Wie funktionieren E-Bikes: Technik im Detail

Der Begriff E-Bike steht heute allgemein für Fahrräder mit Elektroantrieb. Dennoch muss man zwischen zahlreichen Typen und Konzepten unterscheiden. Wir bringen Licht ins Dunkel.

Ein kurzer Blick auf die Geschichte des E-Bikes

Erste Aufzeichnungen über Versuche mit Elektromotoren an Fahrrädern gab es bereits in den Jahren 1880 bis 1900. Es wurden damals sogar verschiedene Exemplare gebaut, zum Beispiel im Jahr 1897 ein elektrisches Tandem. Dennoch fristeten Fahrräder mit E-Antrieb bis in die 1980er und 1990er Jahre hinein ein Randgruppen-Dasein. Danach beschleunigten sich die Entwicklungen fürs breitere Publikum. Beispielsweise brachte der deutsche Traditionshersteller Hercules 1989 das City-Modell Electra auf den Markt. Auch Elektro-Konzerne wie Sanyo versuchten sich damals an Antriebskonzepten. Die größte Herausforderung für die Entwickler war der Umgang mit den großen und schweren Akkus. Der Hersteller Yamaha, heute einer der Global Player, präsentierte Anfang der Neunziger Jahre bereits relativ kompakte Systeme. Mit der Erfindung der Lithium-Ionen-Technik bei den Akkus ging es dann aber Schlag auf Schlag. Denn endlich ließen sich deutlich leichtere und kompaktere Antriebe realisieren.

E-Bike oder Pedelec?

Wenn heute ganz allgemein von E-Bikes die Rede ist, handelt es sich korrekterweise in den meisten Fällen um so genannte Pedelecs. Diese Abkürzung steht für Pedal Electric Cycles: Der E-Motor von Pedelecs darf lediglich zur Unterstützung der Muskelkraft dienen. Und das auch nur bis zu einer Höchstgeschwindigkeit von 25 km/h. Außerdem: Der Motor entwickelt seine Kraft erst dann, wenn der Fahrer einen Druck aufs Pedal bringt.

Ein E-Bike im ursprünglichen Sinn funktioniert wahlweise auch ganz ohne Treten, ähnlich einem Motorrad mit Gasgriff am Lenker. E-Bikes verschiedener Geschwindigkeitsklassen sind in puncto Rechte und Pflichten Leichtmofas (bis 20 km/h), Mofas (bis 25 km/h) oder Kleinkrafträdern (bis 45 km/h) gleichgestellt.

Sonderfall S-Pedelec

So genannte S-Pedelecs (Das S steht für Speed.) stehen zwischen den Pedelecs und den E-Bikes. Deren Motor liefert Schub bis 45 km/h, aber - wie beim Pedelec - ausschließlich dann, wenn der Fahrer dem Antrieb einen Tretimpuls gibt. Zum Betrieb benötigt man mindestens einen Führerschein der Klasse M (Mofa). S-Pedelecs gelten nicht mehr als Fahrrad. Das heißt: Es besteht Versicherungs- und Helmpflicht (Kennzeichen!), man darf keine Radwege benutzen und am Rad muss ein Rückspiegel montiert sein. Auch im Gelände sind S-Pedelecs nicht erlaubt. Sie eignen sich besonders für Berufspendler.

Wo sitzt der Motor? Verschiedene Antriebs-Konzepte

In den Shops findet man heute hauptsächlich Pedelecs mit Mittelmotor. Dabei sitzt der Motor im Bereich des Tretlagers. Das sorgt für einen günstigen, tief liegenden Schwerpunkt. Mittelmotoren sind kombinierbar mit Ketten- und Nabenschaltungen, sie werden an fast allen Radtypen verbaut, vom Citybike bis hin zu High-End-Mountainbikes. Drei große Hersteller teilen sich die Spitze des Marktes und liefern zuverlässig arbeitende Aggregate: Bosch, Yamaha und Shimano. Hier findest du detaillierte Informationen über die verschiedenen Motoren dieser drei Hersteller.

Am zweithäufigsten vertreten ist der Hinterrad-Nabenmotor, meist erkennbar an einer großen, trommelartigen Nabe. Seine Kraftübertragung ist zwar effizient, aber das hohe Gewicht am Heck des Fahrrades beschränkt seinen Einsatzbereich auf die Straße. Ungünstige Hebelverhältnisse im Inneren des Motors können außerdem an langen Anstiegen eine Überhitzung begünstigen. Ganz selten sieht man noch Citybikes mit einem Front-Nabenmotor. Dieser Motorentyp hat auf dem Markt jedoch kaum Relevanz.

