrades montiert.^[4]

Der Antrieb über die Fahrradkette hat den Vorteil, dass der Motor mit der für seine Leistung optimalen Drehzahl betrieben werden kann, so wie der Fahrer eine bestimmte Trittfrequenz hat, um seine Antriebsleistung optimal einzubringen. Mit Hilfe des Schaltgetriebes bleiben Trittfrequenz und Motordrehzahl bei veränderlicher Fahrgeschwindigkeit annähernd konstant. Die Drehzahl eines Nabenmotors variiert mit der Fahrgeschwindigkeit.

In den unteren Strang der Fahrradkette lässt sich mit einem Ritzel am Motor, der hinter dem Tretlager unten montiert ist, eingreifen. Die Platzverhältnisse und Befestigungsmöglichkeiten an dieser Stelle sind ungünstig, so dass keine nachrüstbaren Motoren auf dem Markt sind. Das Prinzip wird im Tretlager-Kettenantrieb^{[Smolik 1]} von Panasonic,^[5] der in vielen Pedelecs eingebaut ist, verwendet. Der Rahmen wird von den Produzenten an diese Antriebseinheit, in der das Tretlager (mit Drehmoment-Sensor) integriert ist, angepasst.

Die Weiterentwicklung des Tretlager-Kettenantriebs ist der Tretlagermotor, bei dem der Umweg über das Kettenritzel entfällt. Der Motor wirkt auf die im Antriebsgehäuse schon enthaltene Tretlagerwelle.^[6][7]

Ein nachrüstbarer Tretlager-Kettenantrieb ist möglich, wenn man den Motor vor dem Tretlager am unteren Schrägrohr des Rahmens befestigt. Man verwendet dafür eine kleine zusätzliche Kette und ein zusätzliches Kettenblatt am Kurbelantrieb.^[8]

Andere Antriebskonzepte

Bereits 1982 wurde von den Heidemann-Werken in Einbeck ein Nachrüstbausatz mit einem auf den Reifen wirkenden Radrollenmotor vorgestellt.^{[Smolik 2]}. Dieses schon früher beim Velosolex, einem herkömmlichen Mofa, erfolgreich angewandte Prinzip fand beim Elektrofahrrad – und damit beim Pedelec – keine Verbreitung.

Eine Besonderheit ist der Sattelrohrmotor, der unsichtbar im Sattelrohr (Innendurchmesser etwa 31mm) als sehr kleiner Getriebemotor eingebaut ist. Ein Beispiel dafür ist der Vivax Assist (früher Gruber Assist).^[9] Er hat nur etwa 900g Masse, steuert aber auch nur etwa 100W effektive Zusatzleistung aus einem 200W-Motor bei. Er wirkt mittels eines Kegelrad-Ritzels auf einen auf der Tretlagerwelle angebrachten Zahnring.

Beim Konzept des Fahrradschubanhängers befinden sich sowohl der Motor als auch der Akku. Der Anhänger wird nur bei Bedarf an das normale Standardfahrrad angekuppelt.

Der Akkumulator

Der Akkumulator (Akku) ist wie bei jedem elektrischen Fahrzeug, das ihn als Energiequelle mitführt, auch hier das die physikalisch-technischen Grenzen setzende Bauteil. Auch die von modernen Lithium-Ionen-Akkumulatoren gespeicherte Energiemenge (z. B. 0,5 kWh bei 2,5 kg Masse) ist mehr als eine Größenordnung kleiner als der Energievorrat von Benzin (etwa 10 kWh/kg). Das Prinzip Pedelec trägt diesen Grenzen Rechnung. Das Fahrrad sollte nicht zum selbstfahrenden Verkehrsmittel werden. Die mitführbare Menge der umweltfreundlichen elektrischen Energie wird so eingesetzt, dass die Antriebsarbeit des Fahrers motorisch unterstützt wird. Er kann sich auf diese Weise schonen, einen sonst zu steilen Berg bewältigen oder länger und weiter fahren.

