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Akkus: Das muss man über die Stromquelle der Elektroräder wissen

Da der Akkumulator eines Elektrofahrrads nicht nur das wichtigste sondern meist auch das teuerste Teil ist, sollte darauf ein besonderes Augenmerk gelegt werden. Wurden früher bei Elektrorädern sogar noch Blei-Säure-Batterien verwendet, ist das heute nicht mehr zeitgemäß, obwohl die Akkumulatoren robust und günstig sind. Dennoch ist die Batterie-Variante zu groß und schwer für den Einsatz in modernen Pedelecs. Interessant in diesem Zusammenhang: Der französische Physiker Gaston Planté hat 1859 die erste aufladbare Batterie erfunden und sie arbeitete auf Blei-Säure-Basis.

Eine weitere Variante sind Nickel-Metallhybrid-Akkus. Doch auch sie sind aufgrund ihrer geringen Lebensdauer und der hohen Selbstentladung nicht mehr zeitgerecht.

De facto darf man zum jetzigen Zeitpunkt bei guten Pedelecs den Lithium-Ionen-Akku als Standard ansehen. Der Lithium-Ionen-Akku mit Lithium-Cobaltoxid-Kathoden (LiCoO2) bietet eine Reihe von Vorteilen. Darunter seine hohe Energiedichte und das damit verbundene geringe Gewicht. Außerdem zeigt er eine gute Belastbarkeit, eine hohe Zellspannung, eine geringe Selbstentladung, kaum Wartungsaufwand und keinen Memoryeffekt.

Hinweis: Der Akku Memoryeffekt verkleinert die effektive Kapazität eines Akkus und liefert dementsprechend wesentlich weniger lange Energie. Wenn ein Akku mit Memoryeffekt zum Beispiel nur bis zu einem Drittel entladen, dann wieder aufgeladen wird und dies öfter stattfindet, setzt der Memoryeffekt ein. Dabei verliert der Akku dann ein Drittel seiner Kapazität, weil er beim Entladen bis zu einem Drittel seiner Kapazität meldet, dass es leer ist.

Lithium-Ionen-Akkus werden beim Laden warm und können unter Umständen sogar heiß werden. Sie benötigen eine Schutzschaltung um vor Überhitzung oder gar einer Explosion geschützt zu sein. In der Regel ist die Sicherheitstechnik im Akku integriert. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Akkus alleine schon durch ihre Lagerung altern und oft schon nach einem Jahr an Kapazität eingebußt haben können. Nach 500 bis 800 Zyklen und circa drei bis vier Jahren macht sich der Verschleiß stark bemerkbar.

Eine vielversprechende Variante der Lithium-Ionen-Akkus sind die LiFePO4-Batterien. Diese Lithium-Eisen-Phosphat-Akkus sind gegenüber den herkömmlichen Li-Ion-Akkus langlebiger. Sie sollen eine Lebensdauer von über fünf Jahre haben und bis 5.000 Ladezyklen durchhalten. Zudem sind sie nicht so feuer- und explosionsgefährdet wie die Li-Ion-Modelle.

Allerdings brauchen LiFePO4-Akkus ein Batterie-Management-System (BMS) und eine Balancer-Elektronik. Zum Laden benötigen sie spezielle auf den Akku abgestimmte Ladegeräte um eine optimale Ausnutzung gewährleisten zu können. Dies gilt übrigens auch für Li-Po-Akkus.

Da bei der Produktion des Akkus hochwertige Materialien und ein besonderes Fachwissen notwendig sind, gibt es bei der Qualität große Unterschiede. Von günstigen China-Produkten ist abzuraten. Der Hersteller A123 Systems, der auch diverse Patente für die Akkus besitzt, sticht qualitativ hervor.

Bei Li-Mn-Akkus (Lithium-Manganoxid) besteht die Kathode aus Lithium-Manganoxid (LiMn2O4). Diese Akkus sind sicherer, weil Mangan nicht mit Lithium reagiert. Zudem kommen sie ohne Balancer-Technik aus. Damit sind sie leichter und günstiger als etwa LiFePO4-Batterien. Auch hier gilt: Von billigen China-Modellen ist abzuraten. Man sollte eher auf Markenzellen wie Sonys Konion setzen. Diese lassen sich zudem schnell laden, da sie mit hohen Strömen von bis zu 2C problemlos zurechtkommen.