Technik-Know-How: Wie funktioniert ein Pedelec?

Aufsitzen, antreten, losfahren: Was beim Pedelec intuitiv und reibungslos funktioniert, erfordert eine aufwändige Steuer-Elektronik!

Das Fahrgefühl auf einem Pedelec, insbesondere auf einem E-MTB im Gelände, hängt davon ab, wie feinfühlig die Interaktion zwischen der Tretkraft des Fahrers und der Kraftentfaltung des Motors abläuft. Schließlich soll sich der Motor nicht einfach einschalten und seine volle Power an den Antrieb liefern, sondern je nach Situation sanft oder kraftvoll in den Antriebsprozess eingreifen. Je geschmeidiger die Verbindung zwischen Fahrer und Pedelec ist, desto natürlicher ist das Fahrgefühl.

Wie funktionieren die Sensoren im Motor?

Mit Hilfe der Sensoren ist gewährleistet, dass die Drive Unit entsprechend der eingebrachten Muskelkraft des Fahrers unterstützt. Das Bosch E-Bike-System verfügt über ein ausgereiftes Drei-Sensoren-Konzept: Über 1.000 Messungen pro Sekunde erfassen Drehmoment (Trittkraft), Trittfrequenz und Geschwindigkeit. Die Abstimmung der drei Sensoren sorgt dafür, dass die Unterstützung exakt dann greift, wenn sie benötigt wird. Der E-Biker profitiert von einem besonders natürlichen Fahrgefühl.

Woher weiß der Motor, wann und wieviel Kraft gebraucht wird und dass er nach 25 km/h abregelt?

Der Drehmomentsensor erkennt, mit wie viel Kraft der Fahrer in die Pedale tritt. Der Trittfrequenzsensor misst die genaue Anzahl der Pedalumdrehungen. Die Motorunterstützung kann auf diese Weise präzise dosiert werden, das trägt zu einer optimalen Fahrdynamik bei. Der Geschwindigkeitssensor misst mit Hilfe eines in den Speichen angebrachten Magneten die Umdrehungen des Rades und erkennt die aktuelle Geschwindigkeit des Pedelecs. Sind 25 Stundenkilometer erreicht, regelt der Antrieb die Motorunterstützung sanft ab.

Wie funktioniert das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten?

Das Bosch E-Bike-System besteht aus Drive Unit, also dem Motor inklusive Getriebe samt Sensorik, Akku und Bordcomputer. Die perfekt aufeinander abgestimmten Komponenten sind ein entscheidender Faktor für die Performance des Systems. Das Zusammenspiel zwischen Drive Unit und Sensoren sorgt dafür, dass die benötigte Kraft erzeugt und dosiert abgegeben wird.

Der Akku ist die Energiequelle des Pedelecs: Er versorgt den Elektromotor mit elektrischer Leistung, die für die Unterstützung beim Fahren notwendig ist. Der E-Biker kann zwischen verschiedenen Unterstützungsstufen (Fahrmodi) wählen und dadurch bestimmen, wie viel „Rückenwind“ er durch den Elektromotor bekommt. Die E-Bike-Steuerung erfolgt mit dem Bordcomputer, der dem Pedelec-Fahrer darüber hinaus die wichtigsten Fahrdaten anzeigt.

Die zentralen Komponenten eines E-Bikes

Unter dem Begriff „E-Bike“ versteht man gewöhnlich ein Fahrrad mit elektrischem Zusatzantrieb. Doch ist der Motor nicht das einzige Bauteil, das für den Rückenwind aus der Steckdose nötig ist. Man benötigt außerdem eine Stromquelle und eine Steuereinheit - zusammengebracht werden diese drei Elemente durch eine Verkabelung.

• Motor: Der Motor sitzt meistens an der Tretkurbel, seltener auch im Vorder- oder Hinterrad.
• Akku: Der Akku wird entweder in den Hauptrahmen integriert oder am Unterrohr bzw. Sitzrohr montiert. Meist sind die Akkus entnehmbar, einzig bei komplett integrierten Modellen ist dies nicht möglich. Bei wenigen Modellen ist der Akku im Gepäckträger untergebracht.
• Steuereinheit: Die Steuereinheit des Antriebs ist am Lenker angebracht und beinhaltet oft auch den Lichtschalter sowie den Bordcomputer (Tacho, Reichweite, etc.). Auch lässt sich bei manchen Modellen die Schaltung über die Motorsteuerung bedienen, per GPS navigieren oder eine Verbindung zu einer Smartphone-App herstellen.

