Masterarbeit an der HSBI erforscht, ob Elektrofahrräder wie E-Autos beim Bremsen auf effiziente Weise Energie zurückgewinnen können

Bad Driburg (hsbi). Normalerweise sausen hier PS-Enthusiasten in ihren leistungsstarken Gefährten die Hügel hinauf und hinunter. Oder sie lernen von erfahrenen Instruktor:innen, wie man ein Auto im Grenzbereich sicher um die Kurve lenkt. Doch an diesem Tag ist Ruhe am Bilster Berg. Still liegt die Strecke da. Nur ein leises Rauschen ertönt, wenn René Rasche das Gefälle hinunterzischt. Für seine Abschlussarbeit testet der Masterstudent der Hochschule Bielefeld (HSBI) sein selbstkonstruiertes Elektrofahrrad auf der Test- und Präsentationsstrecke. Mit extremen Steigungen und Gefällen von bis zu 26 Prozent bietet der Rundkurs zwar Bedingungen, die im Alltag von E-Bikes und Pedelecs normalerweise nicht vorkommen. Aber: René Rasche möchte Leistung und Rekuperationsverhalten seines Eigenbaus auch unter Extrembedingungen untersuchen.

Mechanische Energie beim Bremsen in elektrische Energie umwandeln und in den Akku einspeisen

Doch der Reihe nach: Rekuperation bedeutet, dass beim Bremsen Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Vor allem E-Autos nutzen heute diese Form der Energierückgewinnung. Hierbei fungiert der Elektromotor als Generator, um für das Fahrzeug mehr Reichweite zu erzielen. Während die Technologie bei E-Autos und -Lkw mittlerweile Standard ist, findet sie bei Elektrofahrrädern kaum Anwendung. Renè Rasche, heute erfolgreicher Absolvent des Masterstudienganges Maschinenbau an der HSBI, wollte wissen, warum das so ist und schrieb eine Masterarbeit darüber. „Ich habe mir die Frage gestellt, ob und unter welchen Bedingungen Rekuperation für Elektrofahrräder möglich ist und ob sich dadurch ein brauchbarer energetischer Nutzen erzielen lässt.“

Um diese Fragen beantworten zu können, baute er zunächst ein handelsübliches Mountainbike in ein Elektrofahrrad um. Mit diesem führte er dann reale Messfahrten unter vorab definierten Bedingungen durch. Verbaut wurden unter anderem ein Hecknabenmotor, ein extra entwickelter Akkumulator, eine Motorsteuerung sowie eine eigene Gehäusekonstruktion aus dem 3D-Drucker zur Aufnahme der Komponenten. Ergänzt wurde das Spezialfahrrad durch mehrere Mikrocontroller zur Steuerung des Systems. „Ein wichtiger Aspekt war die kompakte und wartungsfreundliche Integration aller Bauteile in den Fahrradrahmen“, berichtet René Rasche. „Auch das Thema Thermik und Zugänglichkeit spielte eine Rolle, um einen zuverlässigen Betrieb zu ermöglichen.“ Zentraler Bestandteil der Arbeit war – wie immer bei E-Fahrzeugen – die Auslegung des Akkus: „Hier wurde ein Lithium-Ionen-Akkupack in einer 13S6P-Konfiguration aufgebaut, also mit 13 in Reihe und 6 parallel geschalteten Zellgruppen“, so Rasche. Als Zellen kamen handelsübliche Samsung INR21700-50E zum Einsatz sowie ein dazu passendes Batteriemanagementsystem.

Messtechnische Analyse eines rekuperierenden Elektrofahrrads zur Bewertung des energetischen Nutzens

Die Ansteuerung des Motors erfolgte über das Open Source Projekt „Vedder Electric Speed Controller“, kurz VESC. Über die VESC-Software wurden Fahrprofile für E-Bike- (bis 25 km/h) und S-Pedelec-Betrieb (bis 45 km/h) angelegt, inklusive Leistungsgrenzen für Beschleunigung und Rekuperation. „Gesteuert wird der VESC über einen Mikrokontroller, der wiederum mit den Sensoren und Eingabegeräten verbunden ist, die vorab an dem Elektrofahrrad angebracht wurden. So kann zwischen Beschleunigung, Neutralzustand und Rekuperation unterschieden werden“, erläutert Rasche.

Zunächst führte der Maschinenbauingenieur mehrere Vergleichsfahrten unter vorab festgelegten Bedingungen durch, um den Einfluss von Rekuperation auf Reichweite, Rekuperationsleistungen und Energiefluss zu erfassen. Danach folgten Fahrten unter realistischen Bedingungen, bei denen das Streckenprofil stärker variierte. „Die Ergebnisse haben deutlich gemacht, dass Rekuperation im flachen Gelände nur begrenzt zur Energierückgewinnung beiträgt“, erzählt Rasche. Anders sah es bei den Messfahrten aus, die im Weserbergland mit moderatem Streckenprofil durchgeführt wurden. Hier konnte durch Rekuperation im E-Bike-Modus die Reichweite um 20 bis 30 Prozent erhöht werden und im Pedelec-Modus immerhin noch um bis zu 15 bis 20 Prozent.

„Die Masterarbeit von René Rasche liefert ein differenziert zu betrachtendes Ergebnis“, resümiert Prof. Dr. Sebastian Hoffmann, am Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Mathematik der HSBI zuständig für das Lehrgebiet Elektrotechnik und Automatisierung. „Rekuperation ist bei Elektrofahrrädern technisch sinnvoll, aber ihr energetischer Nutzen hängt stark vom Einsatzprofil ab. Wer meist im flachen Gelände fährt, wird nur geringe Rückgewinnungseffekte erzielen können. Wer dagegen lange Abfahrten oder starke Höhenunterschiede zurücklegt, kann deutlich stärker profitieren. Das gilt mehr noch für E-Bikes als für die schneller ausgelegten Pedelecs.“ Aber nicht nur wegen dieser neuen Erkenntnisse waren Hoffmann und Zweitgutachter Prof. Dr. Herbert Funke von René Rasches Masterarbeit begeistert. Auch das Zusammenspiel verschiedener Ingenieursdisziplinen wie Elektrotechnik, Mechanik und Softwareentwicklung im Zuge der Untersuchung hat die Gutachter überzeugt. (lk)