Masterarbeit untersucht Rekuperation bei Elektrofahrrädern

Rekuperation bedeutet, dass beim Bremsen Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Elektromotor wirkt dabei als Generator und speist die Energie zurück in den Akku. Bei E-Autos und E-Lastwagen ist die Technik heute Standard, bei Elektrofahrrädern kommt sie kaum zum Einsatz. »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«, sagt Rasche, der sein Studium inzwischen abgeschlossen hat. Für seinen Versuchsaufbau rüstete Rasche ein handelsübliches Mountainbike mit einem Hecknabenmotor, einem selbst entwickelten Akkumulator, einer Motorsteuerung und einem 3D-gedruckten Gehäuse für die Bauteile aus. Mehrere Mikrocontroller steuern das System. »Ein wichtiger Aspekt war die kompakte und wartungsfreundliche Integration aller Bauteile in den Fahrradrahmen«, berichtet Rasche. Auch Thermik und Zugänglichkeit spielten für einen zuverlässigen Betrieb eine Rolle. Zentraler Bestandteil der Arbeit war 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. Verbaut wurden handelsübliche Zellen vom Typ Samsung INR21700-50E mit passendem Batteriemanagementsystem. Den Motor steuerte Rasche über das Open-Source-Projekt Vedder Electric Speed Controller, kurz VESC, an. Darüber legte er Fahrprofile für den Betrieb bis 25 Kilometer pro Stunde und den Betrieb als S-Pedelec bis 45 Kilometer pro Stunde an, jeweils mit Leistungsgrenzen für Beschleunigung und Rekuperation. »Gesteuert wird der VESC über einen Mikrocontroller, 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 Rasche Vergleichsfahrten unter festgelegten Bedingungen durch, um den Einfluss der Rekuperation auf Reichweite, Rekuperationsleistung und Energiefluss zu messen. Danach folgten Fahrten unter realistischen Bedingungen mit stärker variierendem Streckenprofil. »Die Ergebnisse haben deutlich gemacht, dass Rekuperation im flachen Gelände nur begrenzt zur Energierückgewinnung beiträgt«, erzählt Rasche. Anders sah es bei Messfahrten im Weserbergland mit moderatem Streckenprofil aus: Hier erhöhte Rekuperation im E-Bike-Modus die Reichweite um 20 bis 30 Prozent, im S-Pedelec-Modus um bis zu 15 bis 20 Prozent. »Die Masterarbeit von René Rasche liefert ein differenziert zu betrachtendes Ergebnis«, resümiert Gutachter Prof. Dr. Sebastian Hoffmann, an 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 gelte mehr noch für die Klasse bis 25 km/h als für die schneller ausgelegten S-Pedelecs.