Ein E-Bike Akku ist hohen Anforderungen ausgesetzt. Denn im E-Bike soll ein Akku regelmäßig hohe Leistungen liefern, eine hohe Kapazität aufweisen um lange Fahrradtouren zu ermöglichen, sicher in der Handhabung und im Betrieb sein, sowie eine lange Lebensdauer aufweisen.
RADSZENE erklärt alles Wissenswerte zum Thema E-Bike Akku.
Damit ein E-Bike Motor seine Arbeit verrichten kann benötigt er Energie in Form elektrischer Leistung (in Watt). Diese Energie fordert er beim Akku an.
In diesem Artikel wird durchgehend mit einem Motor mit einer Nennleistung von 250W gerechnet.
Es gibt einen Energiebedarf, den es bestmöglich zu lösen gilt.
Welche Spannung beim E-Bike?
E-Bike Motoren gibt es in verschiedenen Spannungen wie 28,8V, 36V oder 48V. Zur Zeit am weitesten verbreitet sind E-Bike Motoren mit einer Spannung von 36V und 48V. Genau genommen sind es dabei nicht 48V, sondern nur 46,8V. Dazu später mehr.
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Orbea E-Bike mit Wave Rahmen und 248Wh AkkuWelche Vorteile hat eine höhere Spannung?
Eine höhere Spannung hat den Vorteil, dass Kabelverbindungen eine niedrigere Stromstärke transportieren müssen. Jedes Kabel hat einen bestimmten Widerstand (in Ohm). Durch die Reduzierung der Stromstärke, und den dadurch kleineren Kabelquerschnitt sinken die durch den Widerstand entstehenden Wärmeverluste im Kabel. Das macht die Stromversorgung eines Motors mit 48V effizienter als die eines Motors mit 36V.
Die “Power” ändert sich dadurch nicht.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Entladestrom der Akku Zelle geringer ausfällt. Kann die Akku Zelle einen benötigte Stromstärke nicht liefern, so lässt sich die Energie Lieferleistung durch eine Erhöhung der Spannung skalieren. So werden durch eine höhere Spannung höhere Leistungen erzielbar.
Welche Nachteile hat eine höhere Spannung?
Um eine höhere Spannung zu erzeugen werden mehr Akku Zellen benötigt, die in Reihe geschaltet werden müssen.
Kapazität
Kapazität wird angegeben in Ampere Stunden (Ah), also wieviele Stunden lang 1A Stromstärke geliefert werden können.
Bsp.: bei einer Kapazität von 10Ah können zehn Stunden lang 1A an Stromstärke geliefert werden.
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Centurion E-Fire mit 625Wh AkkuE-Bike Akkupack erklärt
Ein E-Bike Akkupack besteht aus einer Kombination von in 1. Reihe und 2. Parallel geschalteter, also (in der Regel per Lötkontakt) miteinander verbundener Akku Zellen.
Ni-Mh Akku Zellen, die man aus dem Supermarkt in Form von Micro (AAA) oder Mignon (AA) Zellen her kennt, können nur geringe Stromstärken liefern und sind darauf ausgelegt, geringe Stromstärken über einen längeren Zeitraum zu erbringen - z.B. in einem Akku Rücklicht.
Lithium Akku Zellen wiederum, die es in runder / zylindrischer Form gibt, oder auch in flacher (Smartphone) oder gebogener Bauweise, könne hohe Stromstärken liefern. Beim E-Bike kommen in der Regel zylindrische Standard Industrie Zellen zum Einsatz. Zylindrische Lithium Zellen haben ein flüssiges Elektrolyt und tragen die Bezeichnung “Li-Ion”. Flache oder gebogene Akku Zellen haben ein gelartiges Polymer als Elektrolyt und tragen die Bezeichnung “Li-Po”.
Eine einzelne Lithium Akku Zelle hat eine Spannung von 3,6V. Angegeben werden manchmal auch 3,7V. Um die Werte in diesem Artikel einheitlich zu halten, werden im Folgenden für die Spannung immer 3,6V als Rechengrundlage verwendet.
Akku Zellen
Je nach Einsatzzweck und Platzangebot sind verschiedene Formate erhältlich. Ein sehr ausgereiftes und weit verbreitetes Format ist der Typ “18650”. Eine einzelne 18650 Akku Zelle hat dabei die Abmessungen 18x65mm. Wegen der hohen Verbreitung des Typs 18650 sind Akkus für vielfältige Einsatzzwecke verfügbar. Ob besonders hohe Kapazität, Driftstabilität, Temperatureignung oder Hochstromfähigkeit, die 18650 Akku Zelle ist für den Aufbau von E-Bike Akkupacks fast immer die 1. Wahl. Kaum eine andere Industrie Akku Zelle kann da bei der Flexibilität mithalten.
Spezielle Hochstromzellen bieten einen Dauerentladestrom mit bis zu 30A.
Kleinere Zellen wie die Li-Ion Zelle Typ 14500 sind mit 14x50mm kaum kleiner, stehen bei Kapazität oder Entladeleistung im Verhältnis zu ihrer Größe aber entscheidend schlechter da.
