Gesamtpaket

Welche Komponenten werden (außer Rahmen oder Fahrrad) mindestens benötigt um ein E-Bike zu bauen?

benötigte Teile für E-Bike

Wieviel Power bekomme ich von meinem System nun raus? Die grobe Anwort ist Volt x Ampere = Watt (V x A = W)
Ein Beispiel: Habe ich einen Akku mit einer Spannung von 72 Volt und weise dem Controller 50 Ampere zu, dann bekomme ich maximal 3.600 Watt.
1.000 Watt oder 1 Kilowatt sind 1,36 PS. Also gesamt knapp 5 PS…

Nahezu lautlos ohne lokalen Emissionen und mit hohem Spaßfaktor. Was das in km/h bedeutet, hängt von dem Motorwindungen ab, dem Rollwiderstand (Reifen), Felgendurchmesser, Luftwiderstand, etc.

Mehr Volt = höhere Geschwindigkeit, mehr Ampere = mehr Drehmoment und mehr Hitzeentwicklung

Motor

Es gibt hauptsächlich Nabenmotoren oder Mittelmotoren mit entsprechenden Vor- und Nachteilen. Prinzipiell mag ein Elektromotor gerne hohe Umdrehungen, um eine hohe Effizienz zu erreichen. Das nutzt vor allem der Mittelmotor, der auch die Fahrradgänge nutzt, um möglichst hoch in einem optimalen Bereich zu drehen. Dabei kann die volle Leistung auch beim Anfahren oder steilen Bergen genutzt werden. Im Gegensatz zum Nabenmotor, der vom Laufrad gebremst wird und die Effizienz erst bei höheren Geschwindigkeiten erreicht. Der Mittelmotor über die Fahrradkette ist aber von der Maximalleistung begrenzt und Schaltvorgänge funktionieren nur mit Zugunterbrechung, dafür ist die Gewichtsverteilung und Schwerpunkt meist optimaler. Durch die effiziente Motordrehzahl ideal für bergige Gegenden, aber es kann nicht rekuperiert werden.

Wir unterscheiden zwischen zwei gängigen Naben-Motoren:

  • Der Getriebemotor ist bis 1.000 Watt gut geeignet – er hat eine leichte kompakte Bauweise und einen Freilauf. Das Problem dabei ist, daß durch das Getriebe zusätzliche mechanische Teile in Bewegung sind, welche kaputt werden können und normalerweise auch lauter sind. Bei 50 km/h hört sich das wie eine Hummel unter dem Arsch an. Außerdem ist keine Rekuperation möglich.
  • Der Direktmotor hat außer den Lagern keine mechanische Beanspruchung und ist deshalb sehr leise und wartungsarm, hat eine Rekuperationsfunktion und ist die erste Wahl bei viel Leistung.

Welcher Motor ist nun der richtige?
Ein breiterer Stator erzeugt mehr Drehmoment und je größer der Motor, desto mehr Leistung kann reingepumpt werden, da er auch mehr Hitze aufnehmen kann. Ein Nebenprodukt von Leistung ist Wärme, da die Leistung nicht 100% Effizienz erreicht. Wird die Temperatur zu hoch, können die Isolierungen der Kabel schmelzen und einen Kurzschluss verursachen. Ein Motor der mit 3.000W bewertet ist, kann kurzfristig auch deutlich mehr leisten, wenn die Temperatur überwacht wird. Hier seht ihr ein Beispiel von einem modifizierten Crystalyte 3540, der mit 112 V und 400 A belastet wird (ja, 44,8 kW). Alle unsere Motoren sind mit einem Temperatursensor ausgestattet und können mit einem Cycle Analyst V3 oder Adaptto Display überwacht werden.

