Sensoren

Damit bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) an E-Handbikes optimal laufen, sind sie auf Informationen diverser Sensoren im Motor angewiesen.

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

Der Einsatz mehrerer Sensoren ist sinnvoll. Konzepte, die an der Sensorik sparen, funktionieren entsprechend nur rudimentär und disqualifizieren sich für Handbikes.

Bewegung
Drehmoment
Geschwindigkeit

Bewegungssensoren

Dreht sich die Kurbel, liefert der Motor die Unterstützungsleistung der gewählten Stufe.

Torque Sensoren

Die Motorleistung wird proportional zur menschlichen Leistung hochskaliert.

Bewegungssensoren / PAS Pedal Assist System

Bewegungssensoren, auch Trittfrequenzsensoren genant, messen lediglich, ob und wie schnell die Kurbel gedreht wird, nicht wie fest.
An der Kurbel ist eine Scheibe mit im Kreis angebrachten Magneten. Am Rahmen befindet sich ein Hallsensor, bei jedem Magneten der am Hallsensor vorbeikommt wird ein Impuls an den Controller weitergeleitet.
Es gibt Systeme mit PAS Sensoren im Tretlager oder direkt im Motor. Das Prinzip bleibt dasselbe.

Anfahren aus dem Stand
Für komfortables Anfahren aus dem Stand ist es wichtig, dass ein PAS Sensor mit möglichst vielen Magneten (Polen) zum Einsatz kommt. Wäre nur ein Magnet vorhanden, müsste die Kurbel eine volle Drehung gedreht werden, bis der Controller eine Bewegung gemeldet bekommt. Bei einem 24-Magnete Sensor ist dafür nur noch 1/24 des vollen Kreises nämlich 46 mm (mit standardmässigen Kurbelarmen von 175 mm) nötig.
Die meisten Handbikes haben Sensorscheiben mit 12 Magneten also muss 1/12 Kreis (91.6 mm) bewegt werden bis der Motor anspringt. Das ist relativ viel wenn man mit einem viel zu grossen Gang an der Stoppstrasse steht.

PAS Sensoren

Programmierung / Unterstützungsstufen

Ein E-Handbike, das einen Trittfrequenz- Bewegungs- oder PAS-Sensor 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 kurbeln aufgehört hat.
Will man z.B. einen Randstein hoch fahren, schafft man das nicht ohne Anlauf um den Motor zu aktivieren und kaum oben muss man den Nachlauf mit Bremseingriff "abwürgen".

Das Beispiel rechts zeigt die Programmierung eines Kobold Handbikes mit Bafang BBS02 Motor und 48V Akku.
Die oberen beiden Felder schützen den Akku. Darunter sind drei Spalten.

Assist Levels - Unterstützungsstufen. Im Beispiel sind das 10 Stufen von 0 bis 9. Die Anzahl der Stufen sind je nach System anders, meistens 5 oder 6 Bafang nutzt 9 Stufen, die kann man in kleinen Sprüngen gleichmässig einstellen. Bei Cycle Analyst kann man sogar selber wählen wieviele Stufen das System berechnen soll.

Current Limit(%) - Strombegrenzung, vereinfacht gesagt Leistungsbegrenzung. 100% entspricht der vollen Leistung des Motors.
Vereinfachtes Beispiel: Der Motor leistet 500 Watt, dann würde er bei eingestellten 10% den Fahrer mit 50 Watt unterstützen. Leistet der Fahrer 100 Watt ergibt das 150 Watt.

Current Speed(%) - Geschwindigkeitsbegrenzung in % zum eingestellten Max. Speed. Mit der Einstellung im Beispiel rechts, unterstützt der Motor in jeder Stufe bis zur eingestellten Maximal Geschwindigkeit. Man könnte die Geschwindigkeit in jeder Stufe einzeln limitieren. Aus Erfahrung weiss ich, dass viele Fahrer dann von dieser Einstellung "getrieben" werden. Unbewusst treibt man dann immer an die Grenze der Limitierung. Fährt man mit der Familie oder Freunden, kann es passieren, dass man immer entweder ein bisschen zu schnell oder knapp zu langsam ist.
Darum stelle ich die Geschwindigkeit auf allen Stufen auf 100% und regle die Leistung über die Current Limit und über die Schaltung.
Wer eher in flachen Gegenden fährt, kann in den unteren Unterstützungsstufen (1-4) die Geschwindigkeit auf 100% belassen, da die Gesamtleistung (Fahrer und Motor) eh nicht ausreichen um die maximale Geschwindigkeit zu erreichen. Von 5-9 die Geschwindigkeit stufenweise einstellen, da sonst wieder der "Treibeffekt" einsetzt und das System immer versucht an die Höchstgeschwindigkeit heran zu kommen.

Bafang Configurator

Drehmoment-Sensoren / Torque-Sensoren

Drehmoment-, oder Kraftsensoren (engl. Torque) messen die Kraft, die die Handbikerin über die Kurbel in das System gibt. Torque-Sensoren verfügen parallel über einen PAS oder Trittfrequenzsensor wie oben beschrieben.

Da sich der Drehmomentsensor an der Kraft des Menschen orientiert, kann die Unterstützung des Motors präziser erfolgen. Der Controller wird so programmiert, dass er die Kraft des Menschen verstärkt. Erhöht die Fahrerin die Kraft wird mehr unterstützt. 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 jeder Kurbelumdrehung über den Totpunkt der Motor nachlässt.

Das Fahren mit Drehmomentsensoren gesteuerter Unterstützung fühlt sich an als würde man ohne Motorunterstützung dafür mit viel Rückenwind fahren.

Feel the Flow

Interessant ist bei diesen Systemen, dass sogar unter den verschiedenen Klassen von Handbikern spezielle Programme erstellt werden können. Selbsterklärend sieht ein Kraftverlaufsdiagramm eines H5 Knie-Handbikers deutlich anders aus als das eines H1 Liege-Fahrers.

Am Handbike setzten sich Drehmomentsensoren noch nicht durch

Ein Grund dafür ist, dass viele Steuerungen elektronisch geschlossene, auf Fussgänger Parameter optimierte Systeme sind. So sind die aufzubringende Kräfte zu hoch um beim Handbike Sinn zu machen. So profitieren wir Handbikende nicht von den Lösungen bekannter Hersteller wie Bosch, Shimano Steps, Panasonic, Bose oder anderen.

Es gibt jedoch auch Torque-Sensoren die anstelle klassischer Tretlager eingebaut werden und sich oft auf den Kettenzug konzentrieren. Dazu braucht es aber ein freies Tretlager, was beim Einsatz von Nabenmotoren problemlos ist, aber bei Mittelmotoren spezielle Konstruktionen erfordert.

Im Zuge der Entwicklung unseres Kobold Handbikes, nahmen wir uns diesem Thema an, so läuft der Vorgänger-Prototyp "Wildone" mit einer auf einem DAPU Drehmomentsensor gestützten CycleAnalyst Steuerung. Das ist eine hervorragende Lösung.

Cycle Analyst am Wildone Handtrike Prototyp
Quelle: Handbike-Andi

Geschwindigkeits-Sensoren

Speedsensor
Quelle: https://ebike-mtb.com

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

Klassisch sind externe Speedsensoren mit einem Speichenmagneten. Einige Nabenmotoren verfügen aber auch über interne Sensoren.