Die größeren Zellen vom Typ 21700 bieten zwar eine höhere Kapazität, sind aber eben verhältnismäßig teuer und größer, wobei letzteres bei einem E-Bike Akku bei bestimmten Kontruktionen wie den Inline Akkupacks z.B. von Bosch oder Mahle nun einmal einen Nachteil darstellt. Hinsichtlich des Merkmals Entladestrom steht im Gegensatz zu den 18650 Zellen zumindest zum aktuellen Zeitpunkt eine verhältnismäßig geringe Auswahl zur Verfügung.
Beim Mahle X20 und X35 Akkupack kommen 20 längs eingesetzte Akku Zellen zum Einsatz. Mit größeren Zellen gäbe es keine Möglichkeit, das Unterrohr so schlank zu gestalten. Zum Thema Akkukonfiguration später mehr.
Leistung
Die vom Motor verrichtete Leistung wird in Watt angegeben.
Leistung ist das Ergebnis aus der Multiplikation von Spannung und Stromstärke.
Ein Pedelec Motor darf eine Dauerleistung von maximal 250W vom Akku abrufen. Die Formel mit dem eingesetzten Wert lautet dann:
Diese 250W braucht unser Motor einfach wenn wir es mal richtig krachen lassen wollen.
Am Energiebedarf des Motors und dem Einsatzzweck des E-Bikes richtet der Hersteller seine Berechnungen aus.
Stromstärke
Nicht alle Li-Ion Akkus können hohe Stromstärken liefern (also stark entladen). Im Gegensatz zu Ni-Mh Akkus (die z.B. nicht für “Kamerablitz geeignet” sind) können Li-Ion Akkus prinzipiell eine deutlich höhere Stromstärke liefern.
Um starke Verbrauchern (also Motoren mit hohem Energiebedarf) versorgen zu können, kommen Akkuzellen mit hoher Stromentladungsleistung zum Einsatz.
Um die Stromstärke, mit der eine Akku Zelle entladen wird zu reduzieren, kann die Spannung erhöht werden.
Einsatzzweck
Akku Zellen sollten immer im Hinblick auf den zu erwartenden Einsatzzweck hin ausgewählt werden.
Modellbau (aggressiv)
Im Modellbau oder im FPV Drohnenflug werden Akkus förmlich ausgequetscht. Das ständige Verfolgen der Akkuspannung dabei gehört dazu. Wenn der Akku beschädigt wird, die Aufnahme aber top geworden ist, und die Drohne vielleicht sogar auch noch unbeschadet ladet, dann hat der Akku seine Aufgabe zur vollen Zufriedenheit erfüllt.
Elektroauto (konservativ)
Ein ganz anderer Einsatzzweck ist der im Elektroauto. Dort muss der Akku seine Aufgabe über viele Jahre so erfüllen, dass er eine bestimmte Kapazität nicht unterschreitet.
Elektrofahrrad
Beim Elektrofahrrad gibt es unterschiedliche Einsatzzwecke
- langjährige Nutzung (konservativ)
- ganzjährige Nutzung (konservativ)
- kurzzeitige Nutzung mit Vollast (aggressiv)
Je aggressiver die Nutzung ist, umso höher die Stromstärke, mit der jede einzelne Zelle entladen wird.
Je höher die Spannung, umso geringer der Entladungsstrom pro Zelle.
Beim E-Bike mit Schwerpunkt auf intensive aber kurze Distanzen bedeutet das eine hohe Spannung, eine hohe Stromstärke und eine aufgrund dieser Anforderungen getroffenen Akkukonfiguration entsprechend entweder geringe Laufleistung oder ein bauartbedingt entsprechend großer Platzbedarf.
Beispiele
Entscheidend für die Abdeckung des Pedelec Motor Energiebedarfs sind der Dauerbetrieb und die Spitzenleistung (Peak).
Welche Untergrenze bei der Spannung wären theoretisch für eine Dauerleistung von 250W möglich? Eine Hochstrom 18650 Akku Zelle liefert bis zu 30A Entladestrom. Mit unserem 250W Beispielmotor erhalten wir dann folgende Gleichung.
Weil die Spannung immer ein vielfaches von 3,6V ist, passen wir die Rechnung auf ein Vielfaches von 3,6V - also auf 10,8V - an:
Für diesen Motor in Verbindung von am Limit entladenden Hochstrom Spezialzellen wäre also eine Spannung von z.B. 10,8V ausreichend. 23,15A pro Zelle sind aber eine sehr hohe Anforderung für diesen Einsatzzweck.
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Rocky Mountain E-MTB mit 750Wh AkkuStromstärke bei Peak-Leistung
Elektromotoren aus dem Sportsegment wie der BOSCH Performance CX Gen4, der Shimano EP8 oder der Brose Drive S Mag leisten bis um die 600W an Spitzenleistung. Mit den zuvor berechneten 10,8V Spannung erhalten wir in dem Zusammenhang einen extrem hohen Entladestrom. Zwar nur kurzzeitig (Peak), aber dennoch viel zu hoch.
Indem die Spannung erhöht wird, verringert sich der benötigte Entladestrom in den Zellen.
