Bezeichnung Akku
Der Begriff „Batterie“ wird sowohl als Oberbegriff für Energiespeicher benutzt, als auch als Bezeichnung für einen nicht wieder aufladbaren Energiespeicher (Primärbatterie).
Akku umschreibt die wiederaufladbare Batterie (Sekundärbatterie).
Im Englisch wird kein Unterschied gemacht und ausschliesslich von Battery gesprochen.
Batterie
Nicht wieder aufladbarer Energiespeicher (Primärbatterie)
Akku
Wieder aufladbarer Energiespeicher (Sekundärbatterie)
Chemische Verbindungen
Die letzten Jahrzehnte brachten verschiedenste Verbindung hervor, so befassten sich Akkuspezialisten mit hunderten von Varianten wie NiCad-, NiMH-, LiFePO4-, LiPo- und Lithium-Ionen-Packs in allen möglichen Spannungen, Geometrien und Kapazitäten.
Erst die neuere Massenproduktion von 18650 Lithiumzellen für Hochleistungs-Elektrowerkzeuge brachte einen Durchbruch, mit E-Bike-Batterien, die billiger, leichter und mit einer weitaus längeren Lebensdauer ausgestattet sind, als wir uns in der Vergangenheit jemals hätten wünschen können.
E-Bike Akkus bestehen heute als einzelnen Li-Ion Zellen von 21.1 mm Durchmesser und 70.5 mm Länge und einer Nennspannung von 3.6V die so parallel und in Serie geschaltet werden, dass 36, 48, 52 und sogar 72 Volt Pakete mit unterschiedlichen Kapatzitäten entstehen.
Die bekannteste dieser Zelle ist die Panasonic NCR21700A welche auch im Tesla Modell 3 E-Auto verbaut werden.
BMS Battery Management System
Fertige Akkublocks sollten über ein BMS (battery management system) verfügen.
Das BMS überwacht den Ladestand des Akkus und schützt ihn vor zu grossen Lade- und Entladeströmen, Über- oder Unterspannung.
Mit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Akkumulatoren wurden BMS besonders relevant. Bei diesen müssen Überladung und Tiefentladung der Einzelzellen vermieden werden, um Ausfälle und weitergehende Schäden bis hin zur Brandgefahr des Akkupacks zu vermeiden.
Akku Kapazität
Die kapazitativen Eigenschaften eines Akkus werden durch die elektrische Spannung (V), die Ladungsmenge (Ah) und der daraus resultierenden gespeicherten elektrischen Energie (Wh) bestimmt. Die Kapazität eines Akkus (Wh) ergibt sich demnach aus der Formel:
Wh = V x Ah.
Das heißt: Je mehr Wattstunden (Wh) ein Akku vorweisen kann, desto leistungsstärker ist er. Um unterschiedliche Akkus effektiv zu vergleichen, sollte man daher nicht auf die häufig angegebenen Amperestunden (Ah), sondern auf die Wattstunden (Wh) achten.
Kapazität
Formel: Wh = V x Ah
Beispiel: 52V x 17,5Ah = 910Wh
36 Volt oder 48 (52) Volt?
Die Spannung/Voltzahl eines Akkus ergibt sich aus den in Serie geschalteten Zellen à 3.6 Volt. Die Bezeichnung dafür ist "P"
10 Zellen (10P) in Serie ergibt 36 Volt,
13 Zellen (13P) ergeben 46.8 Volt (48 V)
14 Zellen (14P) ergeben 50.4 Volt (52 V)
Es werden ungefähr die gleiche Anzahl von 36V- und 48V-Batteriepacks verkauft. Nur weil 48V (52V) eine größere Voltzahl ist, bedeutet das nicht, dass 48V (52V)-E-Handbikes besser / leistungsfähiger / schneller als 36V-E-Handbikes sind.
Richtig ist, dass bestimmte Motoren bei höherer Spannung schneller drehen können, was bei Nabenmotoren auch höhere Geschwindigkeiten bedeutet. Normalerweise entsprechen höhere Geschwindigkeiten leider auch einem höheren Stromverbrauch. Für Fahrräder würden die Geschwindigkeiten mit einem 36V-Akku um 30-35 km/h liegen, während mit einem 48V-Akku eher 40-45 km/h erreicht werden könnten. Da der Gesetzgeber jedoch eine max. Geschwindigkeit von 25 km/h erlaubt, reichen also 36 Volt völlig aus.
Mit dem Grin Motorsimulator kann man die Unterschiede zwischen 36V und 48V eindrucksvoll darstellen.
