Die Pedelecmotore und ihre Sensoren

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doran

Die Pedelecmotore und ihre Sensoren

Beitrag von doran »

Die Ansteuerung der Pedelecmotore & ihre Sensoren.

Die Ansteuerung der Pedelec ist ein wichtiges aber auch kompliziertes
Thema. Es trägt aber gravierend zum Erfolg oder Nichterfolg des Rades
bei. Dem Normalnutzer ist die Problematik nicht bewußt. Er merkt jedoch
sehr rasch, wenn sich die Entwickler nicht intensiv um dieses Thema
gekümmert haben.

In den Anfängen der Pedelec-Entwicklung vor ~ 10 bis 6 Jahren also 2001.
2005 wurden die "Chinaräder" mit drehzahlabhängigen Impulsen gesteuert.
Das wurde teils mit "optischen Gebern" ( Fotoelementen ) später meist
mit "magnetischen Gebern" ( Hallgeneratoren auch Hallsensoren genannt)
bewerkstelligt. Da die Hallsensoren schmutzunempfindlich sind, setzten
sie sich stärker durch. Ein Magnet wird am Hallsensor vorbei geführt &
erzeugt einen analogen Impuls. Gleiches passiert beim Fahrradtacho, wird
dort als Zählimpuls für Strecke & Geschwindigkeit verwendet. Ich bemühe
mich, nicht zu fachlich zu werden, andererseits dem technisch vorgebilde-
ten Leser aber Eingang in die Problematik des Stoffes zu ermöglichen.

Bei der drehzahlabhängigen Ansteuerung ( China ) wird umso mehr Motor-
leistung abgerufen, je schneller man tritt. Heißt: tritt man langsam aber
mit hohem Druck ( großer Gang - kleines Ritzel hinten ) wird der Schub
unterproportional. Durch Verändern der Unterstützung:
Stufe 1 - Stufe 2 - Stufe 3 - Stufe 4 ( maximal 5 Stufen, aber selten) kann
man diesen Nachteil nicht ausgleichen. Eine Veränderung der Stufe be-
wirkt eine Veränderung der Steilheit der Übertragungskurve für die
Ansteuerung. Heißt: die auf eine bestimmte Drehzahl erfolgte Leistungs-
zuweisung für den Motor wird um feste Verhältnise angehoben oder
gesenkt. z.B. 1:0,5 1:0,75 1:1 1:1,5 1:2 usw. ( ganz korrekt ist
das nicht, mehr dazu unten)

Beispiel:
50 Kurbelumdrehungen / min. = 50 Watt - Schub in Stufe 1
." " " " / " = 100 " - " " " 2
" " " " / " = 150 " - " " " 3 u.s.w.

Wieviel Watt den Kurbelumdrehungen zugeteilt werden, ist Auslegungs-
sache des Entwicklers. Dies kann mal willkürlich geshehen, oder nach
ausgiebigen "Fahrversuchen im Testlabor" ( bei großen Firmen ) mit mög-
lichst unterschiedlichen Probanden. In den Kindertagen des Pedelec
waren die Akkus schwach, die zugeteilte Leistung ebenfalls. Da reichte
es, mit einem einfachen System bezogen auf eine mittlere Drehzahl dem
Pedelecfahrer etwas Schub zukommen zu lassen. Wir reden hier von
Akkugrößen 120 ...180 Wh. & Schubleistungen von 25 - 50 - 75 Watt.
Das waren die Kenngrößen der Pedelec der "ersten Stunde".

Tritt man im kleinen Gang mit überhöhter Drehzahl ( 60..80 U/min Kurbel )
wird die Unterstützung überproportional. Als Nachteil, muß man anstren-
gend "kurbeln" was das Zeug hält, ein Mangel an Fahrqualität. Bei mittle-
rer Drehzahl ( 45 .. 50 U/min Kurbel ) wird die Ansteuerung proportional,
man hat das Gefühl der erhaltene Schub ist harmonisiert mit der erbrach-
ten Tretleistung. ( Kurbelumdrehung x Tretdruck ) = Drehzahl x Drehmo-
ment. Man fühlt das sofort angenehm, wenn es stimmt, & bemerkt auch
wenn es unstimmig ist, ohne zu wissen woran es im Einzelnen liegt.

