Energierückgewinnung Rekuperation kann Reichweite von E-Bikes deutlich erhöhen

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Eine Masterarbeit an der Hochschule Bielefeld zeigt: Rekuperation kann die Reichweite von E-Bikes in hügeligem Gelände um bis zu 30 Prozent erhöhen. Entscheidend ist dabei das jeweilige Einsatzprofil.

Beim Bremsen Bewegungsenergie zurückgewinnen und in den Akku einspeisen: Was bei Elektroautos längst zum Standard gehört, kommt bei E-Bikes und Pedelecs bislang kaum zum Einsatz. Eine Masterarbeit an der Hochschule Bielefeld (HSBI) zeigt nun, dass sich Rekuperation insbesondere in hügeligem Gelände lohnen kann. Je nach Fahrprofil stieg die Reichweite eines speziell umgebauten E-Bikes um bis zu 30 Prozent.  

Für seine Untersuchung baute René Rasche ein handelsübliches Mountainbike zu einem rekuperierenden Elektrofahrrad um. Der Absolvent des Masterstudiengangs Maschinenbau integrierte unter anderem einen Hecknabenmotor, einen selbst konfigurierten Lithium-Ionen-Akku, eine Motorsteuerung und mehrere Mikrocontroller. Die Komponenten brachte er in einer eigens entwickelten Gehäusekonstruktion aus dem 3D-Drucker unter.„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“, erklärt Rasche.

Tests unter realen Bedingungen

Das Herzstück des Versuchsaufbaus bildete ein Lithium-Ionen-Akkupack in einer 13S6P-Konfiguration: 

• Akkupack: Lithium-Ionen-Akkupack mit 13 in Reihe und sechs parallel geschalteten Zellgruppen. Verwendet wurden handelsübliche Samsung-INR21700-50E-Zellen mit passendem Batteriemanagementsystem.
• Motorsteuerung: Der Hecknabenmotor wurde über den Open-Source-Controller „Vedder Electric Speed Controller“ (VESC) angesteuert. Rasche programmierte Fahrprofile für den E-Bike-Betrieb bis 25 km/h und den S-Pedelec-Betrieb bis 45 km/h.
• Sensorik: Sensoren und Bedienelemente erfassten die Betriebszustände Beschleunigen, Rollen und Rekuperieren.
• Vergleichsfahrten: Unter festgelegten Bedingungen ermittelte Rasche unter anderem Rekuperationsleistung, Energiefluss und Reichweite.
• Praxistests: Anschließend testete er das Fahrrad auf Strecken mit wechselnden Steigungen und Gefällen im Weserbergland sowie auf dem Bilster Berg bei Bad Driburg. Die dortige Test- und Präsentationsstrecke mit Steigungen und Gefällen von bis zu 26 Prozent ermöglichte Messungen unter Extrembedingungen.

Größter Nutzen im hügeligen Gelände

Die Messungen zeigten, dass Rekuperation auf flachen Strecken nur begrenzt Energie zurückgewinnt. Anders fällt das Ergebnis in hügeligem Gelände aus: Im E-Bike-Modus erhöhte sich die Reichweite dort um 20 bis 30 Prozent. Im Pedelec-Modus lag der Zugewinn bei bis zu 15 bis 20 Prozent.
„Rekuperation ist bei Elektrofahrrädern technisch sinnvoll, aber ihr energetischer Nutzen hängt stark vom Einsatzprofil ab“, sagt Prof. Dr. Sebastian Hoffmann, der an der HSBI das Lehrgebiet Elektrotechnik und Automatisierung vertritt. Wer überwiegend im Flachland fahre, könne nur mit geringen Rückgewinnungseffekten rechnen. Bei langen Abfahrten oder größeren Höhenunterschieden sei der Nutzen dagegen deutlich höher. Das gelte insbesondere für E-Bikes, da Pedelecs aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit andere Anforderungen an Antrieb und Akku stellten.
Neben den Ergebnissen zur Reichweite überzeugte die Arbeit auch durch ihr interdisziplinäres Konzept. Elektrotechnik, Mechanik und Softwareentwicklung mussten bei der Konstruktion und Erprobung des Fahrrads zusammenspielen. Betreut wurde die Masterarbeit von Prof. Dr. Sebastian Hoffmann und als Zweitgutachter von Prof. Dr. Herbert Funke.