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:

– Bewegungssensoren (überprüfen Bewegung am Pedal)

– Drehmoment- oder Kraftsensoren  (überprüfen die eingebrachte Kraft)

– Geschwindigkeitssensoren

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

Bewegungssensoren

Wenn sich die Kurbel dreht, liefert der Motor die Unterstützungsleistung die in der gewählten Stufe definierte wurde.

Torque

Die Motorleistung wird proportional zur menschlichen Leistung, gemessen vom Drehmomentsensor, 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 löst der Hallsensor einen Impuls aus und der Controller erkennt die Bewegung der Kurbel.
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 man einen PAS Sensor mit möglichst vielen Magneten (Polen) wählt. 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 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 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. Nehmen wir mal, allgemein verständlich ausgedrückt, an 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 auch 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 einem passieren, dass man immer entweder ein bisschen zu schnell oder knapp zu langsam ist.
Darum stelle ich die Geschwindigkeit lieber alle 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 sich 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 fahren, muss dafür jedoch  viel weniger Kraft aufbieten.

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.

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 theoretisch im Handbike nicht funktionieren, weil durch das parallele Antreiben kein unterschiedlicher Druck bzw. keine Verdrehung auftritt, doch die Spannung der Kette generiert trotzdem einen einseitigen Zug, sodass ausreichende Messdaten herausgelesen werden können.
Es gibt auch Tretlager-Torque-Sensoren die sich nur auf diesen Kettenzug konzentrieren.

Die Programmierun stützt immer auch auf einen Geschwindigkeitssensor ab, dadurch ist es möglich, auch in leichteren Gängen die maximale Geschwindigkeit, bei der der Motor noch unterstützt, zu erreichen.

BionX offen Dehnmess-Streifen
Quelle: www.pedelecforum.de
SEMPU Drehmoment-SensorTDCM DrehmomentsensorNCTE Drehmoment-Sensor
Quelle: https://www.ebikes.ca/
DAPU Torque-Sensor
Quelle: http://www.dapumotors.com

Im Handbike setzten sich Drehmomentsensoren noch nicht durch.

Ein Grund dafür ist, dass viele Steuerungen geschlossene, auf Fussgänger Parameter optimierte Systeme sind. So sind die aufzubringende Kräfte zu hoch um beim Handbike Sinn zu machen.
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

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.