Li-Mn-Batterien weisen einen niedrigen Innenwiderstand auf und halten ihn während ihrer Lebensdauer bei, lediglich die Kapazität sinkt langsam ab. Deshalb eignen sie sich auch als Hochstromzellen für Akku-Powerpacks.

Wissenswertes

Akkus werden aus mehreren Zellen zusammengestellt. Dabei werden einige Zellen in Reihe und einige parallel geschalten. Bei den parallel geschalteten Zellen addiert sich die Ladungsmenge (Amperestunden) und bei den in Reihe geschalteten Zellen die Spannung (Volt).

Bei den einzelnen Zellen kommt es vor, dass sie unterschiedliche Kapazitäten, Selbstentladungen und Widerstände haben und dies führt dazu, dass sie ungleiche Füllmengen aufweisen, also nicht ausgeglichen sind. Dies wiederum bedeutet eine niedrigere Kapazität. Dem soll das Batterie Management System (BMS) entgegenwirken, indem es für eine ausgeglichene Spannung zwischen den Zellen sorgt. Damit werden eine Leistungssteigerung und eine höhere Lebensdauer des Batteriepacks gewährleistet. Zudem schützt das BMS die Akkus vor Schäden.

Wie viel Energie ein Akku bereithält, lässt sich nur vergleichen wenn man die angegebene Spannung (Volt) mit den Amperestunden (Ah) multipliziert. So kann sich ein vermeintlich besserer Akku als die schlechtere Variante entpuppen. Haben etwa beide Akkus die gleiche Kapazität von 10 Ah, aber eine unterschiedliche Spannung, macht das nicht nur für Pedelecs einen gewaltigen Unterschied. So bietet der Akku mit 10 Ah und 36 Volt (10 x 36=360) insgesamt 360 Wh. Bei gleicher Kapazität aber einer Spannung von 24 Volt sind es nur 240 Wh.

Pi-mal-Daumen-Berechnung der Akkureichweite

Grundsätzlich ist die Berechnung der Akkureichweite extrem komplex, weil sie von so vielen Faktoren abhängt: etwa die Radkomponenten, wie Motor, Reifen, Lager und so weiter, aber auch der Bodenbelag, die Strecke selbst mit Gefälle oder Steigung und wie viele Stopps eingelegt werden müssen. Hinzu kommen unter anderem die gefahrene Geschwindigkeit, das Gewicht des Pedelecs und das des Fahrers sowie seine körperliche Fitness.

Weil dies für den Privatgebrauch zu komplex ist um es auszurechnen, kann man mit einer einfachen Formel die Reichweite annähernd berechnen. Ausgehend von einem Akku mit 360 Wh Energieinhalt (36V x 10Ah) sollten zehn Prozent abgezogen werden, wegen einer Verringerung des Entladestroms durch Witterungsverhältnisse, Ladezyklen und den Anspruch der Motoren. Damit stehen statt 360 Wh noch 324 Wh bereit.

Für die Motorunterstützung kann man bei normalen Pedelecs momentan von einem Verbrauch zwischen 5 bis 10 Wh ausgehen. Damit kommt man dann bei starker Belastung (10 Wh) bis zu 32 Kilometer weit (324 Wh :10 Wh). Bei geringer Belastung sind es knapp 65 Kilometer 324 Wh : 5 Wh)

Die RFTEC Rauter & Frank OG, Betreiber eines Österreichischen E-Bike-Shops, hat eine schöne Tabelle hinsichtlich Akkureichweite http://www.rftec.eu/Reichweite.pdf ins Internet gestellt.

Tiefentladung

Als Tiefentladung versteht man eine komplette Stromentnahme bis zur Kapazitätsgrenze des Akkus. Dies, also das Leerfahren des Akkus, sollte unbedingt vermieden werden, da es dem Akkumulator schadet. So kann es vorkommen, dass sich der Akku nicht mehr laden lässt. Unter Umständen hilft hier ein kleiner Trick. Man befestigt das Pedelec samt Akku an einem Montageständer damit sich die Kurbel frei drehen lässt. Notfalls kann man das Rad auch umdrehen und auf Sattel und Lenker stellen. Nun wird das Ladegerät angeschlossen und die Kurbel gedreht. Nach einigen Umdrehungen sollte der Ladevorgang wieder starten.

