Letzte Änderung:
03.01.2024, 14:30
Das Pedelec
Pedelec
(Kofferwort für Pedal Electric Cycle) ist eine allgemeine Bezeichnung für ein Elektrofahrrad, welches hybrid mit Elektromotor und Muskelkraft betrieben wird.
Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Elektrorad gibt der Pedelec-Motor ohne Treten (oder Kurbelbewegung) keine Leistung ab. Das Pedelec ist in Deutschland führerscheinfrei, wenn die bauartbedingte Höchstgeschwindigkeit, bis zu welcher der Motor aktiv ist, 25 km/h nicht überschreitet.
Geschichte
Die ersten Konstruktionen dieser Art wurden 1992 vom Schweizer Unternehmen Velocity auf den Markt gebracht. 1994 folgten größere Stückzahlen von Yamaha unter dem Namen Power Assist. Ab 1995 wurden die ersten Flyerdes im selben Jahr gegründeten Schweizer „Start-Up-Unternehmens“ BKTech AG in Kleinserie per E-Business (als wesentlicher Bestandteil des Start-Ups) auf den Markt gebracht. Im Dezember 2001 wurden die Flyer-Aktivitäten der in die Nachlassstundung geratenen BKTech AG in die dafür neu gegründete Biketec AGeingebracht. Seither werden die Flyer von diesem Unternehmen gefertigt und vertrieben.
Der Begriff Pedelec wurde erstmals von Susanne Brüsch in ihrer Diplomarbeit von 1999 verwendet
Pedelecs unterscheiden sich von einem gewöhnlichen Fahrrad durch einen zusätzlichen Elektromotor, einen Akkumulator, eine Steuerelektronik für den Motor sowie einen Sensor für die Kurbelbewegungserkennung. Die meisten Modelle verfügen darüber hinaus über eine Batterieladeanzeige und eine Motorkrafteinstellung, entweder stufenlos oder in Unterstützungsstufen eingeteilt.
Akkumulator
Neben dem Motor ist der Akkumulator (Akku) das wichtigste Bauteil der Pedelec-Technik. Verwendet werden meist NiMH-, NiCd- oder Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Die Akkuladung beträgt bis zu 18 Amperestunden (Ah) bei 24 oder 36 Volt (V). Die gespeicherte Energie beträgt somit bis zu 648 Wattstunden (Wh). NiCd-Akkus haben im (theoretischen) Idealfall nach eintausend Aufladungen noch 85 % ihrer ursprünglichen Kapazität und gelten damit als verschlissen. Bei NiMH-Akkus sind etwa 400 bis 800 Ladezyklen möglich. Die Haltbarkeit der Akkus ist jedoch von weiteren Faktoren abhängig. Blei-Akkumulatoren liefern mit fortschreitender Entladung eine geringere Spannung, so dass nicht mehr die volle Motorleistung erreicht wird. Die besonders leichten, aber teuren Lithium-Ionen-Akkus werden inzwischen von den meisten Herstellern eingesetzt. In naher Zukunft werden die ersten Lithium-Polymer-Akkus erhältlich sein, die bei gleichem Gewicht höhere Energieinhalte ermöglichen. Die Sicherheit und Haltbarkeit von Lithium-Akkus hat sich in der Praxis bewiesen. Allerdings sind für die Sicherheit die chemische Zusammensetzung und die Qualität der Elektronik ausschlaggebend. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können insbesondere bei Kurzschluss und Überspannung sehr heftig reagieren. Das führte bei Laptops schon zu Rückrufaktionen. Die Deutsche Post AG hat ein Testprogramm gestartet, um die bestehende Flotte von rund 5.500 Elektrofahrrädern auf Lithium-Akkus umzurüsten.
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
Für das Einschalten oder die Steuerung des Motors gibt es mehrere Möglichkeiten:
Messung der Kraft oder des Drehmoments über das Signal eines Kraftsensors an den Pedalen, der Tretkurbel, der Kette oder am Rad.
Messung der Tretgeschwindigkeit über das Signal eines Umdrehungszählers oder Schwellenwertschalters an der Kurbel oder an anderer geeigneten Stelle.
Messung sowohl von Kraft wie auch Geschwindigkeit.
Messung der Beschleunigung oder Deichselkraft beim Schubanhänger.
Messung der elektrischen Werte beim seriellen Hybrid (Pedalgenerator).
Zusätzlich kann die Geschwindigkeit des Fahrzeugs am Rad gemessen werden, insbesondere z. B. um den Motor bei 25 km/h auszuschalten.
Die Messung kann mechanisch oder elektronisch weiterverarbeitet werden und dient dazu, den Motor ein- und auszuschalten oder anhand einer Steuerfunktion stufenlos zu regeln.
Die eingespeiste Leistung wird aufgrund der Sensordaten (Kraftsensor, Kurbeldrehzahl, Fahrgeschwindigkeit) in Abhängigkeit vom gewählten Unterstützungsgrad von der Motorsteuerung berechnet. Die sogenannten Unterstützungsgrade, das heißt, wie stark der Motor zusätzlich zu der Fahrerleistung unterstützt, liegen bei waagerechter Fahrt zwischen 5 und 400 Prozent.
