Einige Tipps zum Umbau eines Fahrrades zum Elektrofahrrad

 

 

1. Grundprinzip

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Beim Umbau eines Fahrrades zum Elektrofahrrad (oder Pedelec, pedal electric cycle) wird gewöhnlich die vorhandene Vorder- oder Hinterradnabe gegen einen Nabenmotor ausgetauscht. (Ähnlich wie bei einem Nabendynamo.) Die Motoren sind meistens Drehstrommotoren, erkennbar an 3 dicken Stromkabeln. Drehstrommotoren haben den Vorteil, das sie bürstenlos sind, also keine elektrischen Verschleißteile besitzen.

Zur Energieversorgung des Motors dienen heute gewöhnlich Lithium Ionen Akkus, die die elektrische Energie als Gleichstrom speichern. Pro Kg Akkugewicht kann man Energie für etwa 20 - 30 Kilometer Reichweite speichern.

Um den Gleichstrom des Akkus in Drehstrom für den Motor umzuwandeln, benötigt man außerdem ein Steuergerät oder „Controller“. Zusätzlich muss an diesen Controller noch ein Gasgriff und/oder ein Tretsensor angeschlossen werden, um den Motor überhaupt regeln zu können.

Der Gasgriff (oder -hebel) funktioniert ähnlich wie beim Mofa; durch Drehen am Gasgriff kann man den Motor stufenlos von Null bis Vollgas regeln. (Allerdings ist diese Art der Steuerung in D nicht legal, wohl aber z.B. in AT.)

Alternativ kann diese Funktion auch ein PAS Sensor (pedal assistent system) übernehmen. Dieser misst z.B. die Geschwindigkeit der Tretbewegung an der Tretkurbel und steuert abhängig von der Trittgeschwindigkeit ebenfalls den Motor von Null bis zur Maximalgeschwindigkeit. (Je schneller man tritt, desto schneller läuft auch der Motor.)

Darüber hinaus können an den Controller je nach Bauart noch weitere Teile angeschlossen werden; wie etwa Bremsgriffabschalter, welche bei Betätigen der Bremse automatisch den Stromfluss zum Motor unterbrechen; Stufenschalter, über welche man verschiedene Maximalgeschwindigkeiten vorgeben kann; Tempomat- oder „autocruise“ Schalter, welche eine Art Feststellfunktion für eine bestimmte Motorgeschwindigkeit übernehmen; 6 km/h Taster, Akkustandsanzeiger, ggf. auch Displays oder Bedienpanels mit weiteren Funktionen, usw.

Rechtlich gelten Pedelecs als Fahrräder und sind somit versicherungs- und zulassungsfrei. Es müssen jedoch folgende Bedingungen erfüllt sein: 1. Die Unterstützung durch den Motor darf nur bis zu einer Geschwindigkeit von maximal 25 km/h erfolgen. 2. Die Nenndauerleistung des Motors darf nur maximal 250 Watt betragen. 3. Die Unterstützung durch den Motor darf nur dann erfolgen, wenn gleichzeitig mitgetreten wird.

 

In einer Testanordnung für den Selbstumbau sieht das Ganze dann z.B. wie auf dem folgenden Bild aus. Hier kann man auch erkennen, was alles an das umzubauende Fahrrad angebracht werden muss.

 

 

 

2. Die benötigten Bauteile im Einzelnen

 

2.1 Motor

 

Fahrradmotoren gibt es in den unterschiedlichsten Ausführungen. Üblich sind inzwischen bürstenlose Drehstrommotoren, die über einen Controller angesteuert werden, der den Gleichstrom des Akkus in passenden und regelbaren Drehstrom umwandelt.

 

Diese Motoren gibt es sowohl für den Fronteinbau als auch für den Hinterradeinbau. (Des weiteren gibt es auch Mittelmotoren, die direkt an der Tretkurbel angebracht sind. Deren Vorteil liegt darin, das für die Kraftentfaltung des Motors die Gangschaltung des Fahrrades mitgenutzt werden kann, was insbesondere bei größeren Steigungen Vorteile verspricht.)

 

Für den eigenen Umbau eignen sich in der Regel aber nur Front- und ggf. auch Hinterradmotoren, wobei der Einbau von Frontmotoren einfacher als der von Hinterradmotoren ist. Daher beschränkt sich diese Darstellung in erster Linie auf den Einbau von Frontmotoren.

 

Fahrradmotoren gibt es mit und ohne Getriebe. Die Motoren mit Getriebe sind meist leichter als die getriebelosen und haben in der Regel einen Freilauf. Dadurch sind sie für die meisten Anwendungen besser geeignet als die schwereren getriebelosen („direct drive“) Motoren. Hauptnachteile der Getriebemotoren sind die fehlende Rekuperationsfähigkeit (Energierückspeisung beim Bremsen) und der höhere Verschleiß, da die Getriebe gewöhnlich Plastikzahnrädchen enthalten. Daher sollten diese Motoren nicht mit sehr viel höheren Leistungen als den angegebenen betrieben werden. Der Schleppverlust beim passivem Mitdrehen eines 250 Watt Freilaufmotors dürfte bei 25 km/h bei ca. 1 - 2 Watt liegen, der eines Direktmotors bei ca. 4 - 8 Watt.