Bei den drehmomentabhängigen Ansteuerungen ( USA - Canada - EU )
wird das erzeugte Drehmoment als Kriterium für die Motorsteuerung ge-
nommen. Hier entscheidet einzig der Pedaldruck. Dieser Pedaldruck
ist jeweils maximal bei waagerechten Pedalen & Null in senkrechter
Stellung. Die Kennlinie der Kraftentwicklung folgt einer Sinuskurve, deren
2-Halbwellen hochgeklappt sind, ähnlich dem Ausgang der Graetz-Brücke
bei der Zweiweg-Gleichrichtung. Für eine kontinuierliche Leistungs-
zuteilung über den Motor als Ausgangspunkt schlecht geeignet.

Folge: der Strom schwillt stetig an & ab, entsprechend ist auch der
Motor- Schub. Da das Rad & der Fahrer zusammen eine große Massen-
trägheit besitzen, merkt man davon wenig. Sehen kann
man es aber deutlich auf dem Ampere-Meter. Die Stromwerte sind ohne
Unterlass in Bewegung, selbst wenn man sich bemüht gleichmäßig zu
treten. Für den Fahrer ist der Umstand störend, daß er kontinuierlich "die
Kette stramm halten muß", will er denn Schub abrufen. Das geht in die
Kniegelenke. Egal ob man schnell oder langsam tritt, ohne ausgeprägten
Druck gibts keine Leistung. Für "Kraftsportler" mag das egal sein, für die
große Gemeinde der Normalfahrer ein "Unding". Aus diesem Grunde wer-
den Neuentwicklungenn mit "Kombinations-Steuerungen" ausgestattet.
Die einfachste Kombination ist Drehzahl & Drehmoment parallel, - etwa
hälftig als Steuerkriterium zu nutzen.
Heißt: Die Hälfte des Schubes wird abgeleitet vom Pedaldruck, die andere
Hälfte von der Drehzahl der Tretkurbel. Folge: Man braucht nicht über-
mäßig schwer zu treten, durch erhöhte Trittfrquenz kann man minderen
Druck kompensieren. Ein wesentlicher Schritt in die richtige Richtung.
Leider hat meine Bion-X Steuerung nur Drehmoment - Ansteuerung. Man
sieht, die Dinge kommen rasch in die Jahre, - obwohl es nur 5 sind.

Neue "Steuer-Entwicklungen" führen eine dritte Säule als Kriterium ein,
die Fahrgeschwindigkeit. Bosch mit seinem neuen Mittelmotor hat hier
eine Vorreiterrolle mit Pionierleistung eingenommen. Warum ein 3. Steuer-
kriterium ? Man fährt ,- braucht nicht übermäßig hart zu treten, weil die
"Dualsteuerung" Drehmoment & Drehzahl berücksichtigt. Auf flacher
Strecke stimmt das so. Nun kommt Gegenwind & oder ein Berg hinzu,
schon ist man gezwungen "hart" in die Pedale zu gehen, oder "wüst" an-
fangen zu kurbeln um Schub abzurufen. Hier setzt die "Bosch-Steuerung"
an, merkt, daß die Fahrgeschwindigkeit sinkt bei gleicher Trittdrehzahl &
Pedaldruck. Entlang einer "reziprokproportionalen - Kennlinie" wird kom-
pensiert. Heißt: Wird das Rad langsamer, erkennt der Geschwindig-
keitsmesser dies & gibt soviel Zusatzschub bis die alte Geschwindigkeit
annähernd wieder erreicht ist. ( Proportionalregelung ) Wie fühlt sich das
für den Fahrer an ?
Man hat das Gefühl, das Rad ist extrem bergtauglich & hat
"gewaltig Biss" bei Gegenwind & an der Steigung. Eine Probefahrt wird
Jeden überzeugen. Allerdings setzt Bosch dieses Konzept nur für Serien-
räder, für große Vertragsfirmen ein. "Selbstnachrüster" & kleine Fach-
betriebe sind als Kunden nicht vorgesehen. ( schade) Mit "Beziehungen"
schaffen es dann doch Einige.