Zu den Windungen:

  • schnelle Windungen sind für eine höchstmögliche Geschwindigkeiten ausgelegt
  • eine langsame Wicklung erreicht schon bei langsameren Geschwindigkeiten eine höhere Effizienz und vermittelt ein Gefühl von mehr Drehmoment. Außerdem rekuperiert diese besser und ist etwas effizienter, vor allem bergauf entsteht dabei weniger Hitze. Empfehlenswert für alle jene, die nicht auf Höchstgeschwindigkeit aus sind

Hier könnt ihr die Motoren noch etwas vergleichen

Controller

Der Controller ist die Schnittstelle zwischen Akku und Motor. Gleichzeitig wird der Gashebel oder Tretsensor, die Bremsschaltung, der Computer usw. angeschlossen. Wird ein Controller voll ausgelastet, wird er ganz schön warm. Deshalb sollte der Controller immer außen angebracht sein und es empfiehlt sich, den Controller immer eine Nummer größer zu kaufen. Die Hauptklassifierung wird in FET eingeteilt, je mehr FETs, desto weniger ist jeder einzelne ausgelastet und erzeugt weniger Wärme. Es gibt auch noch verschiedene Qualitätsstufen, gängige sind 3077, 4110 oder 4115 (höher verträgt mehr Volt).

Seit ein paar Jahren verbreiten sich im Radbereicht vermehrt Sinuswellencontroller, diese sind deutlich leiser und etwas effizienter, aber auch teurer und nur mit Hallsensoren zu betreiben.

Akkus

Wie lange hält denn ein Akku? Gehen wir wiederum von einer nominalen Spannung von 72 Volt aus und einer Kapazität von 15 Amperestunden (Ah). Wenn ich diesen beiden Werte multipliziere erhalte ich die Wattstunden (Wh). Das Ergebnis ist 1.080 Wh oder knapp 1,1 kWh.

Das heißt ich kann eine Stunde lang 1.080 Watt Leistung beziehen. Das klingt erstmal nicht viel – ist aber mehr als du denkst. In der Ebene zieht das oben genannte Gesamtpaket beim Anfahren mit Vollgas zwar die 3,6 kW – aber selbst wenn ich weiter mit Vollgas beschleunige, geht der Verbrauch merklich zurück.
Dazu nehmen wir als Beispiel mal ein ausgereiftes Auto mit Elektroantrieb: Den Tesla Model S. Der Motor mit einer Maximalleistung von 310 kW und einem Akku von 85 kWh, wird mit einer Reichweite von 502 km angegeben…

Eine Akkugröße wird auch gerne in S (Serie) und P (Parallel) angegeben. Dazu wird die nominale Spannung der einzelnen Zelle genommen (meist 3,6V). Ein 20S sind dann 72 V oder 13S sind 46,8 V. Multipliziert man die P erhält man die Anzahl der Zellen, z.B. 14S 6P = 84 Zellen.
Eine Zelle variiert in der Spannung von voll geladen 4,2 V bis entladen bis 3 V (je nach Zelle). Das heißt ein 20S hat voll geladen 82 V und entladen 60 V, das merkt man dann auch beim Fahren. Wird die Akkuspannung nicht voll ausgereizt und weniger hoch geladen (4,1 V) und entladen, so verlängert sich das Akkuleben deutlich.

Es gibt viele verschiedene Arten von Akkus mit verschiedenen Eigenschaften:

