Sensoren

Damit ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC) optimal läuft, ist eine exakte Positionsangabe des Rotors zur Steuerung der Schalttransistoren unumgänglich. Dazu messen Sensoren viele Parameter.
Prinzipiell wäre das auch mechanisch möglich. Da derzeit hochentwickelte Elektronik preiswert ist, tut sich das jedoch kein Hersteller an.
Elektronische Möglichkeiten sind, die Position der Magnetpole optisch über Lichtschranken zu ermitteln oder durch rotierende Magneten, die in einer Spule eine Spannung induzieren.

Die gebräuchlichste Methode ist der Einsatz von Hall-Sensoren. Die Lageerfassung durch Hall-Sensoren ist in der gesamten Fahrzeugindustrie sehr gebräuchlich. Ein Hall-Sensor (auch Hall-Sonde oder Hall-Geber, nach dem Erfinder Edwin Hall benannt) nutzt den Hall-Effekt zur kontaktlosen Lageerfassung oder auch zur Messung von Magnetfeldern und elektrischen Strömen.

Wird ein Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist.

Sehr Laienhaft formuliert, der Hall-Sensor erkennt in welcher Stellung der Magnet zum elektrischen Strom steht. Sobald eine Bewegung erkannt wird, berechnet der Controller die gewünschte Leistung und gibt dem Motor den dringenden Wunsch um Vortrieb weiter. Der Hall-Sensor im Motor, der ja die Position des Motors kennt, lässt die Magnete in die richtige Richtung ziehen.

Sensoren sind aber nicht nur für die Steuerung des Motors wichtig, denn auch die Regelung der Motorunterstützung eines E-Fahrrades oder E-Handbikes wird über Sensoren an das eigene Fahrverhalten angepasst. Es gibt im wesentlichen drei Sensorentypen:

– Drehmoment- oder Kraftsensoren

– Bewegungssensoren (überprüfen Bewegung am Pedal)

– Geschwindigkeitssensoren

Der Einsatz mehrerer Sensoren ist sinnvoll. Konzepte, die an der Sensorik sparen können zwar auch gut funktionieren, haben jedoch konstruktionsbedingte Einschränkungen.

Drehmoment-Sensoren

Drehmomentsensoren (Kraftsensoren) messen die Kraft, mit der ins Pedal getreten wird, sie stellen auch die Trittfrequenz fest. Denn immer dann, wenn die Fahrrad-Pedalen oben und unten stehen, ist der Druck auf dem Pedal sehr gering. Diese Tiefpunkte im Krafverlauf können erkannt und gezählt werden. Im Grunde beinhaltet ein Drehmomentsensor also einen Trittfrequenzsensor. Die Unterstützung des Motors kann sich an der Leistung des Fahrenden orientieren. Erhöht sich die Kraft wird mehr unterstützt. Die Motorunterstützung kann bspw. immer 50% oder 100% der Leistung sein. Die Kunst ist, die Motorsteuerung so zu programmieren, dass die Unterstützung einerseits ein direktes Fahrgefühl ergibt, also auf weniger oder mehr eigene Leistung direkt reagiert. Andererseits muss sie so verzögert sein, dass nicht bei jedem Tritt wenn das Pedalpaar oben und unten ist der Motor nachlässt.
Noch ein Quentchen mehr Kunst wäre es, den völlig anderen Kraftverlauf eines Handbikers, entsprechend zu programmieren. Erschwerend kommt hinzu, dass sogar unter den verschiedenen Klassen von Handbikern spezielle Programme erstellt werden müssten. Selbsterklärend sieht ein Kraftverlaufsdiagramm eines H5 Knie-Handbikers deutlich anders aus als das eines H1 Liege-Fahrers.

BionX offen Dehnmess-Streifen
Quelle: www.pedelecforum.de

Drehmomentsensoren werden vorwiegend im Bereich des Tretlagers oder an den Ausfallenden des Rahmens angebracht. In modernen Bosch Mittelmotoren wird zum Beispiel der Druck auf das rechte und das linke Tretlager, ähnlich einer Waage, gemessen. Aus dem Unterschied zwischen den beiden Lagern errechnet sich das Drehmoment. Die Japaner bei Panasonic messen die Verdrehung einer Hülse welche über die Kurbelwelle gesteckt ist. Beide Systeme können im Handbike Systembedingt nicht funktionieren, weil durch das parallele Antreiben kein unterschiedlicher Druck bzw. keine Verdrehung auftritt.
Einzig bei Systemen wie BionX, wo kein eigentlicher Drehmomentsensor sondern ein Dehnmessstreifen die Daten liefert, oder bei Sensoren an den Ausfallenden, kann auch der Handbiker profitieren.

Wird ein Drehmomentsensor ohne einen Geschwindigkeitssensor verwendet, regelt der Motor in den kleinen Gängen früher ab. Grund: Die maximale Trittfrequenz bei der noch unterstützt wird, ist die bei, der im schwersten Gang die maximale Geschwindigkeit mit Motorunterstützung erreicht wird (25 km/h). Nur wenn dazu ein Geschwindigkeitssensor verwendet wird, ist es möglich, auch in leichteren Gängen die maximale Geschwindigkeit, bei der der Motor noch unterstützt zu erreichen.

Im Handbike nützen Drehmomentsensoren momentan noch wenig.

NCTE Drehmoment-SensorTDCM DrehmomentsensorSEMPU Drehmoment-Sensor
Quelle: https://www.ebikes.ca

Bewegungs-Sensoren

Bewegungssensoren messen lediglich, ob und wie schnell die Kurbel gedreht wird, nicht wie fest. Diese Bewegungssensoren sind wieder klassische Einsatzgebiete von Hall-Sensoren.
Ein E-Handbike, das einen Trittfrequenzsensor nutzt, unterstützt entweder immer gleich oder entsprechend der höheren Kadenz mehr (unabhängig vom eingelegten Gang). Systeme mit dieser Sensorik laufen häufig nach, wenn man bereits zu treten aufgehört hat und verzögern am Anfang, was oft bei Handbikes beobachtet werden kann. Schwächere Fahrer brauchen oft viel Kraftaufwand um die erste paar Zentimeter zu drehen bis der Motor anspringt.
Ein Trittfrequenzsensor System hat zusätzlich einen Geschwindigkeitssensor, um bei der maximalen Geschwindigkeit abzuriegeln.
Dadurch, dass die Sensorik nicht misst, wie fest ins Pedal getreten wird, ist die Unterstützung weniger direkt an die Leistung des Fahrenden gekoppelt. Das kann einem gefallen, bspw. weil man nur gemächlich im leichten Gang treten muss und der Motor gibt alles. Andererseits finden es sportliche Radfahrer, welche auch mit E-Unterstützung einen Trainingseffekt erleben möchten, unharmonisch.
Für Handbikes hat sich diese Lösung ohne Drehmomentsensor (z.B. Powerbike-Motor) bewährt.

Geschwindigkeits-Sensoren

Geschwindigkeitssensoren messen die Geschwindigkeit und sind vor allem dafür gut, die Abriegelung des Motors bei den gesetzlich vorgegebenen 25 km/h zu veranlassen. Sie können aber auch komplexer in die Motorsteuerung eingebunden werden, viele Motoren regeln bspw. stufenweise ab, bevor die maximale Geschwindigkeit erreicht wird.