Elektromobilität

Elektrischer Rückenwind – Elektrofahrräder geben Gas

16.08.11 | Redakteur: Thomas Kuther

Elektrischer Rückenwind: Elektrofahrräder und Pedelecs sind eine sinnvolle und ökölogische Ergänzung im Individualverkehr (Bild: movelo)
Elektrischer Rückenwind: Elektrofahrräder und Pedelecs sind eine sinnvolle und ökölogische Ergänzung im Individualverkehr (Bild: movelo)

Elektrofahrräder sind derzeit voll im Trend. Wir verraten Ihnen, wie sich mit modernen Halbleitern für das Batteriemanagement die Reichweite erhöhen und das Ansprechverhalten des Motors verbessern lassen.

Was in chinesischen Städten oft schon gang und gäbe ist, kann nun auch verstärkt in europäischen Städten beobachtet werden – Elektrofahrräder und Pedelecs sind keine exotischen Randerscheinungen mehr. Sie vollziehen derzeit einen Imagewechsel vom „Fahrrad für die Reha“ zu trendigen Fortbewegungsmitteln im Stadtverkehr, die auch ein ökologisches Statement setzen. In China werden heute schon über 25 Mio. Elektrofahrräder pro Jahr verkauft, aber auch in Deutschland ist ein Wachstum von über 30% pro Jahr zu beobachten – damit machen Elektrofahrräder und Pedelecs durch den vergleichsweise höheren Verkaufspreis bereits einen beträchtlichen Umsatzanteil in der Fahrradbranche aus.

Bild 1: Elektrofahrräder im Überblick
Bild 1: Elektrofahrräder im Überblick

Sowohl Kompletträder, als auch Nachrüstsätze erfreuen sich hierbei steigender Beliebtheit. Der Begriff Elektrofahrrad beinhaltet verschiedene Konzepte, deren wichtigste Unterscheidungsmerkmale für den Einsatz in Deutschland die Tabelle in Bild 1 zeigt.

Der Systemaufbau von Elektrofahrrädern im Detail

Bild 2: Systemaufbau eines Elektrofahrrads
Bild 2: Systemaufbau eines Elektrofahrrads

Der Systemaufbau eines Elektrofahrrads ist in Bild 2 zu sehen. Die Energie einer Batterie wird verwendet um über einen Elektromotor das Fahrzeug anzutreiben, bzw. das Treten elektrisch zu unterstützen. Die Steuerung erfolgt über einen Mikrocontroller, der über optionale Isolation und einen Leistungsteil den Elektromotor antreibt. Die Kontrollsignale werden entweder über einen „Gasgriff“ (Elektrofahrrad) oder über eine Drehmoment-, Trittfrequenz- und Geschwindigkeitsmessung an den Pedalen (Pedelec) erzeugt. Aber auch der Einsatz der Bremse stoppt als Eingangssignal den Einsatz des Elektromotors oder schaltet den Elektromotor in einen Generatorbetrieb, um eine Energierückgewinnung im Bremsvorgang zu ermöglichen. Eine optionale LCD Anzeige mit Einstellschaltern informiert den Benutzer über die aktuellen Betriebsdaten, z.B. die verbleibende Reichweite, oder ermöglicht auch eine Anpassung der elektrischen Unterstützung. Das Ladegerät für die Batterie ist typischerweise ein externes Gerät, da der Ladevorgang meist nicht direkt am Fahrrad durchgeführt wird. Diese Funktion wird hier jedoch nicht explizit behandelt.

Die verwendeten Batteriespannungen bewegen sich im Bereich von 24, 36 oder 48 V. Dabei werden neben den immer noch verwendeten Blei-Säure- und NiMH-Batterien (Nickel-Metall-Hydid) verstärkt neue Li-Ion- (Lithium-Ionen), LiPo- (Lithium-Polymer) sowie LiFePO4-Akkus (Lithium-Eisen-Phosphat) eingesetzt. Li-Ion-, LiPo- und LiFePO4-Akkus bieten im Vergleich zu Blei-Säure- und NiMH-Batterien neben einer deutlich höheren Energiedichte und niedrigen Selbstentladung auch eine deutlich bessere Zyklenzahl von etwa 1000 … 2000.

Lithium-Akkus brauchen ein Batterie-Management-System

Allerdings benötigen diese Akkupacks unbedingt ein entsprechendes Batterie-Management-System (BMS), das die Zellen gegen Überspannung und Unterspannung schützt. Darüber hinaus muss das BMS auch für einen Ladungsausgleich zwischen den Zellen sorgen. Diese Überwachung ist besonders bei der Lithium-Ionen-Technologie nötig, da eine Fehlfunktion einen Brand und in gravierenden Fällen sogar eine Explosion der Zellen bewirken kann.

Individuelle Überwachung der einzelnen Zellen

Da sich die Spannung einer Batteriezelle zwischen etwa 4 … 2,5 V (Nennspannung 3,6 V) bewegt, müssen für ein 36-V-System zehn Zellen seriell betrieben werden. Da aber die Kapazität dieser Zellen insbesondere über einen längeren Betriebszeitraum unterschiedlich sein kann, müssen alle Zellen individuell überwacht und gemanaged werden, um z.B. eine Tiefentladung oder auch zu hohe Spannungen und damit verbundene Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Hierfür sind spezielle Batterie-Management-Systeme verfügbar. Diese können, neben der Zellüberwachung auf Überspannung, Unterspannung, zu hohem Strom oder auch Kurzschluss, auch die noch im Batteriepack vorhandene Energie – und damit die verfügbare Reichweite – ermitteln.

Komplett integrierte Lösung für bis zu zehn Lithium-Zellen

Der bq77PL900 von Texas Instruments bietet eine vollständig integrierte Lösung für diese Funktionen bei bis zu zehn Lithium-Zellen. Es wird aber auch die Möglichkeit eines direkten Abschaltens des Batteriepacks mit einem FET-Treiber zur Verfügung gestellt. Die Schwellen der Spannungs- und Stromwerte, aber auch die Verzögerungszeiten sind über ein serielles I2C-Interface programmierbar und somit an die unterschiedlichen Zelltypen anzupassen. Die integrierten Spannungsregler für 5 und 3,3 V ermöglichen den direkten Betrieb aus den Batteriezellen, wobei hiermit auch externe Bauteile (z.B. der Mikrocontroller) betrieben werden können. Der Betrieb ist als eigenständiges System, aber auch mit einem Mikrocontroller als Analoges Front End (AFE) möglich

Bild 3: Prinzipschaltbild eines Batterie-Management-Systems mit dem BQ877PL900
Bild 3: Prinzipschaltbild eines Batterie-Management-Systems mit dem BQ877PL900

Die Anbindung an einen Mikrocontroller bietet Flexibilität für ausgefeilte Algorithmen des Batteriemangements und ermöglicht auch eine weitere Anpassung durch den Benutzer im Betrieb (abhängig von der noch verfügbaren Batteriekapazität). Auch kann im Zusammenspiel mit der Motor Drehmomentregelung die Batterie optimal ausgelastet werden. Der Mikrocontroller, der sowohl das Batteriemanagement als auch die Motorenregelung abdecken kann, wird anschließend vorgestellt.

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