Andere Firmen arbeiten aber an vergleichbaren Lösunge, & werden wohl
im Frühjahr 2012 zeigen, was auch sie konnten. Für Billigräder vom Dis-
counter stehen solche Steuerungen nicht zur Verfügung. Die Entwicklung
läßt man die Käufer der gehobenen Mittelklasse oberhalb ~ 2200 € be-
zahlen, zunächst jedenfalls. Wahrscheinlich wird es bald Varianten geben,
wo der Regel-Anteil der Fahrgeschwindigkeit mittels Stufenschalter ein-
stellbar wird. Heißt: über diesen Schalter (der die Kennlinie verändert) be-
stimmt man, ob eine "verstärkte Bergunterstützung" gewünscht wird, oder
maximale Endgeschwindigkeit ( 25..27 kmh ) mit oder ohne Gegenwind.
Wahrscheinlich dazwischen eine neutrale Stufe für die gemütliche Frei-
zeitfahrt durch "Wald & Feld". Die technischen Möglichkeiten sind da.
Die Firmen werden es umsetzen, weil sie im Markt bleiben wollen. Wer
nicht mitzieht, verliert Kunden & wird verschwinden. Wer nun denkt, bei
Bosch ist "alles wunderbar", ist zu kurz gesprungen. Die Akkus sind mit
~ 36V - 8Ah & knapp 290 Wh unteres Mittelfeld. Für ein Stadtrad mag
das genügen, für gehobenere Ansprüche ist es zu wenig. Bei der oberen
Mittelklasse sind 350 Wh ein Muß. Marktführer erfreuen die Kunden mit
400-~ 500 Wh. Wenigstens als Option bestellbar, - gegen Aufpreis.
Spitzenreiter in Sachen Akku ist nach meinem Wissensstand das
"Sachs-Marathon" mit 36V & 750 Wh. Das reicht für ausgedehnte Tages-
touren mit Gegenwind & Steigungen bei einer Reisgeschwindigkeit um die
~ 18 kmh. Oder umgerechnet in Strecke ~ 70 km mit 200% Unterstützung
oder 105 km mit 100 % Unterstützung. Bei den Nachrüstakkus liegt die
Meßlatte zur Zeit bei 504 Wh. / 24V 21Ah & 756 Wh. / 36V 21Ah
& 1008 Wh. / 48V 21Ah Dies im Vergleich zum Bosch-Angebot mit
290 Wh. Da Bosch nicht "marktblind ist", wird es wohl im Frühjahr
Verbesserung geben. Das 756 Wh - 36V & 1008 Wh - 48V die richtige
Ausrüstung für ein "S-Pedelec" wären, sei mal am Rande bemerkt. Da
wirken die Angebote der Firmen mit ~ 350 Wh unrealistisch & altbacken.

Die Angabe der Unterstützung in Prozent, ist eine Webeaussage, unprä-
zise, ungenau aber publikumswirksam. Einmal wird von einem Drehmo-
ment auf die Schubleistung geschlossen, ein anderes Mal von einer Dreh-
zahl aus. Beides ist kritisch betrachtet Unfug. In beiden Fällen müssten
Drehzahl & Drehmoment ermittelt werden = Trittleistung & von da aus, mit
angegebenem Prozentsatz die unterstützende Motor - Zusatzleistung.
Die moderne "Dual-Steuerung" ( wie oben beschrieben) bietet hier einen
guten Ansatz. Kommt ein drittes Steuerkriterium dazu, wie bei Bosch &
demnächst auch Andere, wird die Angabe wieder verwässert. Der Normal-
kunde merkt das aber nicht, er "erfährt" ( im wörtlichen Sinne ) die Unter-
schiede, wenn er eine ausgedehnte Probefahrt macht.

In Zukunft wird es Steuerungen geben, die den Berg speziell berück-
sichtigen, eine hohe Endgeschwindigkeit ( 25..27 km) garantieren, oder
eine einstellbare Festgeschwindigkeit bewirken, trotz unterschiedlicher
Tretleistung. Oder sie bewirken eine Mindest & Höchstgeschwindigkeit
bei Vorgabe einer Bandbreite an Eigenleistung z. B. 50 .. 100 W.
Heißt: man gibt 16 ..19 kmh ein, als Wunsch-Reisegeschwindigkeit,
das Rad erfasst die Tretleistung & regelt innerhalb des Regelbereiches
durch Veränderung der Unterstützung die Reisegeschwindigkeit zwischen
16 mindestens & 19 kmh höchstens, wenn mit mindestens 50W getreten
wird & höchstens 100W. Technisch wäre das heute schon machbar, aber
praktisch sammelt man nach jedem Schritt Markterfahrung & läßt diese
in die nächste Entwicklung einfließen. Dadurch kommt man sicher voran,
aber langsamer als entwicklungsmäßig möglich wäre. Als Nebeneffekt
verlangsamt es den Modellwechsel & senkt die Produktionskosten infolge
größerer Stückzahlen bezogen auf den Entwicklungsaufwand.