 

Beide Motorentypen gibt es mit und ohne Hallsensoren; die Motoren mit Hallsensoren lassen sich meist etwas feinfühliger bzw. ruckelfreier ansteuern, sind aber auch etwas störanfälliger.

 

Ferner gibt es die Motoren in unterschiedlichen Spannungsklassen; gewöhnlich mit 24V, 36V oder 48V. Eine höhere Motorspannung bedeutet dabei keineswegs eine höhere Geschwindigkeit. Gewöhnlich sind alle Motoren bei der jeweiligen Betriebsspannung und in der jeweiligen Radgröße zum Erreichen einer Geschwindigkeit von 25 km/h ausgelegt. Mit einem 24V Motor kommt man bei 24V also ebenso auf eine Geschwindigkeit von 25 km/h wie z.B. mit einem 48V Motor bei 48V. Der Hauptvorteil höherer Spannungen liegt darin, das nach dem Zusammenhang Leistung gleich Spannung mal Strom bei höherer Spannung zum Erreichen der gleichen Leistung eine geringere Stromstärke erforderlich ist (P = U x I; z.B. 250 Watt = 10,4 A x 24 V oder 5,2 A x 48 V). Dies ermöglicht die Verwendung dünnerer Leitungen bzw. verringert bei gleichen Kabelquerschnitten die Leitungsverluste.

 

Für die meisten Anwendungen dürfte ein 36V 250 Watt Front- (oder ggf. Heck-)Motor mit Getriebe in Kombination mit einem Controller, der max. ca. 12 A liefert, am zweckmäßigsten sein. Mit diesem lässt sich bequem eine Geschwindigkeit von 25 km/h in der Ebene erreichen und lassen sich (bei geringerer Geschwindigkeit) Steigungen bis etwa 7 % bewältigen.

 

Auf dem ersten und zweiten Bild sind solche 250 Watt Getriebemotoren von „Bafang“ und „Xin Feng“ zu erkennen. Der Bafang Motor kommt ohne Hallsensoren aus, der Xin Feng besitzt welche, was man an den vielen dünnen Kabeln erkennt. Motoren mit Hallsensoren haben gewöhnlich 3 dicke Kabel für die Motorphasen und 5 dünne Kabel für die Hallsensoranschlüsse. [Motoren ohne Hallsensoren haben demnach nur 3 Anschlüsse für die Motorphasen. (Hat ein Motor nur 2 Anschlüsse, so handelt es sich vermutlich um einen Bürstenmotor („brushed“), der auch einen völlig anderen Controllertyp benötigt.)]

Auf dem dritten Bild ist ein getriebeloser Direkt-Motor von „Nine Continent“ zu sehen, ebenfalls mit 250 Watt und Hallsensoren.

Auf dem vierten Bild erkennt man einen 500 Watt Getriebemotor von „Bafang“ ohne Hallsensoren.

 

Zu Beachten ist, das die Motoren leider nicht 100%ig wasserdicht sind. Es empfiehlt sich also zum einen, Kabeldurchtrittsöffnungen und Lager etwa mit einem Kettenabschmierfett o.dgl. abzudichten, zum anderen das Rad möglichst überdacht abzustellen.

 

 

 

 

 

 

 

2.2 Controller

 

Controller gibt es ebenfalls in den verschiedensten Ausführungen und Leistungsklassen. Es gibt programmierbare [siehe unten] und nicht programmierbare, Controller mit und ohne Anschlüssen für Hallsensoren, 3-Stufenschalter, Geschwindigkeitslimits, Bremsabschalter, Geschwindigkeitshaltefunktionen, Displays [s.u.], Möglichkeit der Rekuperation, Controller für Bürstenmotoren usw.

 

Die geläufigsten Controller sind (nur) für bürstenlose Motoren („brushless“) geeignet und haben die folgenden Anschlüsse:

 

-          die drei Motorphasen; drei dicke Kabel in gelb, blau und grün [im nachfolgenden Bild oben]

-          den Gasgriff oder Daumengashebel mit drei Anschlüssen; schwarz für Gnd, 0V, rot für +5V und grün oder blau für das Signal. Hier kann nur ein „normaler“ Gasgriff  oder Daumengashebel mit 3 Anschlusskabeln angeschlossen werden [zweite von oben] An die Signal- und die +5V Leitung kann parallel ein Taster + Widerstand in Serie angeschlossen werden, um bspw. einen 6 Km/h Knopf zu erhalten. [KU63, Taster + 10k = ca. 20 %, + 8,2k = ca. 40 % der Maximalgeschwindigkeit.]