Bleigel-, Nickel-Cadmium- (NiCd), Nickel-Metallhydrid- (NiMH) und Lithium-Ionen-Akkus weisen in dieser Reihenfolge eine steigende Energiedichte auf.^[10] Sie steigt von Typ zu Typ auf den etwa doppelten Wert. Die Ladezeiten der Akkus betragen je nach Typ 2 bis 9 Stunden.

Die schweren alten Bleigel-Akkus werden nicht mehr verwendet. Mit den preiswerten NiCd-Akkus kann man etwa 25 bis 30 km, mit den NiMH-Akkus etwa 45 km und mit den teuersten Li-Ion-Akkus über 50 km weit fahren.^[11] Zwei LiIon-Akkus sind etwa gleich schwer wie ein NiCd-Akku, sodass man mit ihnen bei gleicher zugeladenen Masse auf etwa 100 km kommt.

Beim NiMH-Akku ist die Zahl der möglichen Nachladungen, also die Lebensdauer deutlich kleiner als beim NiCd-Akku. Das erhöht die laufenden Kosten des Pedelec-Fahrens. Die besonders leichten, aber teuren Li-Ion-Akkus werden inzwischen von den meisten Herstellern eingesetzt. Sie können noch weniger oft nachgeladen werden. Auch können bei ihnen bei Kurzschluss und Überspannung heftige chemische Reaktionen ausgelöst werden, was bei Laptops schon zu Rückrufaktionen führte. Sie vertragen auch meist keinen Frost. Die Deutsche Post AG führt momentan Sicherheits- und Haltbarkeitstests durch, bevor die bestehende Flotte von rund 5.500 Pedelecs eventuell auf Li-Ion-Akkus umgerüstet wird.

In naher Zukunft werden Lithium-Polymer-Akkus mit nochmals höherer Energiedichte erhältlich sein. Es gibt auch erste praxistaugliche Versuchsmodelle, bei denen der Akku durch eine Brennstoffzelle und einen Wasserstofftank ersetzt wurde. Diese Konstruktion bietet den Vorteil, dass Ladezeiten und Akkuverschleiß entfallen und auf eine längere Tour zusätzliche Tanks mitgenommen werden können. Allerdings vertrugen die ersten Brennstoffzellen keine Temperaturen unter 0° C. Die deutsche Post hat einige dieser Räder in Gebrauch, um die Haltbarkeit und Reparaturanfälligkeit dieses Systems zu testen.

Hersteller, die ihre Pedelecs mit NiCd-Akkus bestücken, liefern meist ein Netzteil mit, welches den NiCd-Akku vor dem eigentlichen Ladevorgang vollständig entlädt, um den Memory-Effekt zu verringern. NiMH-Akkus haben einen wesentlich geringeren Memory-Effekt. Bei Lithium-Ionen-Akkus fehlt dieser ganz.

Vielversprechend sind auch Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, die deutlich langlebiger sind als die aktuell bevorzugt eingesetzten Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Ihr Einsatz könnte die laufenden Kosten durch Akku-Verschleiß signifikant senken. Derzeit sind sie bei den meisten Pedelec-Modellen noch nicht serienmäßig erhältlich.

Motorsteuerung

Der als Motorsteuerung bezeichnete dritte Teil des elektrischen Zusatzantriebs beim Elektrofahrrad hat verschiedene Aufgaben, die sich in drei Gruppen zusammenfassen lassen.

• Eine rein technische Steuerung des Motors mit Stromwenden (elektronischer Kommutator) in den bürstenlosen Motoren und der Sicherung des Motors vor Überhitzung und Abschalten bei leerem Akku.
• Benutzerfreundliches und sicheres Fahren ermöglichen, was beim Pedelec-Prinzip heißt: Man hat nichts weiter als bisher zu tun und doch wird einem das Gefühl vermittelt, „als hätte man auf einmal die durchtrainierten Beinmuskeln eines Rennradlers“.^{[Smolik 3]}
• Gesetzliche Beschränkungen einhalten, dies kann sein:
  • Antriebshilfe als Pedelec nur, wenn der Fahrer die Tretkurbeln bewegt,
  • Verhindern, dass die Motorunterstützung oberhalb der erlaubten Fahrgeschwindigkeit wirkt.