Motor: Getriebe-Nabenmotor GMac Nominal 1000 Watt
Akku Sytem A: 36V 23Ah (820Wh), System B 48V 16.5Ah (792Wh)
Human Power: Der Handbiker liefert 75 Watt
Resultat ohne Geschwindigkeitslimit
Beste Effizienz: 36V (82.4%) liegt bei 33.5 kph (km/h), 48V (84.1%) bei 40.8 kph.
Reichweite: 36V 80 Kilometer, 48V 47 Kilometer
Resultat Limitiert auf 25 km/h
Effizienz: 36V (76%), 48V (75.1%)
Reichweite: 36V 146 Kilometer, 48V 138 Kilometer
Bei Mittelmotoren bedeuteten höhere Drehzahlen nicht zwangläufig höhere Geschwindigkeiten, da zwischen Motor und Antriebsrad die Schaltung platziert ist. Besonders bei Handbikes welche im Gebirge eingesetzt werden, macht höhere Spannung auf dem Mittelmotor sehr viel Sinn, denn man kann das Übersetzungsverhältnis / Entfaltung herunter nehmen und der Motor dreht höher auch in steilen Aufstiegen.
Akkugehäuse / Platzierung am Handbike
Für Akkugehäuse, quasi die Verpackung der Zellen, bedienen sich Handbike Hersteller überwiegend dem grossen Angebot an Unterrohr- (Downtube-) Akkus. Sie sind so geformt, dass sie bei Zweiräder an der Trinkflaschenbefestigung angeschraubt und perfekt ins Rahmendreieck passen. An neueren E-Bikes finden in den Rahmen integrierte Akkus Verwendung.
Je nach Konstruktion des Handbikes passen Unterrohrakkus perfekt, selbst wenn Handbikefahrende einen Zweitakku mitnehmen wollen.
Alternativ sind Akkus für Handbikes nicht zwingend an die Form der Unterrohre gebunden. Auch kann man sich überlegen grössere Akkus mit mehr Wh zu fahren. Am Kobold Handbike findet zum Beispiel ein Blockakku mit 21Ah unter dem Sitz oder in einer Tasche hinter der Rückelehne platz.
Im Einsatz auf CrossCountry- und MTB-Handbikes sind viele Brüche von Akkugehäusen und Halteschienen bekannt.
Ein Spanngurt der den Akku auf der Schiene hält ist die simple Lösung. Besser man besorgt sich von Anfang an Akkus mit verstärkten Schienen und Gehäusen.
Jumbo-Shark Akkus z.B. verzichten auf den Freiraum für internen Controllereinbau und bieten dafür 8 verstärkte Hacken an der Schiene, zudem ist das Gehäuse etwas dicker. Dieser Akku hält deutlich mehr aus.
Reichweiten
Die Frage nach der möglichen Reichweite eines Handbikes ist omnipresent.
Sehr vorsichtig im Wissen um die sehr starke Streuung und ohne mich behaften zu lassen, wage ich eine stark allgemein gehaltene Angabe die ich aus eigener Erfahrung abrufen kann:
Handbike Kobold mit Bafang BBS02 (500 Watt) Motor, Systemgewicht (Fahrer und Handbike) 105 kg, Temperatur 10° Celsius, Akku 48 Volt 21 Ah = 1010 Wh.
Mögliche Reichweite
Hügelige Strecke (1500 Höhenmeter), fester Kies, Stufe 4 von 9, Durchschnitt 15 km/h:
80 Kilometer
ACHTUNG!
Die möglichen Reichweiten hängen von vielen Faktoren ab.
Die von mir gefahrenen und oben beschriebenen 80 Kilometer stimmen nur wenn genau so gefahren wird ich es tat.
Unterstützungsstufen: In meinem Beispiel entspricht Stufe 4 40% Motorleistung. 40% von 500 Watt = theoretische 200 Watt. Verlangt man vom Motor z.B. 60% statt 40% Leistung wird die mögliche Reichweite nicht einfach um 20% abnehmen, sondern um ein Vielfaches davon.
Menschliche Leistung: Ich bin relativ gut trainiert und kräftig, ich kann bis zu 250 Watt Spitze drücken. So unterstützte mich der Motor nur selten mit den vollen 200 Watt, die er in der 40% Stufe zur Verfügung hätte.
Geschwindigkeit: Der Kobold hat einen Mittelmotor der auf eine Rohloff Nabenschaltung wirkt. Fährt man bergauf langsam, mit einem kleinen Gang, braucht Mensch und Motor weniger Leistung, als wenn man die jeweils maximal mögliche Geschwindigkeit ausreizt.