-          den PAS Sensor mit drei Anschlüssen; schwarz für Gnd, 0V, rot für +5V und grün oder blau für das Signal, nur Sensoren mit gepulstem Signal [dritte von oben]

-          ggf. einen weiteren Anschluss mit 3 Polen für einen Drei-Stufenschalter für Geschwindigkeitsbegrenzungen [vierte von oben]

-          bei Motoren mit Hallsensoren mit einem 5poligem Anschluss für die Hallsensoren; schwarz, rot, gelb, grün und blau [Mitte]

-          ggf. zwei weissen Kabeln für ein (weiteres) 25 km/h Geschwindigkeitslimit [zwei weisse Kabel]

-          ggf. einem Anschluss für eine autocruise oder Tempomat - Funktion. Sind die Kabel gesteckt: Der Motor hält nach 10 Sekunden die vorgegebene Geschwindigkeit bei; durch erneute Betätigung des Gasgriffs wird das System resettet [zwei blaue Kabel]

-          einem 2poligem Anschluss für einen Bremsabschalter; schwarz und gelb oder blau/weiss. Sind die Kabel verbunden; ist der Motor aus [zweites von unten]

-          den Akku; mit einem dicken schwarzen Kabel (Gnd, 0V, Minus) und einem dicken roten Kabel (+36V, Plus) sowie einem dünnen roten Kabel (+36V, Plus) zum Ein- und Ausschalten des Systems. Das dicke schwarze Kabel wird mit Minus des Akkus verbunden, das dicke rote Kabel mit Plus des Akkus, das dünne rote Kabel über einen Ein- / Ausschalter ebenfalls mit Plus des Akkus. Ggf. kann der Ein- / Ausschalter auch weggelassen werden und wird das dünne rote Kabel einfach zusätzlich an Plus des Akkus angeschlossen  [großer Stecker ganz unten]

(Die Geschwindigkeitslimite können so gesetzt werden: Verwendet werden der Anschluss Drei-Stufenschalter und die weissen Kabel in Kombination: Blau gegen sw: etwas langsamer, eines der weissen Kabel (eines ist Funktion, eines Gnd) gegen sw: deutlich langsamer, blau und weiss zusammen gegen sw: sehr viel langsamer.)

 

Die meisten Controller funktionieren so, das das Signal von Gasgriff und PAS unabhängig voneinander den Motor ansteuern. (Oder Verknüpfung.) Der Motor lässt sich also völlig unabhängig voneinander sowohl durch den Gasgriff als auch den PAS Sensor ansteuern. [Gasgriff = 1, PAS = 0 => Motor = 1 || Gasgriff = 0, PAS = 1 => Motor = 1 || Gasgriff = 1, PAS = 1 => Motor = 1 || Gasgriff = 0, PAS = 0 => Motor = 0 || Gasgriff = 0,5, PAS = 0 => Motor = 0,5 || Gasgriff = 0, PAS = 0,5 => Motor = 0,5]

Es reicht demnach auch aus, neben Akku und Motor z.B. nur einen Gasgriff anzuschließen. Oder alternativ nur Akku + Motor + PAS.

Soll der Motor nur dann durch den Gasgriff ansteuerbar sein, wenn getreten wird (also der PAS Sensor aktiv ist), benötigt man eine Zusatzfunktion oder ggf. -bauteil; s.u. „Gasgriff-Freischalter“.

 

 Einen Schaltplan für diesen Controller gibt es auch hier und für einen KU65 hier.

 

 

Auf dem Bild unten ist ein programmierbarer sensorloser Controller zu sehen mit Anschlüssen für [von oben nach unten]

-          die drei Motorphasen; drei dicke Kabel in gelb, blau und grün

-          einen Drei-Stufenschalter [1. Stufe: sw mit rot verbunden, 2. Stufe: alle offen; 3. Stufe: sw mit grün verbunden]

-          den Gasgriff

-          den PAS Sensor

-          das Programmierkabel

-          einen Bremsabschalter

-          den Akku

Programmierbare Controller sind insbesondere dann zu empfehlen, wenn man den Akkustrom auf einen bestimmten Wert begrenzen will, die Unterspannungsabschaltung genau dem Akku anpassen will (wenn dieser kein BMS hat) oder um genau definierte Stufen für Geschwindigkeitslimite vorzugeben. So hat z.B. der vielfach benutzte Standard Controller KU63 / 36V ein Strombegrenzung von 15 Ampere, eine Unterspannungsabschaltung von 27,5 Volt und feste Geschwindigkeitsstufen. Nun kann aber ein Strom von 15 Ampere (dies entspricht bei 36V einer Leistung von 540 Watt für einige Motoren oder um eine möglichst große Akkureichweite zu erhalten, zu viel sein. Oder es würde die Unterspannungsabschaltung von 27,5 Volt für einen 36V Akku ohne interne (Batterie Management System gesteuerte) Abschaltung zu einer Tiefentladung des Akkus führen. Oder man will z.B. einen 36 Volt Akku mit BMS, der immer bei BMS vorgegebenen z.B. 31 Volt abschaltet, zur Verlängerung der Lebensdauer nur bis minimal 33 Volt entladen. Oder man will das Fahrrad genau auf eine Maximalgeschwindigkeit von 25 km/h (oder 27 km/h) einstellen. Auch können viele programmierbare Controller rekuperieren, d.h. beim Bremsen Energie in den Akku zurückspeisen. ... . In all diesen Fällen ist die Verwendung eines programmierbaren Controllers sinnvoll. Programmierbare Controller in der hier gezeigten Ausführung gibt es sowohl mit Anschlüssen für Hallsensoren als auch ohne [Bild]. Die programmierbaren Controller mit Hallsensoren funktionieren im Gegensatz zu vielen anderen (Universal-)Controllern wie dem KU63 nur mit Hallsensor-Motoren. Die sensorlosen programmierbaren Controller funktionieren natürlich mit sämtlichen brushless (3 Phasen) Motoren.