Da die Motoren sich im Betrieb und insbesondere auf Steigungsstrecken erheblich erwärmen können, verfügen manche über einen Temperatursensor in der Motorwicklung. Hier schaltet die Elektronik beim Erreichen einer Wicklungsgrenztemperatur dann die Unterstützung ab oder vermindert sie. Auch schützt die Elektronik den Akku durch Abschalten bei einer festgelegten Entladung, um so einer Tiefentladung vorzubeugen und allenfalls genügend Spannung für den Betrieb der Lichtanlage zu gewährleisten. Das kann auch durch eine Elektronik im Akkupack erfolgen.
Kraftsteuerung
Bei der Ausführung mit Kraftsensor gibt der Motor automatisch einen bestimmten Prozentsatz der vom Fahrer erbrachten Leistung dazu. Bei vielen Modellen kann dieser Prozentsatz in mehreren Stufen eingestellt werden. Es gibt auch Modelle, bei denen der Unterstützungsgrad nur beim Fachhändler auf Kundenwunsch eingestellt werden kann.
Drehbewegungserkennung
Bei der Ausführung mit Geschwindigkeitssensor(en) gibt der Motor anhand einer Funktion automatisch einen eingestellten Prozentsatz der selbstaufgebrachten Kraft hinzu. Da die benötigte Kraft mit der Geschwindigkeit stark ansteigt, kann diese bei einigen Modellen auch ohne Kraftsensor berechnet werden.
Schiebe- oder Anfahrhilfe
Die Schiebehilfe oder Anfahrhilfe, lässt unter Ausreizung der Gesetzeslage eine Motorunterstützung ohne Pedalbewegung bis 6 km/h zu. Die Schiebehilfe bietet den Vorteil, dass man das Fahrrad neben sich mit Motorunterstützung rollen lassen kann, ohne dass man pedalieren oder selbst schieben muss (z. B. wenn man schwere Last befördert oder damit man das Rad auf den Stufen einer Kellertreppe über ein an den Rand gelegtes Brett eigenständig hoch laufen lassen kann). Bei manchen Modellen werden die erlaubten 6 km/h nur im schnellsten Gang erreicht, in den anderen Gängen rollt das Rad entsprechend langsamer. In jedem Fall erlaubt es ein schnelleres (und körperlich kontrollierteres) Anfahren aus dem Stand an auf „Grün“ umschaltenden Ampeln.
Leistungselektronik
Die Leistungselektronik besteht, abhängig vom verwendeten Motortyp, aus einem Gleichstrom-Motorregler mit Pulsweitenmodulation oder einem Gleichstrom-Wechselstrom-Regler.
Motorentypen
Nabenmotor mit Getriebe
Es werden fast ausschließlich Gleichstrommotoren verwendet. Man verwendet kommutatorlose und bürstenbehaftete Scheibenläufermotoren, die für den Direktantrieb geeignet sind, sowie bürstenbehaftete Motoren mit Getriebe. Die Kohlen der Motoren mit Kohlebürsten unterliegen einem gewissen Verschleiß.
Die Verwendung wartungsfreier Wechselstrom-Asynchronmotoren für Pedelecs ist die Ausnahme.
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 keinen Freilauf haben oder brauchen.
Kraftansatz des Elektroantriebs
Dieser wird allgemein in Kraftansatz des Elektroantriebs beschrieben. Beim Pedelec speziell ist die Art der Steuerung des Antriebs durch die Tretbewegung (siehe oben), die im Antrieb integriert sein kann.
Reichweite
Generell liegt die Reichweite mit Motorunterstützung zwischen 7 km (bei stetiger Steigung) und bis zu 70 km. Bei mittlerer Kraftzugabe beträgt sie zwischen etwa 20 und 50 km. Bei einigen Modellen sind standardmäßig zwei nacheinander zuschaltbare Akkus „unauffällig“ in Gepäcktaschen untergebracht, hier wird die Reichweite bei mittlerer Kraftzugabe mit über 100 km angegeben. Ein üblicher Akku (7 Ah/36 V) in einem Pedelec (Masse 1,9–5,1 kg) hat einen Energieinhalt von nur ca. 250 Wh (1 kg Benzin dagegen 11.500 Wh). Die Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Arbeit erfolgt, abhängig vom Wirkungsgrad des Motors und der Motorsteuerung, unter Wärmeverlust. Typischerweise entstehen hierbei Verluste von circa 25 Prozent. Somit kann ein Pedelec mit einem 70-kg-Fahrer (Gesamtmasse ~ 100 kg) rechnerisch bei 1,4 % Steigung 21 km weit mit Batteriestrom fahren – hilft der Fahrer mit, ist eine im Verhältnis höhere Reichweite möglich.
Folgende Faktoren beeinflussen die Reichweite des Pedelecs bei einer Akku-Ladung:
FahrwiderständeLuftwiderstand
Laufwiderstand (Rollwiderstand)
Beschleunigungswiderstand (Gesamtmasse mit Nutzlast)
Steigung/Gefälle
EnergiezugewinnEigener Krafteinsatz
Rekuperation (Rückgewinnung)
Akkukapazität (bei Nennspannung)
UmgebungsbedingungenBetriebstemperatur (Akkutemperatur)
EffizienzMotorwirkungsgrad
Getriebewirkungsgrad
Wirkungsgrad der Leistungselektronik
BetriebsweiseStrategie der Motorsteuerung
Fahrkurve (geringere Kapazität bei hohen Strömen)
Quelle Wikipedia
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