Die erste Aufgabengruppe ist unabhängig von der vorliegenden Verwendung der Elektromotoren. Es handelt sich um Standardaufgaben, deren Erfüllung „Stand der Technik“ im Sinne eines Patentes ist. Die beiden anderen Aufgabengruppen sind miteinander verquickt, weshalb die Art ihrer technischen Verwirklichung in den Vordergrund tritt. Ein wesentliches Kriterium ist die Art der angewendeten Sensoren und die von ihm erfasste physikalischen Größen.

Die folgende Beschreibung behandelt die umfassendste Steuerung, die des Pedelecs.

Drehmoment- beziehungsweise Kraftsteuerung

Das Radfahren mit zusätzlicher Antriebshilfe ist intuitiv am leichtesten, wenn die Zusatzleistung proportional mit der vom Fahrer über die Pedale eingebrachten Leistung steigt. Diese Leistung ist proportional zum Drehmoment, dem wieder eine Umfangskraft proportional ist. Eine solche Kraft kann an den Tretkurbeln, an der Tretkurbelwelle oder in der Kette wirken. Man kann zum Beispiel die in der Kette vorhandene Zugkraft an derjenigen Kraft erkennen, mit der die Achse des Hinterrades in den Ausfallenden am Hinterrad festgehalten werden muss, was mit einem in die Befestigung der Hinterradachse im rechten Ausfallende zwischengeschalteten Kraftsensor erfolgt. Beim Tretlager-Kettenantrieb und dem Tretlagermotor wirkt die Motorkraft zusätzlich auf die Kette, weshalb an einer der genannten anderen Stellen gemessen werden muss. Im häufig verwendeten Panasonic-Antrieb wird das vom Fahrer erzeugte Drehmoment berührungslos an der Tretlagerwelle gemessen.^[5]

Die Steuerung bewirkt auf Grund der ermittelten Kraft in der Regel eine gleich große Zugabe durch den Motor. Der Fahrer kann meistens dieses Verhältnis verändern, wobei ein größeres und ein kleineres Verhältnis üblicherweise zur Auswahl stehen. Diese benutzerfreundliche Steuerung wurde bereits von Yahama in den 1990er Jahren angewendet (und als PAS für Power Assist System bezeichnet), als es gelang, Pedelecs erstmals in größerer Stückzahl herzustellen und zu verkaufen .

Drehbewegungssteuerung

Die Drehbewegungssteuerung ist gegenüber der Drehmomentsteuerung im Nachteil. Der Fahrer hat unter Umständen mit einer wenigstens beim Anfahren zu hoch eingestellten Zusatzleistung zu tun oder ist gefordert, deren Grad selbst einzustellen. Neben grober Verstellung in Stufen gibt es Pedelecs mit einem zusätzlichen „Gasgriff“, der in Reihe mit der Geschwindigkeitsüberwachung geschaltet ist und das Anfahren wesentlich erleichtert.

Heute wird unter PAS jede Art von Steuerung verstanden, also auch die Drehbewegungssteuerung. Der Sensor ist ein einfacher Drehmelder.

Geschwindigkeitssteuerung

Die Fahrgeschwindigkeit wird durch Drehzahlmessung an einem Rad vorgenommen. Sie ist nötig, damit der Zusatzantrieb gesetzeskonform beim Überschreiten der erlaubten Höchstgeschwindigkeit abgeschaltet wird. Bei manchen Pedelecs mit Drehbewegungssteuerung wird der Grad der Zusatzleistung mit der gemessenen Geschwindigkeit automatisch verändert.