 

 

 

 Weitere Hinweise gibt es auch hier.

 

Zur Programmierung gibt es auch eine open source Software:

 Weitere Hinweise und die Software zum Download gibt es hier (externer link, download zulassen).

 

 

Weiterhin gibt es inzwischen sehr gute Controller mit der Möglichkeit, Displays anzuschließen, über welche die verschiedensten Funktionen und Parameter eingestellt und abgelesen werden können. Hier besteht auch die Möglichkeit einer echten Leistungssteuerung, d.h. alternativ zu Geschwindigkeitsstufen kann stufenweise die maximale Leistung des Gesamtsystems eingestellt werden. [Im folgendem Beispiel etwa max. ca. 80, 150, 250, 350, 500 Watt.]

Da diese Controller auch ganz normal wie die zuvor beschriebenen Controller ohne Display betrieben werden können, hat man mit diesem Controllertyp ein sehr vielfältiges Spektrum an Einsatzmöglichkeiten. [Hierfür muss am Displayport blau und rot gebrückt werden bzw. ein Jumper gesteckt werden, siehe hier. Allerdings kann man so die Leistungssteuerung nicht nutzen, denn wie will man bei Steuerung nur über einen Gasgriff oder PAS Sensor, welcher das Geschwindigkeitssignal vorgibt, die Leistungsstufen aufrufen.]

 

 250 Watt Controller, den man entweder ganz normal nutzen kann, oder an den man am oberen Stecker auch ein Display anschließen kann.

 [Die weiteren Anschlüsse von oben nach unten: PAS, Gasgriff, Geschwindigkeitssensor, Autocruise bzw. Tempomat*, Akku, Motor, Bremsgriffe.]

 * Gesteckt; dann ist nach Neustart eine Tempomatfunktion aktiviert; nach 10 Sekunden wird eine bestimmte Geschw. beibehalten.

 

 Display, mit welchem wahlweise u.a. 5 Geschwindigkeits- oder 5 Leistungsstufen [„Assist“] und weitere Funktionen eingestellt werden können.

 Die übersichtliche Anzeige zeigt ansonsten die Geschwindigkeit, die Entfernung, die Fahrzeit, den Akkustand und über weitere Tastenkombinationen

 noch andere Werte an. Weitere Informationen dazu auch hier (Anleitung),  hier (erweiterte Anleitung) und hier (Unterspannungsabschaltung).

 

 

Vorteilhaft ist des weiteren die Verwendung eines sogenannten Gasgriff Freischalters, der die Vorteile von Pedelecsensor und Gasgriff kombiniert bzw. den legalen Betrieb eines Gasgriffs in Deutschland überhaupt erst möglich macht. Der Freischalter funktioniert so, dass sobald getreten wird, über den Tretsensor der Gasgriff freigegeben wird. Es kann also immer [und auch nur] bei Treten der Motor individuell von 0 bis volle Leistung reguliert werden kann. Man kann dadurch z.B. über weite Strecken auch ganz ohne Motor fahren [was bei angeschlossenem Tretsensor sonst nicht geht], oder man kann auch bei ganz geringer Geschwindigkeit bzw. Trittfrequenz schon die volle Motorleistung abrufen. Der Gasgriff Freischalter kann als Zusatzbauteil vergleichsweise einfach in den Controller eingebaut werden. [Gasgriff = 1, PAS = 0 => Motor = 0 || Gasgriff = 0, PAS = 1 => Motor = 0 || Gasgriff = 1, PAS = 1 => Motor = 1 || Gasgriff = 1, PAS = 0,05...1,0 => Motor = 1 || Gasgriff = 0,5, PAS = 0,05...1,0 => Motor = 0,5 || Gasgriff = 0,2, PAS = 0,05...1,0 => Motor = 0,2]

 

 Weitere Hinweise zum Anschluss hier

 

Weiterhin empfiehlt sich zwischen Akku und Controller eine sogenannte „Antiblitzschaltung“ einzubauen, die den hohen Einschaltstrom (Laden der Kondensatoren in dem Controller) und damit Abbrennen der Steckerkontakte verhindert, wenn der Controller nicht über einen zusätzlichen Schalter (kleiner +36V Draht am Akkuanschluss) eingeschaltet wird. (Der kleine +36V Draht ist dann fest mit dem +36V Anschluss verbunden; Bauteile Antiblitzschaltung: Z.B. IRF 4110, 47µF, 22k, 56k.)

 

 

 

 

2.3 Kombination von Motor und Controller

 

Da öfter Fragen nach der Geschwindigkeit des Elektrofahrrades auftauchen, hier einige grundsätzliche Bemerkungen:

 

Gewöhnlich sind die Motoren auf eine Geschwindigkeit von 25 km/h ausgelegt, da dies der gesetzlichen Vorgabe in vielen Ländern entspricht.

