Pedelec
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Das Pedelec ist eine allgemeine Bezeichnung für ein Fahrrad mit Trethilfe durch einen Elektro-Hilfsmotor. Pedelec steht für Pedal Electric Cycle. Die erste Konstruktion dieser Art wurde 1994 von Yamaha auf den Markt gebracht. Der Elektromotor gibt seine Leistung zur Tretkraft hinzu. Ohne Treten (oder Kurbelbewegung) gibt der Motor keine Leistung ab.
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[Bearbeiten] Komponenten
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.
[Bearbeiten] Akkumulator
Neben dem Motor ist der Akkumulator (Akku) das wichtigste Bauteil der Pedelec-Technik. Verwendet werden meist NiMH- oder NiCd-Akkupacks. Die Akkuladung beträgt hier bis zu 14 Amperestunden (Ah) bei 24 Volt (V). Die gespeicherte Energie beträgt also bis zu 336 Wattstunden (Wh). Mit den schwereren Blei-Akkus sind auch Energieinhalte bis zu 350 Wh möglich. NiCd-Akkus haben im (theoretischen) Idealfall nach eintausend Aufladung 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 bisher von nur wenigen Herstellern eingesetzt. In naher Zukunft werden die ersten Lithium-Polymer-Akkus verfügbar sein, die bei gleichem Gewicht höhere Energieinhalte ermöglichen. Die Sicherheit und Haltbarkeit von Lithium-Akkus muss sich in der Praxis aber erst noch beweisen. 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 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.
[Bearbeiten] Motorsteuerung
Das Einschalten des Motors durch Motorsteuerung erfolgt entweder über das Signal eines Kraftsensors, der die Kraft des Fahrers auf das Pedal erkennt, oder eines Initiators, der eine Drehbewegung der Kurbel erfasst. Hinzu kommt noch ein Sensor, aus dem die aktuelle Fahrgeschwindigkeit abgeleitet werden kann.
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 in der Ebene zwischen 19 und 86 Prozent.
Da die Motoren sich im Betrieb und insbesondere auf Steigungsstrecken erheblich erwärmen können, verfügen sie zum Teil über einen Temperatursensor in der Motorwicklung. Hier schaltet die Elektronik beim Erreichen einer Wicklungsgrenztemperatur dann die Unterstützung ab. Auch schützt die Elektronik den Akku durch Abschalten bei einer festgelegten Spannung, um so einer Tiefentladung vorzubeugen. Dies kann auch durch eine Elektronik im Akkupack erfolgen.
[Bearbeiten] Kraftsteuerung
Bei der Ausführung mit Kraftsensor gibt der Motor automatisch immer einen eingestellten Prozentsatz der selbstaufgebrachten Kraft hinzu. Bei vielen Modellen kann diese Kraft eingestellt werden. Es gibt auch Modelle, bei denen der Unterstützungsgrad nur beim Fachhändler auf Kundenwunsch eingestellt werden kann.
[Bearbeiten] Drehbewegungserkennung
Bei Modellen mit Drehbewegungserkennung spielt die Größe der selbstaufgebrachten Leistung keine Rolle; allerdings reduziert sich dann die Reichweite bei geringer Eigenleistung erheblich. Diese Bauart ist mit einem Drehgriff ausgerüstet, um die Motorkraft stufenlos regulieren zu können. Bei im Vorderrad eingebautem Motor ist die Motorkraftregulierung unbedingt nötig, denn sonst besteht die Gefahr, dass auf einer Bergaufstrecke mit losem Untergrund das Vorderrad durchdreht.
[Bearbeiten] Anfahrhilfe
Eine neue Entwicklung für den deutschen Markt ist die Anfahrhilfe, die unter Ausreizung der Gesetzeslage ein Fahren ohne Pedalbewegung bis 6 km/h zulässt. Die Anfahrhilfe ist insofern von Vorteil, als die Kurbeldrehungserkennung erst nach durchschnittlich einer halben Kurbelumdrehung die Motorunterstützung zuschaltet.