Handhabung und Lagerung des Akkus

Wer bei seinem Akku öfters 20 Prozent seiner Kapazität “übrig” lässt und ihn dann wieder lädt, kann damit die Lebensdauer und die Ladezyklen erhöhen. Außerdem sollte man die Batterie über Nacht nicht am Rad lassen sondern in einem kühlen, trockenen und feuersicheren Raum lagern.

Bei einer längeren Lagerung des Akkus ist es empfehlenswert ihn nicht ganz aufzuladen sondern nur bis zur Hälfte seiner Kapazität. Zudem soll alle 4 bis 6 Wochen die Spannung kontrolliert und bei Spannungsabfall etwas nachgeladen werden. Auch bei Langzeitlagerung gilt, dass der Stromspeicher an einem trocknen Ort bei 15 bis 20 Grad gelagert werden sollte.

Beim Laden der Akkumulatoren ist darauf zu achten, dass die Temperatur nicht unter null oder über 40 Grad liegt. Außerdem sollte immer das mitgelieferte Ladegerät verwendet werden.

Fährt man auch im Winter mit seinem Pedelec, so ist es besser, wenn man den Akku mit einer Wärmedämmung umhüllt und so vor Minusgraden schützt.

Zu guter Letzt muss man sagen, dass die Pflege und Wartung des Akkus wichtig ist, man es aber nicht übertreiben muss. Die Technik wird immer besser und ein normales Maß an sorgfältigen Umgang mit dem Material reicht, um Spaß mit seinem Elektrofahrrad zu haben.

Wer sich für ein neues Pedelec interessiert, sollte sich unbedingt über den Akku des Rads erkundigen, um später nicht enttäuscht zu sein. Am besten horcht man den Händler seines Vertrauens diesbezüglich aus. Zudem ist darauf zu achten, dass der Akku sowohl abnehmbar als auch zum Absperren ist. Ferner sollte der Hersteller der Batterie eine Garantie von 2 Jahren gewähren oder 500 bis 1000 Vollladezyklen garantieren.

Ausblick in die Zukunft

Die Entwicklung bei den Akkumulatoren ist noch lange nicht an seine Grenze gestoßen. Im Gegenteil, es werden immer wieder neue Erfolge aus der Forschung gemeldet. So sollen Materialforscher eine Technik gefunden haben mit der sie das Kathodenmaterial so geschickt anordnen können, dass der Stromfluss immens verbessert wird. Demnach könnten Akkus die nach diesem Verfahren produziert würden zehn- bis hundertmal schneller geladen werden als herkömmliche Lithium-Ionen-Modelle.

Es wird zwar eine Weile dauern, bis die Neuentwicklungen auf den Markt kommen, aber es bleibt spannend und es scheint als sei die Elektromobilität nicht mehr aufzuhalten – auch wenn Skeptiker das Gegenteil behaupten mögen. Hannes Neupert hat es auf einem Vortrag bei der Bike Expo 2011 so schön hinterfragt: “Wer bügelt heute noch mit Kohlebügeleisen?”

Link-Tipp: Batteryuniversity.com

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Eine Antwort to "Akkus: Das muss man über die Stromquelle der Elektroräder wissen"

  1. joachimNo Gravatar sagt:

    Ich habe ein E-Bike von Diamant gekauft (hochwertige Preisklasse). Die Garantie für die Li-Batterie sind 600 Ladezyklen. Nach 24 Ladezyklen ; 6 Monaten war die Batterie am Ende.
    Während dieser Zeit wurden 2 Updates gemacht. dabei wurde die Anzeige so manipuliert, daß ein höherer Ladezustand vorgetäuscht wurde. Wenn die Batterie nach jeder Nutzung sofort geladen wird, ist somit die nachlassende Kapazität nicht zu bemerken. Der Hersteller versucht damit über die Garantiezeit zu kommen. Ich bemerkte die nachlassende Kapazität durch Messung der Stromaufnahme bei der Ladung.
    Gibt es Langzeiterfahrungen zu Batterien? Wenn die Batterien für Elektroautos ähnlich sind, ist die Elektromobilität tot.
    Bei Bedarf kann ich Ihnen alle Messungen zusenden

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