Dies bedeutet bei einem 28 Zoll Rad eine Nenndrehzahl von ca. 200 U / min [200 U / min x 2,185 m Radumfang x 60 = 26 220 m / h (= 26,2 km/h)], die der Motor bei der Nennspannung von z.B. 36 Volt erreicht. Bei einem 20 Zoll Rad ist zum Erreichen der gleichen Geschwindigkeit eine Nenndrehzahl von ca. 280 U / min erforderlich [280 U / min x 1,530 m Radumfang x 60 = 25 704 m / h].

 

Baut man einen eigentlich für 25 km/h vorgesehenen „20 Zoll Motor“ mit 280 U / min in ein 28 Zoll Rad ein, erhält man eine Geschwindigkeit von ca. 37 km/h [280 U / min x 2,185 m Radumfang x 60 = 36 708 m / h]. Allerdings mit einem über den ganzen Geschwindigkeitsbereich niedrigerem Drehmoment (Antriebskraft). Ebenso kann man z.B. einen 36 Volt / 28 Zoll Motor mit 200 U / min z.B. auch mit 43 Volt betreiben, dann kommt man ebenfalls auf eine (proportional) zur höheren Spannung höheren Geschwindigkeit (und höheren Leistungsaufnahme). [200 U / min x 43/36 x 2,185 m Radumfang x 60 = 31 318 m / h]. Das Drehmoment ist hier bei vergleichbarer Geschwindigkeit gleich. Umgekehrt kann man natürlich auch einen „28 Zoll Motor“ mit 200 U / min in ein 20 Zoll Rad einbauen und kommt dann bei höherem Drehmoment auf eine Geschwindigkeit von ca. 18 km/h [200 U / min x 1,530 m Radumfang x 60 = 18 360 m / h].

 

Der Controller ermöglicht im Normalfall das Erreichen dieser Maximalgeschwindigkeiten. Die Maximalgeschwindigkeit wird also völlig unabhängig von der Art des Controllers erreicht und kann durch die Wahl eines anderen Controllers normalerweise auch nicht verändert (erhöht) werden. Bei den meisten Controller können jedoch durch Stecken von Geschwindigkeitslimits oder Einprogrammieren von Geschwindigkeitsstufen Geschwindigkeiten unterhalb der Maximalgeschwindigkeit eingestellt werden. Auch mit programmierbaren Controllern kann diese Maximalgeschwindigkeit nicht (oder allenfalls in einem „Experimental-Modus“ um vielleicht noch 10 %) erhöht werden.

 

Motoren ohne Hallsensoren können nur an sensorlose Controller oder Universalcontroller angeschlossen werden. Ein Anschluss an Hallsensorcontroller ist nicht möglich.

Motoren mit Hallsensoren (3 Motorphasen und 5poliger Hallanschluss) können sowohl an Hallsensorcontroller als auch an sensorlose Controller (sowie Universalcontroller) angeschlossen werden. Der Anschluss an Hallsensorcontroller verspricht eine etwas feinfühligerer und ruckelfreiere Ansteuerung insbesondere beim Anfahren, da der Controller nicht erst die Stellung des Motors suchen muss. Es ist aber auch ein Anschluss von Hallsensormotoren an sensorlose Controller möglich, wodurch man sich 5 Käbelchen und eine mögliche Fehlerquelle erspart, da kein möglicher Defekt der Hallsensoren wirksam werden könnte, da diese ja nicht verwendet werden. Erkauft wird dies mit dem beschriebenen etwas schlechterem Ansteuerverhalten des Motors.

 

Neben der Wahl der richtigen Geschwindigkeit ist es ebenso wichtig, für die Leistung des Motors einen Controller mit der passenden Leistung auszuwählen. Oft liefern die angebotenen Controller zu viel Leistung, was nur zu einem niedrigeren Wirkungsgrad und schnellerem Verschleiß des Motors führt. So macht es z.B. wenig Sinn, einen 36V / 250 Watt Getriebemotor mit einem 36V / 18A Controller zu kombinieren, da dieser den Motor mit einer zu hohen Eingangsleistung von bis zu 650 Watt versorgen würde. (Was insbesondere den Plastikzahnrädchen des Getriebes auf Dauer nicht gut bekommen würde.)

Die Leistung eines Controllers berechnet sich grundsätzlich aus dem Produkt von Spannung mal Stromstärke. Damit hat z.B. ein Controller mit einem maximalen Strom von 15 Ampere bei 24 Volt eine Leistung von (max.) 360 Watt (24V x 15A = 360W), ein 36V Controller mit 15A jedoch von 540 Watt (36V x 15A = 540W). Leider sind die Angaben auf einem Controller oft nicht stimmig; z.B. kann ein Controller, der mit 36V und 15A gelabelt ist, kein 250 Watt Controller sein. Meist ist in diesen Fällen das Produkt aus Strom x Spannung der richtigere Wert und ist die Leistungsangabe unzutreffend.

 

Bevor man den Motor fest in das Fahrrad einbaut, empfiehlt es sich, vorab alles in einer Art Testanordnung wie der Folgenden auszuprobieren, da nicht unbedingt damit zu rechnen ist, das alles auf Anhieb funktioniert. Hierzu werden an dem Controller der Motor über die 3 Motorphasen (+ ggf. die Hallphasen); der Akku über den Akkuanschluss sowie einen Gasgriff und ggf. der PAS Sensor angeschlossen. Bei manchen Controller - Motor Kombinationen kann es sein, das bei den Motorphasen und/oder Hallsensorphasen die Farben gelb und blau gegeneinander vertauscht werden müssen.