Zusammenfassung:
Welchen Nutzen kann man aus obigen Ausführungen ziehen ? Wenn
man nicht gerade ein Rad der unteren Preisklasse kauft, kann man sich
vor dem Kauf vergewissern, wie das Rad gesteuert wird. Heißt: Nur Dreh-
momentsensor bedeutet man muß hart treten um eine aktzeptabele
Unterstützung zu erhalten. Das geht bei langen Fahrten auf die Gelenke.
( eigene Erfahrung ) Nur drehzahlgesteuert bedeutet, um kräftig Schub
abzurufen muß man kurbeln oberhalb einer Trittfrequenz von ~ 45 ..50 U/
min. Auf langen Strecken wirkt das ermüdent, & unbequem. Eine gefühls-
mäßig synchrone Unterstützung kann man von einer "Dualsteuerung" er-
warten, die Drehmoment & Drehzahl berücksichtigt. Wie kommt man
dahinter ? Ist der Verkäufer fachkompetent & vertrauenswürdig, kann man
ihn fragen. Geht das nicht, kann man vor Kaufabschluß in die Betriebs-
anleitung schauen. Unter Sensor - Steuerung - Antriebssteuerung oder
ähnlichen Angaben wird das beschrieben, aber nicht immer. Der nächste
Weg den Hersteller im "WEB aufsuchen" & sich die Beschreibung des
Rades sorgfältig anschauen, diese sind in der Regel recht präzise. Wenn
auch das nicht weiterhilft, kann nur eine Probefahrt helfen. Eine Probefahrt
rate ich in jedem Fall an, auch wenn bei Nichtkauf eine Gebühr fällig wird.
Das ist in jedem Falle sinnvoller, als ein Fehlkauf. Gebrauchte falsch aus-
gesuchte Pedelec zu verkaufen, mach wenig Sinn. Durch den schnellen
Fortschrittswandel verliert man heftig an Wert. Eine Dualsteuerung
erkennt der Normalfahrer daran, daß der Schub annähernd gleich bleibt,
wenn man einen Gang hoch oder runterschaltet. Bei der reinen Dreh-
momentsteuerung wird der Schub merklich geringer wenn man hinten
von einem kleinen auf ein größeres Ritzel wechselt & umgekehrt. Bei
der reinen Drehzahlsteuerung stellt sich bei ~ 45..50 Kurbel - U/min.
ein harmonisches Gefühl der Unterstützung ein. Sinkt die Drehzahl
unter diesen Wert, hat man das Gefühl " mit einer schlappen Kiste"
zu fahren. Tritt man schneller als 50 U/min, hat man das Empfinden,
jetzt wird der Antrieb "lebendig". Die besten Werte hat natürlich eine
Dualsteuerung mit Geschwindigkeitssensor. z.B (" Bosch-Cannondale" )
oder andere Hersteller die den neuen Bosch Mittelmotor verwenden.
Hier wird Panasonic nachbessern müssen, um den Anschluß nicht
zu verlieren. Die Bosch Steuerung vermittelt ein Fahrgefühl, daß der
Motor immer "Biß hat" egal ob auf flacher Strecke, am Berg, mit & ohne
Gegenwind. Wer es nicht glaubt, sollte sich durch eine Probefahrt über-
zeugen lassen. Der Nachteil ist, den Antrieb gibt es nur in der gehobenen
Preisklasse. Wer seine Anforderungen reduziert, kommt natürlich auch
mit einer " einfachen Steuerung" zu recht, - fahren tun sie letztlich alle.

Ich hoffe dem Einen oder Anderen eine kleine Hilfe bei der Auswahl seines
zukünftigen Pedelec gegeben zu haben. Überbewerten muß man das alles
nicht, eine ausreichende Gebrauchstüchtigkeit haben alle Marken &
Typen. Wer jedoch etwas mehr anlegen will, stellt natürlich auch größere
Anforderungen im Detail. Gruß Doran
Franz687

Re: Die Pedelecmotore und ihre Sensoren

Beitrag von Franz687 »

Hi Doran,
bin ganz neu hier, habe aber die Artikel gelesen und hätte noch einige Fragen,
die ich gern besprechen möchte. Die ASrtikel sind ja schon ein paar Jahre allt,
es dürfte sich einiges getan haben.
Viele Grüße Franz
tell

Re: Die Pedelecmotore und ihre Sensoren

Beitrag von tell »

Welche Fragen hast du denn? Vielleicht können wir die hier im Thread diskutieren, dass alle was davon haben.
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