Das schnelle Pedelec

Beim sogenannten schnellen Pedelec erfolgt die Abschaltung des Zusatzantriebes bei etwa doppelt so hoher Geschwindigkeit wie beim normalen Pedelec. Von dem unterscheidet es sich abgesehen von der höheren Geschwindigkeit in Ausrüstung, Handhabung und im Fahrverhalten sonst nur wenig, der Unterschied besteht in der gesetzlichen Handhabung.

Ein schnelles Pedelec hat manchmal einen Motor höherer Leistung (z. B. 500 Watt anstatt 250 Watt). Die schnellen Gänge der Schaltung reichen bis zur höheren Höchstgeschwindigkeit.

Anfahrhilfe

Die Anfahrhilfe erlaubt eine Motorunterstützung auf Knopfdruck auch ohne Pedalieren. Sie dient dem leichteren Anfahren aus dem Stand und als Schiebehilfe dem eigenständigen „Fahren“ des Fahrrades. Diese Art der Motorunterstützung ist in der Regel auf eine Maximalgeschwindigkeit von 6 km/h begrenzt.

Leistungselektronik

Die Leistungselektronik (Leistungssteuerung) besteht, abhängig vom verwendeten Motortyp, aus einem Gleichstrom-Motorregler mit Pulsweitenmodulation oder einem Gleichstrom-Wechselstrom-Regler.

Energierückgewinnung

Alle Motorentypen bieten im Prinzip die Möglichkeit zur Nutzbremsung, also die Rückspeisung von Energie beim Bremsen. Angeboten werden nur wenige Modelle mit Nutzbremsung, in der Regel nur bei solchen mit getriebelosem Radnabenmotor. Die Energierückspeisung ist nicht unumstritten, da Aufwand zu Nutzen in Frage gestellt wird.^[12]

Einzelnachweise

1. ↑ Die Umdrehungszahl eines 28-Zoll-Rades ist bei einer Geschwindigkeit von 20 km/h nur etwa 2½/s. Elektromotoren haben in der Regel eine um Größenordnungen höhere Drehzahl.
2. ↑ Beispiel Sparc von SRAM (PDF): Nabenmotor mit eingebauter 5-Gang-Schaltung
3. ↑ “Erfolgsgeschichte Dolphin”, Herstellerbroschüre: vgl. "EVO-Drive", S. 2
4. ↑ Beispiel: Akkubike.
5. ↑ ^{a b} Kettenantrieb von Panasonic
6. ↑ Beispiel: Bosch bei Panterbike
7. ↑ Beispiel: Kalkhoff, In: Urbanbiking (Bild 3)
8. ↑ Beispiel Boosty-Antrieb
9. ↑ Beispiel: Sattelrohrmotor Vivax/Gruber Assist.
10. ↑ Alles über Akkus von Pedelecs und E-Bikes. In: UrbanBiking.
11. ↑ FAQ: Akku. Website von BikeTec (Hersteller des Flyer.)
12. ↑ Vgl. FAQ: Frage #5 (Rekuperation). bei ElfKW.

• Christian Smolik, Michael Bollschweiler, Verena Ziese: Das Elektrorad: Typen, Technik, Trends. Bva Bielefelder Verlag, Bielefeld 2010, ISBN 978-3-87073-435-0.

1. ↑ Vgl. Begriff Tretlager-Kettenantrieb, S. 47.
2. ↑ S. 8.
3. ↑ S. 10.

Literatur

• Christian Smolik, Michael Bollschweiler, Verena Ziese: Das Elektrorad: Typen, Technik, Trends. Bva Bielefelder Verlag, Bielefeld 2010, ISBN 978-3-87073-435-0.
• Teja und Eberhard Müller: E-Bike-Technik: Funktion und Physik der Elektrofahrräder. Books on Demand GMBH, Norderstedt 2011, ISBN 9 783 842 361 942.