 

Der Motor lässt sich nun unabhängig voneinander sowohl nur durch den Gasgriff als auch nur durch den Tretsensor (Vorbeiführen der Magnete an dem Sensor) von Null bis Max. ansteuern. Es reicht aus, nur eins von den beiden Steuerelementen Gasgriff oder Tretsensor anzuschließen, also z.B. nur den Tretsensor. [Wichtig, es passt leider nicht jeder Tretsensor zu jedem Controller, da die Signalauswertung auf unterschiedlichen Weg erfolgen kann, s.u.]

 

Ganz wichtig: Auf keinen Fall beim Anschließen an den Akku den Pluspol + (meist rot) und den Minuspol – (meist schwarz) verwechseln, sonst ist der Controller sofort hinüber! Ebenso ist zu beachten, das es manchmal auch unterschiedliche Kabelbelegungen in den Chinasteckern gibt.

 

 

 

 

2.4 Kombination von Akku und Controller

 

Von einer gewissen Bedeutung ist auch die Kombination von Akku und Controller. Ganz wichtig ist natürlich, das der Akku keine höhere Spannung als die Maximalspannung des Controllers hat. So kann man bspw. an einen 24V Controller nicht einfach einen 36V Akku [vollgeladen = 42V] anschließen, da in dem 24V Controller z.B. Kondensatoren verbaut sein können, die nur bis zu einer Maximalspannung von 35V ausgelegt sind.

Dann ist insbesondere darauf zu achten, das der Akku auch die für den Controller notwendige Stromstärke liefern kann. Dabei kann es mehrere limitierende Faktoren geben; meistens wird es die maximale Auslegungsstromstärke des BMS [Batterie Management System] sein, oft auch die maximale Strombelastbarkeit der verwendeten Akkuzellen, zuweilen aber auch Faktoren wie etwa der Querschnitt der internen Verkabelung. Wenn also das BMS bspw. nur für maximal 15 Ampere ausgelegt ist, kann man an den Akku natürlich nicht einfach einen 22 Ampere Controller anschließen. Oder wenn man ein Akkupack bspw. aus 3P Panasonic NCR18650A Zellen baut, kann man nur einen Controller mit maximal ca. 15 Ampere Stromentnahme verwenden, da die Zellen nur bis jeweils ca. 5 Ampere belastet werden sollten. Hier ist ggf. auch die Wärmeentwicklung des Akkupacks in die Überlegungen mit einzubeziehen. Ein 3P10S Akku aus NCR18650A Zellen hat bei 15 Ampere etwa 60 Watt Verlustleistung, ein 5P10S aus 18650VTC4 Zellen hingegen nur ca. 10 Watt. [PVerlust = Rgesamt x I²; 1/Rgesamt = (1/R) x n; n = Zahl der parallelen Zellen, R = Gleichstrominnenwiderstand der einzelnen Zelle]

 

 

 

2.5 PAS („Pedal Assistent System oder Sensor“)

 

Der PAS Sensor hat drei Anschlüsse, schwarz für Gnd [0V], rot für +5V und grün oder blau für das Signal. Der metallerne Ring an dem Sensor dient zur Montage des Sensors unter der Kunststoffabdichtung des Tretlagers. Die Magnetscheibe wird auf die Tretkurbel gesteckt. Der Sensor muss so montiert werden, dass die Magnete beim Treten auf die Spitze des Sensors zulaufen.

Der Tretsensor steuert den Motor meist drehzahlabhängig an, d.h., je schneller getreten wird, desto mehr Leistung gibt auch der Motor dazu.

Bei den PAS Sensoren kann man im wesentlichen zwei verschiedene Typen von Sensoren unterscheiden, sogenannte „digitale“ Sensoren und analoge Sensoren. Die digitale Sensoren [V7] geben ein gepulstes Signal in Form einer Rechteckspannung ab, deren Impulszahl von der Trittfrequenz abhängig ist. Die analogen Sensoren [V5] geben eine trittfrequenzabhängige (linear) zunehmende Spannung ähnlich einem Gasgriff ab.

Die meisten Controller (u.a. vom Typ KU63, EBXXX, Controller mit Leistungsregelung ...) benötigen einen digitalen PAS Sensor mit einem gepulsten Signal. PAS Sensoren mit gepulstem Signal funktionieren nur am entsprechenden Eingang des Controllers; nicht am Gasgriffeingang. (Bzw. die entsprechenden Controller funktionieren über den PAS Eingang nur mit einen gepulsten PAS Sensor.) PAS Sensoren mit linearem Signal funktionieren gewöhnlich nur am Gasgriffeingang und nicht am PAS Signaleingang der meisten Controller.

Manchmal ist es so, das sich bei Ansteuerung des Motors über den Tretsensor eine etwas geringere Geschwindigkeit ergibt als bei Ansteuerung über einen Gasgriff. Oft kommt es auch zu einer als nachteilig empfundenen  Nachlaufzeit von ca. 1 - 2 Sekunden.