Untergrund: Die Art der Befestigung der Strasse hat einen sehr grossen Einfluss auf die Reichweite. Würde ich die selbe Strecke auf Asphalt fahren, wären 120 Kilometer und mehr möglich. Auf nassem, rauhem Kies oder losem Schotter wird man kaum 60 Kilometer schaffen.
Art des Motors: Je hügeliger (steiler) die Strecken sind, desto effizienter kann ein Mittelmotor mit nachgeschaltetem Getriebe seine Vorteile ausspielen. Er läuft auch bei steiler Bergfahrt mit höherer, gesünderer Drehzahl, während ein Nabenmotor viel Energie durch Hitze verbraten wird.
Auf flacheren, schnelleren Strecken wird ein Nabenmotor weniger Energie verbrauchen, da das direkte System weniger mechanische Verluste generiert.
Vergleiche Wh: Wer sich an diesen von mir hier aufgelisteten Reichweitenangaben orientieren möchte, sollte erst seine Akkus prüfen und die Wattstunden Wh vergleichen (Volt x Ah = Wh). Der Akku am Kobold hat Nominal 48.1 Volt und 21 Ah = 1'010 Wh, das ist ein eher grosser Akku. Wh könnte man vereinfacht mit dem Tankinhalt eines Verbrenner-Autos vergleichen. 500 Wh reichen nur halb so weit wie 1'000.
Reale Vergleichsfahrten
Ich unternahm drei Fahrten auf der absolut identischen Strecke.
Strecke:
Kreuz und Quer auf feuchten bis nassen Kieswegen und Singletrails durch den Hardwald bei Zürich. 19.1 km / 276 Höhenmeter.
Handbike:
Kobold 01 Prototyp wie oben beschrieben.
Analyse 1. Fahrt: Ruhige, unaufgeregte Genuss-Fahrt mit viel Eigenleistung. Keine Tempoambitionen.
Oben links auf dem Display 11.8 ist die Durchschnittgeschwindigkeit in Fahrt. Das ist relativ langsam.
Für diese 19.11 Kilometer verbrauchte ich 196.1 Wh oder 10.26 Wh/km.
Hochgerechnet auf den vollen Akku (1010 Wh) ist eine Reichweite von 98.44 km zu erwarten.
ACHTUNG eine Waldrunde auf nassen Kieswegen braucht viel Eigenleistung um mit 10.26 Wh/km auszukommen.
Die relativ tiefe Durchschnittgeschwindigkeit und der Mittelmotor senkt den Verbrauch, da in kurzen Gängen der Motor immer effizient läuft.
Ruhige, sparsame Fahrt mit viel Eigenleistung
Mögliche Reichweite 98 Kilometer
Analyse 2. Fahrt: Im Sinne von Inklusion in Begleitung meiner Frau "Fussgängerin". Sie fährt ein Fully MTB ohne Motor. Monika ist relativ fit und schlug, ein für sie normales Tempo, mit durchschnittlicher Leistung an. Ich versuchte meine Eigenleistung identisch der von der 1. Tour zu halten. Um zu folgen musste ich mehr Motorleistung abrufen, vorallem in Steigungen.
Die Durchschnittgeschwindigkeit ist mit 12.7 km/h höher.
Für diese 19.11 Kilometer verbrauchte ich diesmal 226 Wh oder 11.8 Wh/km.
Hochgerechnet auf den vollen Akku (1010 Wh) senkt sich die zu erwartende Reichweite auf 85.5 km.
An Fussgängerin mit MTB angepasst, mit viel Eigenleistung
Mögliche Reichweite 85 Kilometer
Analyse 3. Fahrt: Mit der dritten Fahrt soll simuliert werden wie eine untrainierte Gelegenheitshandbikerin oder ein in den oberen Extremitäten eingeschränkte Person dieselbe Strecke fährt und dabei vorallem den Motor in höchster Unterstützungsstufe arbeiten lässt.
Die Durchschnittgeschwindigkeit auf 17.7 km/h gestiegen.
Für die identischen 19.11 Kilometer zog der Motor satte 293.2 Wh oder 15.29 Wh/km aus dem Akku.
Hochgerechnet auf den vollen Akku (1010 Wh) senkt sich die zu erwartende Reichweite auf 66 km.
Wenig Eigenleistung, höchste Unterstützungs-Stufe
Mögliche Reichweite 66 Kilometer