  • Überbegriff Lithium-Ionen-Akku mit Unterformen
  • Lithium-Polymer-Akku oder kurz Lipoly (z.B. von Hobbyking):
    Vorteile: Kompakte Bauweise, geringes Gewicht (140–260 Wh/kg) und hohe C-Rate, preiswert
    Nachteile: 300 bis 600 Ladezyklen, empfindlich bei Überladung und Tiefenentladung, sowie mechanischen Einflüssen (Brand- oder Explosionsgefahr), Temperaturarbeitsbereich eingeschränkt (Kälte), benötigt Batteriemanagement (BMS)
  • Lithium-Eisenphosphat-Akku oder LiFePO4 (z.B. Headway 40152):
    Vorteile: 1.000 Zyklen, hohe Sicherheit, verbesserte Umweltfreundlichkeit, sehr geringer Spannungsabfall bei Entladung, geringe Selbstentladung
    Nachteile: Niegrigere C-Rate, 30% mehr Platzbedarf als Lipoly, höheres Gewicht (80–130 Wh/kg), benötigt BMS
  • Lithium-Nickel-Cobalt-Aluminum-Oxid-Akku oder NCA (z.B. Samsung 20R mit 10C oder 29E mit 2C):
    Vorteile: hohe Energie- und Leistungsdichte zu einem vernünftigen Preis, 500 bis 700 Ladezyklen
    Nachteile: nicht wirklich sicher, evtl. mit aufwändiger Ummantelung, benötigt BMS
  • Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Akku oder NMC (teilweise NCM) (z.B. Samsung 22P):
    ähnlich wie NCA, jedoch etwas geringere Lebensdauer (Mangan kann sich zersetzen) und günstiger
  • Lithium-Mangan-Akku oder LiMn (z.B. Sony V3 oder Konion, VTC4)
    Vorteile: kann ohne Batteriemanagement betrieben werden, driftfrei und eigensicher, hohe C-Raten, mindestens 90% Kapazität nach 500 Zyklen

Ein minderwertiges BMS kann den ganzen Akku zunichte machen! Achtet auf weit verbreitete Fälschungen von Akkuzellen!

Wie schnell kann ein Akku geladen werden? Das hängt auch wieder von der C-Rate und dem Ladegerät ab. Wenn der oben genannte Akku eine Kapazität von 15 Ah hat und das Ladegerät eine Leistung von 5 A, dann ist der Akku in drei Stunden voll. Kann das Ladegerät 15 A abgeben, ist der Akku in einer Stunde voll. Akku und Ladegerät haben aber auch Verluste und die Effizienz wird vermindert.

Wichtig ist auch, daß die Batterie dazu geeignet ist, die Leistung liefern zu können (die C-Rate). Diese wird fürs Entladen und Laden angegeben.

Was ist die C-Rate? Dieser Wert sagt aus, wie hoch ich die Batterie entladen oder geladen werden kann. Dabei unterscheiden wir zwischen Maximal (peak) und dauerhaft (continuos). Dabei wird der C-Wert mit der Akkukapazität multipliziert: C x Ah = A.
Z.B. 2C x 15Ah = 30A oder 10C x 8Ah = 80A oder 1,5C x 12Ah = 18A
Wie ihr seht, kann eine Zelle mit einer niedrigen C-Rate durch einen großen Akku kompensiert werden. Achtung! Die Hersteller übertreiben manchmal mit den Werten, holt euch die Infos lieber aus der Praxis und recherchiert dazu. Es gibt zu fast jedem Akku Erfahrungswerte im Internet.

Sicherheit

Bitte immer einen Helm tragen! Sollten eure Fahrräder die gesetzliche Leistung eines E-Bike überschreiten, muß ich euch darauf hinweisen, daß diese nur auf privatem Gelände genutzt werden dürfen.

Preise

Solltet ihr euch entscheiden Teile aus den USA, Kanada, China, etc. zu bestellen, dann vergesst nicht, daß beim Import noch die MwSt. (oder auch Umsatzsteuer genannt) plus die Einfuhrsteuer anfallen (Gesamt etwa 25%). Die Leute vom Zoll schlafen nicht und die Freibeträge sind relativ gering (Deutschland: 26,30 Euro, Österreich: 22,00 Euro). Normalerweise verlangt der Zusteller auch nochmal 10 Euro für die Abwicklung und Berechnung. Auf den ersten Blick mag der Preis geringer erscheinen, am Ende kann es dann auch mehr kosten.

Für weitere Infos bietet sich dieses englischsprachige Forum an: www.endless-sphere.com

Alle Angaben ohne Gewähr.