Ferner gibt es noch Unterschiede in der Anordnung der Magnete. Bei den hier gezeigten Scheiben sind die Magnete radial angeordnet, d.h. aus der Ebene der Scheibe heraus zeigt immer der gleiche Pol. Es gibt aber auch Scheiben, in dem die Polung der Magnete in Drehrichtung angeordnet sind, also immer z.B. erst Nord- und dann der Südpol an dem Sensor vorbei geführt wird.

Der Sensor wird gewöhnlich auf der Kettenblattseite montiert. Hierfür wird die Verschraubung des Tretlagers gelöst und die Blechmanschette samt Sensor zusätzlich mit aufgeschraubt. Der Sensor kann durch Lösen einer kleinen Schraube auf der Manschette aber auch gewendet werden, so das eine Montage auf der linken Seite des Tretlagers möglich ist. (Die Magnete zeigen immer mit dem gleichen Pol aus der Scheibe, so das die Drehrichtung der Scheibe egal ist. Wichtig ist nur, das die Magnete immer auf die Spitze des Sensors zulaufen.)

 

PAS Sensor mit gepulstem Signal, V7 Serie.

 

 

2.6 Gasgriff oder Daumengashebel

 

Der Gasgriff oder Daumengashebel hat ebenso wie der PAS Sensor drei Anschlüsse, schwarz für Gnd [0V], rot für die Stromversorgung mit +4,5V und grün oder blau für das Signal. Das Signal ist jedoch im Gegensatz zu dem PAS-Sensor gewöhnlich ein [analoges] Signal in Form einer linear ansteigenden Spannung, d.h. je mehr der Gasgriff aufgedreht ist, desto höher ist die Signalspannung. Die Verwendung eines Gasgriffs ist in Deutschland im Gegensatz etwa zu Österreich bei Geschwindigkeiten über 6 km/h allerdings nicht bzw. nur in Kombination mit einem Gagriff-Freischalter legal. Bei den meisten China  Controllern kann er jedoch angeschlossen werden und ist dann in Deutschland nur bei zusätzlichem Einbau dieses Bauteils legal, welches den Gasgriff erst bei eigenem Mittreten freigibt. [Baut man dieses Bauteil nicht ein, so lässt sich der Motor sowohl über den Tretsensor als auch über den Gasgriff unabhängig und parallel voneinander ansteuern.]

 

Die meisten Gasgriffe besitzen zwischen +4,5V (rot) und Gnd (schwarz) einen Widerstand von ca. 2 kOhm. Über einen Magnet und einen Hallgeber wird an dem Signalausgang (blau) durch Drehen eine variable Spannung zwischen ca. 1V und 4V erzeugt. Dieser Spannungspegel ist das entscheidende Signal für die Geschwindigkeit. Will man einen Gasgriff simulieren, so muss man den +4,5V und Gnd Eingang durch zwei Widerstände in Serie brücken und kann dann zwischen den Widerständen eine entsprechende Spannung abgreifen; z.B. bei zwei Widerständen von 2,2k in Serie (4,4k zusammen) greift man in der Mitte eine Spannung von ca. 2,25V ab. Man kann ggf. (etwas unsauber) auch einfach einen sehr viel größeren Widerstand von z.B. 10k...100k von +4,5V gegen den Signalausgang brücken [mit hohen R anfangen!]; es stellt sich dann in Abhängigkeit der internen Widerstände in dem Controller ebenfalls eine entsprechende Spannung ein. Von einem Brücken von +4,5V gegen Signal mit zu kleinen Widerständen oder einem Kurzschließen muss jedoch abgeraten werden, da sonst möglicherweise der Controller Schaden nehmen könnte! Bilder dazu siehe hier und hier.

 

 

 

2.7 6 km/h Knopf

Ist diese nicht bereits im Controller (mit Panel) implementiert, so kann diese Stufe auch bei Standard Controllern einfach durch einen zusätzlichen Taster nachgerüstet werden. Parallel zum Gasgriff wird der Taster mit einem ca. 10k Widerstand in Serie an +5V (rot) und Signal (blau) angeschlossen. (Größerer Widerstand => geringere Geschwindigkeit, kleinerer Widerstand => höhere Geschwindigkeit.) Der oben gezeigte Gasgriff kann dazu auch seitlich geöffnet werden und dort eine Kabelverbindung zum Taster gelegt werden.

 

 

 

2.8 Fahrradakku

 

Fahrradakkus sind fast eine Wissenschaft für sich. Ich baue diese selber und führe sie immer lose im Gepäck mit. Je nach Fahrstrecke kann man so Akkus mit verschiedener Reichweite mitnehmen. Der kleinere Akku rechts im Bild hat eine Nennkapazität von ca. 180 Wh [16 x Panasonic NCR18650A], was für eine tägliche Fahrstrecke von bis zu ca. 20 km ausreicht. Das Gewicht dieses Akkus beträgt nur 0,85 Kg bei einem Volumen von 0,5 L. Der mittlere Akku hat bei 1,8 Kg Gewicht eine Nennkapazität von 400 Wh [36 x NCR18650A], der große Akku bei 2,9 Kg von 560 Wh [60 x Sanyo 18650F]. Weitere Informationen zu Akkus gibt es hier: Selbstbauakkus | Allgemeines zu Akkus.