Stromstärke bei Dauerleistung
6,95 Ampere pro Zelle sind für nicht speziell auf hohe Entladungsleistungen ausgelegte Zellen immer noch viel. Es ist also noch Spielraum nach oben, weil es ja noch deutlich stärkere Motoren gibt, die einen höheren (Peak) Energiebedarf haben.
Stromstärke bei Spitzenleistung
Reihenschaltung
Bei der Reihenschaltung werden 3,6V Zellen mit + an - miteinander verbunden.
- die Spannung steigt
- der Entladestrom sinkt
Parallelschaltung
Bei der Reihenschaltung werden 3,6V Zellen mit + an + und mit - an - miteinander verbunden.
- die Kapazität steigt
Akkukonfigurationen
Akku Zellen werden durch eine Kombination von in Reihe und in Parallel geschalteten Zellen zu einem Verbund, zu einem Akkupack mit einer bestimmten Akkukonfiguration. Diese Bezeichnung setzt sich zusammen aus der in der Reihenschaltung verwendeten Anzahl an Akku Zellen und dem Suffix “s”, sowie der Anzahl in Parallelschaltung verwendeten Zellen mit dem Suffix “p”.
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Orbea E-Bike H30 mit Wave Rahmen und 248Wh AkkuBeispiele
- 10s1p: 10 Zellen in Reihe
- 10s2p: 36V mit 6.400mAh*
- 10s3p: 36V mit 9.600mAh*
- 13s5p: 48V mit 16.000mAh*
Mahle gibt für den X20 und X35 Akkupack eine Energie von 248Wh an. Das entspricht einer Kapazität von 6.890mAh. Die verwendeten Zellen müssten bei der 10s2p Akkukonfiguration also eine Kapazität von 3400mAh (6.890mAh/2=3445mAh)aufweisen, die im oberen Bereich angesiedelt ist. Dabei ist die Stromentladung gar nicht mal gering. Lange halten soll der Akkupack ja auch, und auch noch in das Fahrrad Unterrohr passen. Offensichtlich hat Mahle das aber hinbekommen.
Schwerpunkt
Akku Zellen des Typs 18650 gibt es als universal nutzbare Zellen, aber auch als Zellen, die entweder besonders hohe Stromstärken liefern können, eine besonders hohe Kapazität haben oder eben besonders haltbar sein sollen.
Diesen Schwerpunkt, und somit die Wahl der Akku Zellen, gilt es bei der Auswahl von Akku Zellen für den Zusammenbau eines Akkupacks zu berücksichtigen.
Sicherheit
Damit ein E-Bike Akku sicher ist, braucht es hochwertige Akku Zellen und eine hochwertige Steuerplatine. Für eine hohe Leistung bei hoher Sicherheit ist grundlegend zu beachten, dass originale Akku Zellen von hoher Qualität verwendet werden. Es sind gefälschte Akkus im Umlauf.
Für eine sichere Funktion und hohe Leistung ist die Wahl von geeigneten Zellen unerlässlich.
das Beste, was bei einem defekten Akku passieren kann ist, dass er einfach nicht mehr funktioniert.
Laden und Entladen des E-Bike Akkus
Beim Aufladen von Li-Ion Akkus entsteht Hitze. Ein geeignetes Ladegerät ist erforderlich, um den den Ladevorgang mit einer optimalen Ladekurve zu steuern und rechtzeitig abzuschalten.
Mehr Hitze entsteht in der Regel beim Entladen. Durch die hohe Stromlieferleistung kann bei einem Lithium Akku bei Unterschreiten der minimalen Betriebsspannung viel Hitze entstehen, die zu zu Rauch, Verpuffung, Feuer oder Explosion führen kann. Aus dem Grund ist eine hochwertige Regelelektronik sicherheitsrelevant. Akkus sind bei schlechter Qualität und falscher Handhabung ein Sicherheitsrisiko.
Die richtige Akku Pflege
Li-Ion Akkus unterscheiden sich von Ni-Cd und Ni-Mh Akkus und sollten anders behandelt werden. Mit der richtigen Pflege lässt sich die Haltbarkeit der Akku Zellen deutlich verbessern. Die folgenden Punkten verlängern die E-Bike Akku Lebensdauer:
- nicht tiefentladen
- nicht leer lagern
- nicht komplett voll lagern
- bei Nichtnutzung zwischendurch etwas nachladen
- nicht unnötig oft nachladen
- Aufladen und dann vom Ladegerät nehmen
- vor Hitze und direkter Sonneneinstrhlung schützen
- Aufladen bei Kälte nach Möglichkeit vermeiden
Li-Ion Akkus haben keinen Memoryeffekt. Es ist also nicht notwendig diese komplett zu entladen, um durch einen darauf folgenden Aufladevorgang die volle Kapazität zu erhalten.
Als Richtwert kann der Akku bei regelmäßiger Nutzung dann aufgeladen werden, wenn 2/3 der Kapazität verbraucht worden sind. Dadurch lassen sich zum Einen unnötig viele Ladezyklen vermeiden, zum Anderen auch die vorzeitige Alterung des Akkus durch eine vollständige Entladung.
