Was ist ein Pedelec?

Pedelec Pedal Electirc Cycle

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. Ein Elektrorad oder E-Bike ist ein Fahrrad mit Hilfsmotor, das auch ohne Treten angetrieben werden kann. Nur das Pedelec ist führerscheinfrei, wenn der Motor bei 25 km/h abschaltet.

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.

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 hier bis zu 18 Amperestunden (Ah) bei 24 oder 36Volt (V). Die gespeicherte Energie beträgt also 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 verfügbar sein, die bei gleichem Gewicht höhere Energieinhalte ermöglichen. Die Sicherheit und Haltbarkeit von Lithium-Akkus hat sich in der Praxis bewiesen. Allerdings ist für die Sicherheit die chemische Zusammensetzung und die Qualität der Elektronik ausschlaggebend. Lithium-Ionen-Akkumulatoren können insbesondere bei Kurzschluss und Überspannung sehr heftig reagieren. Dies 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 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 entfällt 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 verfügbar.

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 Schwellwertschalters (Initiator), 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 5 und 400 Prozent. In der Praxis hat sich in der Ebene und bei sehr geringen Steigungen ein Unterstützungsgrad von 15-30 Prozent als angenehm und ausreichend gezeigt. Bei stärkerem Rückenwind kann auf jede motorische Unterstützung verzichtet werden.

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 Entladung, um so einer Tiefentladung vorzubeugen. Dies kann auch durch eine Elektronik im Akkupack erfolgen.

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.

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.

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.

Leistungselektronik

Die Leistungselektronik besteht aus einem Gleichstrom-Motorregler mit Pulsweitenmodulation oder einem Gleichstrom-Wechselstrom-Regler; dies abhängig vom verwendeten Motortyp.

Motorentypen


Nabenmotor

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.

Kraftansatz des Elektroantriebs

Man unterscheidet beim unterstützenden Elektroantrieb grundsätzlich vier Kraftansatzpunkte für die Einspeisung der Motorkraft:

  • Nabenmotor Vorderrad
  • Kurbelwellenmotor
  • Motor hinter dem Kurbeltrieb (eigenes Motorritzel hinter dem Kettenblatt)
  • Nabenmotor Hinterrad

Vom Fahrgefühl her gelten die Kurbelwellenmotoren sowie die Motoren hinter dem Kurbeltrieb als am wenigsten gewöhnungsbedürftig, d. h. hier entsteht eher das Gefühl der lediglich unterstützten natürlichen Kraft. Auch ist in diesem Fall die Schwerpunktverteilung dem normalen Fahrrad ähnlicher.


Nabenmotoren

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)

Gesetzliches

Deutschland

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. Überschreitet die mit Motorunterstützung erreichte Geschwindigkeit 25 km/h, muss es allerdings als Mofa zugelassen werden.

Österreich

In Österreich gelten Elektrofahrräder mit einem Motor unter 500 Watt Leistung und einer mit Motorunterstützung erreichten Geschwindigkeit von nicht mehr als 20 km/h als Fahrräder. Wird einer der beiden Werte überschritten, fallen sie unter Mofas. Entsprechend sind dann Führerschein und Kennzeichen nötig.[1]

Europäische Union

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 höchstens 25 km/h oder wenn der Fahrer im Treten einhält, unterbrochen wird. Eine Typenprüfung ist nicht erforderlich.

In anderen Ländern gelten andere Definitionen für ein Pedelec.

 

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