 

 

 

 

3. Beschreibung der Montageschritte

 

3.1 Montage des (Front)Motors

 

Der Motor wird im Prinzip wie eine normale Vorderradnabe in die Gabel eingebaut. Die Gabelenden müssen dazu ggf. etwas aufgefeilt werden.

Zur Aufnahme der Gegenkräfte der Motorachse (über die das Drehmoment des Motors auf die Gabel übertragen wird), dienen zwei sogenannte Nasenscheiben. Hier kann man zusätzlich noch weitere Drehmomentstützen, die es in den verschiedensten Bauformen gibt, montieren. Um ein Schleifen des Motorgehäuses an den Ausfallenden der Gabel zu vermeiden, müssen u.U. auch noch die Schrauben für die Schutzblechbefestigung o.dgl. leicht abgefeilt werden.

 

 

 

 

3.2 Montage des Tretsensors

 

Der Tretsensor und die dazugehörige Magnetscheibe werden am Tretlager montiert; aus optischen Gründen vorzugsweise auf der Kettenblattseite. Hierfür muss mittels eines Abziehers die Tretkurbel mit dem Kettenblatt entfernt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Magnete beim Treten auf die Spitze des Sensors zulaufen. [Auf dem Bild würde sich die Magnetscheibe also rechts herum drehen.]

Zur Montage des Sensors wird die Kunststoffabdichtung des Tretlagers entfernt und die Ring-Manschette anschließend mitsamt dem Sensor zwischen Abdichtung und dem Tretlagergehäuse montiert. Oft ist hier jedoch eine Eigenkonstruktion besser oder notwendig, wo man entsprechend den Gegebenheiten des Fahrrades etwas improvisieren muss [Bilder].

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Montage des Controllers

 

Der Controller kann an den unterschiedlichsten Stellen des Fahrrades untergebracht werden. Es ist sowohl eine feste als auch eine lose Anbringung möglich.

 

Von mir wird eine Anordnung bevorzugt, bei der der Controller unter dem hinteren Gepäckträger (und einem darauf befindlichen Korb) fest verschraubt oder verklemmt wird.

 

Bei einer festen Anbringung sollten die Steckerverbindungen gegen solche aus fest verlöteten Verbindungen getauscht werden, was eine geringere Störanfälligkeit verspricht.

 

 

 

Schalter wie für das Geschwindigkeitslimit oder für Geschwindigkeitsstufen können auch in den Controller integriert werden:

 

 

 

3.4 Verlegung der Kabel

 

Die Kabel werden zum Teil entlang der Rahmenrohre verlegt und mit Kabelbindern, vorhandenen Schellen oder Klebeband fixiert. Zwischen Tretlager und Gepäckträger ist bei hinterer Anbringung des Controllers auch eine vergleichsweise unauffällige Verlegung unter dem Schutzblech möglich. Dies muss zur Befestigung der Kabel allerdings angebohrt und ggf. etwas aufgebogen werden. Die Kabel sind hier durch 9,5 mm² Schrumpfschlauch zusammengefasst. Da die Motoren (und u.U auch Controller) nur eingeschränkt wasserdicht sind, gebe ich an die Kabeleintrittsstellen an Motor und Controller meist noch etwas halbfestes Kettenabschmierfett o.dgl..

 

 

 

 

 

 

3.5 Verbindung der Kabel

 

Die Kabel sollten bei einem festen Anbau des Controllers statt durch die billigen und auffälligen Chinastecker besser fest miteinander verbunden werden. Außerdem muss ein Teil der Kabel verlängert werden. Dies geschieht vorzugsweise durch Verlöten. Dazu werden die beiden Kabelenden abisoliert, miteinander verdrillt und anschließend verlötet. Die elektrische Isolation erfolgt mit Schrumpfschläuchen und/oder durch Klebeband.

 

 

 

 

 

 

3.6 Anschluss des Akkus

 

Der Fahrradakku wird am besten mit XT60 Hochstromsteckern an den Controller angeschlossen werden. Diese sind verpolungssicher und halten hinreichend fest.

Der Akku kann dann z.B. im Rucksack mitgeführt werden und wird bei Abstellen des Fahrrades einfach abgestöpselt und mitgenommen. Die Kabel müssen dafür natürlich hinreichend lang bemessen sein.

 

 

 

Alternativ ist auch möglich, den Akku in einer verschliessbaren Akkubox zu verstauen. Hierzu können z.B. Geldkassetten verwendet werden. Diese wird mit U-Gewindestangen von innen am Gepäckträger oder Rahmen verschraubt.

 

 

 

4. Bilder einiger fertiger Umbauten

 

Auf den Bildern sind Umbauten einiger älterer „Kellerfahrräder“ zu sehen.

Bei dem oberen Fahrrad befindet sich ein Akku von 200 Wh im Gepäck, bei dem mittleren F. befinden sich in dem Korb unterhalb des Rucksacks Akkus mit ca. 1,8 KWh Kapazität.

Für den gesamten Umbau sollte man schon einige Tage einplanen.

 

 

 

 

 

 

 Copyright der erstellten Texte, Fotos und Skizzen: Markus Gröbe

 

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