[Bearbeiten] Leistungselektronik
Die Leistungselektronik besteht aus einem Gleichstrom-Motorregler mit Pulsweitenmodulation oder einen Gleichstrom-Wechselstrom-Regler; dies abhängig vom verwendeten Motortyp.
[Bearbeiten] Motorentypen
![Flyer (Quelle [1])](../../../../images/shared/thumb/1/14/Largehubmotordetail.jpg/300px-Largehubmotordetail.jpg)
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 ebenfalls wartungsfreien Wechselstrom-Asynchronmotoren sind die Ausnahme, da der hierzu verwendete Steller recht kompliziert ist.
Alle Motorentypen erlauben im Prinzip eine Nutzbremsung, also die Rückspeisung von Energie beim Bremsen, die jedoch aufgrund des Aufwandes nicht von allen Steuerungen unterstützt wird.
[Bearbeiten] Kraftansatz des Elektroantriebs
Man unterscheidet beim unterstützenden Elektroantrieb grundsätzlich drei Kraftansatzpunkte für die Einspeisung der Motorkraft:
- Nabenmotor Vorderrad
- Kurbelwellenmotor
- Nabenmotor Hinterrad
Vom Fahrgefühl her gelten die Kurbelwellenmotore als am wenigsten gewöhnungsbedürftig, d.h. hier entsteht eher das Gefühl der lediglich unterstützten natürlichen Kraft.
![Nabenmotoren (Quelle [2])](../../../../articles/2/n/a/Bild%7E2nabenmotoren.jpg.html)
[Bearbeiten] 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 22-29 kg) hat einen Energieinhalt von nur ca. 250 Wh (1 Liter 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:
- Fahrwiderstände
- Luftwiderstand
- Laufwiderstand (Rollwiderstand)
- Beschleunigungswiderstand (Gesamtmasse mit Nutzlast)
- Steigung/Gefälle
- Energiezugewinn
- Eigener Krafteinsatz
- Rekuperation (Rückgewinnung)
- Akkukapazität (bei Nennspannung)
- Umgebungsbedingungen
- Betriebstemperatur (Akkutemperatur)
- Effizienz
- Motorwirkungsgrad
- Getriebewirkungsgrad
- Wirkungsgrad der Leistungselektronik
- Betriebsweise
- Strategie der Motorsteuerung
- Fahrkurve (geringere Kapazität bei hohen Strömen)
[Bearbeiten] Gesetzliches
Ein Pedelec gilt in Deutschland als Fahrrad. Im Gegensatz zu anderen Fahrrädern mit Hilfsmotor ist weder ein Führerschein noch eine Prüfbescheinigung erforderlich, noch besteht der Zwang zu einer Kfz-Haftpflicht (damit ist kein Versicherungskennzeichen erforderlich). Auch besteht keine Helmpflicht.
Seit dem 9. November 2003 wird die neue EU-Richtlinie 2002/24/EC zur Typenprüfung für zwei- und dreirädrige Fahrzeuge in allen EU-Mitgliedsstaaten angewandt. Gemäß dieser Richtlinie sind Pedelecs "Fahrräder mit Trethilfe, die mit einem elektromotorischen Hilfsantrieb mit einer maximalen Nenndauerleistung von 0,25 kW ausgestattet sind, dessen Unterstützung sich mit zunehmender Fahrzeuggeschwindigkeit progressiv verringert und beim Erreichen einer Geschwindigkeit von 25 km/h oder früher, wenn der Fahrer im Treten einhält, unterbrochen wird", für die keine Typenprüfung erforderlich ist.
In anderen Ländern gelten andere Definitionen für ein Pedelec.
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[Bearbeiten] Literatur
- Hannes Neupert, Das Powerbike, 1996, Moby Dick Verlag, ISBN 3-89595-123-4 (beim Verlag vergriffen)
- Susanne Brüsch, Pedelecs - Muskel-elektrische Hybridräder, Diplomarbeit, Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg, April 1999 [3]