Die Platzierung des Motors: Vorne, mittig, hinten

Erste Elektrofahrräder waren bereits um 1895 auf europäischen Straßen unterwegs. Und ihre Vorteile waren damals schon bekannt: ein großes Drehmoment aus dem Stand und ein hoher Wirkungsgrad im Gegensatz zu Dampfmaschine oder Verbrennungsmotor. In ihrer Form ähnelten die Antriebe dabei sogar den heutigen Modellen: Entweder waren sie als Nabenmotor im Vorder- oder Hinterrad oder als Tretlagermotor verbaut. Und genau diese Frage der Platzierung des Motors beschäftigt Produktentwickler bis heute.

• Mittelmotor: Wegbereiter des Mittelmotors waren die japanischen Hersteller Yamaha und Panasonic, die schon Anfang der 1990er-Jahre erste Motoren in Serie fertigten. Mit dem Markteinstieg von Bosch 2010 hat die Einbauposition in der Mitte ihren endgültigen Durchbruch erlebt. Mittlerweile hat der Tretlagermotor in Deutschland die größte Verbreitung.
• Hinterradmotor: Fahrer von Hinterradnabenmotoren schätzen das direkte Ansprechverhalten der Aggregate, ihre Laufruhe und die Fahrdynamik des wie gewohnt vom Hinterrad kommenden Schubs.
• Vorderradmotor: Auf der anderen Seite liegt der Vorderradnabenmotor. Er wird fast nur noch bei Rädern im preislichen Einstiegsbereich für E-Bikes ab 1.000 Euro verbaut. Hier besteht weniger Entwicklungsaufwand, da der Motor keinen direkten Kontakt zum Antriebssystem hat.

Getriebemotor vs. Direktläufer

Es spielt durchaus eine Rolle, wo der E-Bike Motor am Fahrrad installiert ist. Hier stehen mit dem Getriebemotor und dem Direktantrieb zwei Varianten zur Verfügung - wobei sich der Getriebemotor durchgesetzt hat. Dieser befindet sich an der Hinterradnabe und ist geräuscharm und sehr anzugsstark. Hier kommt auch oftmals die Akku-Aufladung während der Fahrt zum Einsatz (Rekuperation).

Der Direktläufer wird meistens als Außenläufer aufgebaut. Dabei befinden sich die Magnete direkt in der Innenseite des Gehäuses. Beim Fahren dreht sich das Gehäuse als Bestandteil des Laufrades komplett mit. Damit sie ein höheres Drehmoment erreichen können, muss das Gehäuse des Motors dementsprechend größer gebaut werden. So ist es nicht verwunderlich, dass Direktläufer grundsätzlich um einiges schwerer sind als die kleinen und leichten Getriebemotoren.

Unterschiede zwischen Getriebemotor und Direktläufer:

Mittelmotor und Nabenmotor im Vergleich

Wie der Name schon vermuten lässt, befindet sich der Mittelmotor im Bereich des Tretlagers. Die Bauweise ist sehr kompakt, die Zugkraft (Traktion) enorm und durch den tiefen Schwerpunkt kommt es zu vorzüglichen Fahreigenschaften. Das Radfahren fühlt sich so an wie mit einem Bike ohne Motor. Der Mittelmotor ist mit allen Schaltungsvarianten kompatibel, Kette und Ritzel sind hier etwas höheren Belastungen ausgesetzt.

Hier sitzt der Motor an der Vorderradnabe, folglich wird diese Variante auch Radnabenmotor genannt. E-Bikes mit Frontmotor sind vom Preis her relativ günstig.

Vorteile des Mittelmotor Nachrüstsatzes:

• Tiefer Schwerpunkt und die Möglichkeit, die Gangschaltung mitnutzen zu können.
• Der Elektromotor läuft fast immer im idealen Drehzahlbereich.
• Kompatibel mit jeder Schaltung, Rollenbremsen und Nabendynamo.
• Kompakt: Controller, PAS-Scheibe und Tretsensor sind bereits im Motor integriert.

Nachteile des Mittelmotor Nachrüstsatzes:

• Stark erhöhter Verschleiß aller Schaltungs- und Antriebskomponenten.
• Integrierte Getriebe, die die menschliche Trittkraft übersetzt, führen zu einem höheren Tretwiderstand bei leerem Akku.
• Erlaubt nur ein Kettenblatt, was die mögliche Gangzahl reduziert.
• Wirkungsgrad sinkt bei verschmutztem Antriebsstrang deutlich.
• Keine Energierückgewinnung (Rekuperation) möglich.

Vorteile des Nabenmotor Nachrüstsatzes:

• Zuverlässig und wartungsarm.
• Kein erhöhter Verschleiß der Antriebskomponenten (Kette, Ritzel etc.).
• Niedriges Gewicht und geringer Rollwiderstand.
• Direktläufermotoren erlauben eine reichweitenerhöhende Energierückgewinnung (Rekuperation) und schonen dabei die mechanischen Bremsen.
• Teilweise unhörbar leise, extrem langlebig und kurzzeitig sehr stark belastbar.
• So gut wie jedes Fahrrad kann mit einem Nabenmotor ausgerüstet werden.

Nachteile des Nabenmotor Nachrüstsatzes:

• Mehr Komponenten, wodurch der Umbau zum Elektrofahrrad etwas zeitaufwendiger wird.
• Nicht alle Schaltungen sind möglich.

EBS Leistungssteuerung

Durch die EBS Leistungssteuerung können Sie das Fahrverhalten Ihres Elektrorades besonders gut an Ihre Wünsche anpassen. Mithilfe dieser Technologie können Sie die Stärke der Motorunterstützung selber regulieren. Das erlaubt Ihnen eine feine und individuelle Einstellung der Leistungsstärke. Dadurch können Sie jederzeit wählen, ob Sie sanft oder kräftig anfahren möchten.

Anstatt immer auf maximaler Leistung zu fahren, kann über die EBS Leistungssteuerung die Abgabe der Motorleistung geregelt werden: je höher die Stufe, desto größer die Motorunterstützung. Dadurch ist der Übergang zwischen den einzelnen Stufen deutlich flüssiger und das Fahrverhalten natürlicher. Die EBS Leistungssteuerung wirkt sich auch auf die Reichweite des Pedelecs aus. Da der Motor in niedrigeren Stufen energiesparender fährt, wird der Akku geschont und hält länger.

Vorteile der EBS Leistungssteuerung auf einen Blick:

Tretlager

Der Großteil der Fahrradtretlager lässt sich in einen von drei Typen einteilen: Vierkant, Hollowtech II und Ocatalink. Für jeden dieser Tretlagertypen haben wir eine passende Lösung entwickelt, damit Sie Ihr Rad schnell und problemlos umbauen können. Folgen Sie einfach den beiden Schritten, um die für Ihren Umbau passenden Komponenten zu finden.

Schritt 1: Tretlager erkennen

Anhand der folgenden Tabelle und den Bildern können Sie erkennen, welches Tretlager in Ihrem Fahrrad verbaut ist. Diese Information brauchen Sie für die Auswahl des korrekten Tretsensors (PAS).

Schritt 2: die richtigen Komponenten wählen

Sie wissen jetzt, welches Tretlager in Ihrem Fahrrad verbaut ist und können den jeweiligen Abschnitt lesen. Wenn kein Platz für die Montage eines Tretsensors mit Schelle ist und die Zugführung unter dem Tretlager verläuft, dann lesen Sie den Abschnitt "Montage unter dem Tretlager".

Beim Vierkantlager können Sie zwischen folgenden Lösungen wählen:

• Tretsensor-Set zur werkzeugfreien Montage geeignet, wenn der Abstand zwischen Kurbel und Achse max. 8 mm beträgt
• Tretsensor-Set zur professionellen Montage grundsätzlich bei einem 4-Kant-Tretlager geeignet

Beim Hollowtech II Lager prüfen Sie zunächst, wie viele Kettenräder Ihre Kettenradgarnitur hat. Bei 3 Kettenblättern hängt die Wahl des Tretsensor-Sets von der Anzahl der Zähne des kleinsten Kettenblatts ab. Bei 1- und 2-fach Kettenradgarnituren muss die PAS-Scheibe direkt an der Kurbel befestigt werden. Der Tretsensor mit Schelle wird unter die rechte Lagerschale geklemmt.

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