E-Motorrad Sicherheitsfahrwerk mit Elektro-Allradantrieb für Motorräder entwickelt

Autor / Redakteur: Ralf Burr und Dipl.-Ing (FH) Martin Werz / Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

In einem Forschungsprojekt haben Teilnehmer aus Industrie und der Universität Ulm einen Allradantrieb mit Drehmomentregelung für E-Bikes entwickelt. Ziel dieses Projektes ist, die Sicherheit im Straßenverkehr gegenüber einem nur hinterradbetriebenen E-Bike zu steigern und die Vorteile der Energierückgewinnung zu nutzen.

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Um in gefährlichen Fahrsituationen eingreifen zu können, muss das neu entwickelte System die aktuelle Fahrsituation erfassen können.
Um in gefährlichen Fahrsituationen eingreifen zu können, muss das neu entwickelte System die aktuelle Fahrsituation erfassen können.
(Bild: Matthias Baumann, Universität Ulm)

Bei Pkws hat sich der Allradantrieb schon in vielen gefährlichen Fahrsituationen bewiesen. Aber bei Motorrädern wurde dies konstruktionsbedingt bisher kaum und speziell bei E-Bikes überhaupt nicht realisiert. Kompakte Nabenmotoren sollen hier ganz neue Möglichkeiten eröffnen. Durch die in dem Verbundprojekt entwickelte Rekuperation, also Energierückgewinnung, und effiziente Momentenverteilung steigt der Wirkungsgrad des Elektroantriebs und es ergibt sich ein Effizienzgewinn von 26 %. Die Erkenntnisse des Projekts sollen sich auf alle Klassen von Zweirädern mit elektrischem Antrieb übertragen lassen.

Fahrstabilität und Sicherheit erhöhen

Mitte Juli wurde das Verbundforschungsprojekt „Sicherheitsfahrwerk mit Elektro-Allradantrieb für E-Bikes & E-Motorräder“ abgeschlossen. Die Projektpartner Gigatronik, ID-Bike, IPDD und das Institut für Mess-, Regel- und Mikrotechnik der Universität Ulm entwickelten ein Zweirad mit Allradantrieb zur Fahrstabilisierung und Rekuperation. Dies erlaubt beim Beschleunigen wie beim Verzögern eine entsprechend angepasste Drehmomentverteilung zwischen den Antrieben an Vorder- und Hinterrad, was Fahrstabilität und Sicherheit erhöht. Die zurück gewonnene Energie ermöglicht kurzzeitige Spitzenleistungen bzw. erhöht die Reichweite.

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System erfasst aktuelle Fahrsituation

Um in gefährlichen Fahrsituationen eingreifen zu können, muss das System die aktuelle Fahrsituation erfassen. Dies geschieht über Sensoren am E-Bike, die über eine Software zur Regelung der Fahrstabilität auf dem Steuergerät ausgewertet werden. Die Software wurde an der Universität Ulm entwickelt. Aus Historie und aktuellem Zustand lassen sich die zukünftige Situation und die wahrscheinliche Reaktion des Fahrers errechnen. Über die Momentenregelung des Vorder- und Hinterrades kann dann sicher eingegriffen werden.

Die Ausgangsbasis ist ein Elmoto HR-2 der Firma ID-Bike mit einer Höchstgeschwindigkeit von 45 km/h und einer maximalen Gesamtleistung von 4 kW. Dazu entwickelte Gigatronik ein Motorsteuergerät, das in dem Prototypen zweimal verbaut wurde, sowie die feldorientierte Regelung der Motoren und die Hardware zur Rekuperation.

E-Bike erhält Schub über Nabenmotoren

Seinen Schub erhält das E-Bike über zwei Nabenmotoren mit einer Nennleistung von 2 kW. Die Ansteuerung der Motoren übernimmt jeweils ein Motorcontroller von Gigatronik. Auf dem Signalprozessor implementierten die Ingenieure eine feldorientierte Regelung, um sowohl beschleunigen als auch rekuperieren zu können. Hall-Sensoren erfassen Drehwinkel und Geschwindigkeit der einzelnen Motoren. Deren Werte werden über den Motorcontroller eingelesen und dem Hauptsteuergerät über CAN zyklisch zur Verfügung gestellt. Zusätzlich ermitteln die Motorcontroller den Zustand des Batteriesystems und stellen dies an der CAN-Schnittstelle bereit.

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Energierückspeisung erhöht Reichweite

Die Energieversorgung für das Allrad-E-Bike sichert ein Lithium-Ionen-Akku mit einer Gesamtkapazität von 31,5 Ah und einer Spannung von 48 V mit integriertem Batteriemanagement-System. Gigatronik erweiterte das Batteriesystem um eine Super-Cap-Kondensatorbank mit 58 F. Für den Betrieb dieses Hybridsystems wurde ein weiteres Steuergerät entwickelt zur Regelung des Energieflusses zwischen Super-Caps und Lithium-Ionen-Akku. Das erlaubt ein sicheres Rückspeisen der Bremsenergie in den Akku, was die Reichweite erhöht. Das Steuergerät kann auch direkt aus den Super-Caps kurzfristig mehr Leistung zur Verfügung stellen, was zu einer größeren Beschleunigung und mehr Dynamik führt.

Sind bei langen Bergabfahrten oder der Ladung über das Stromnetz der Akku und die Super-Caps komplett geladen, kann die Bremsenergie in einem Bremswiderstand in Wärme umgewandelt werden, was dann die Fahrstabilitätsregelung auch beim Verzögern garantieren soll. (sh)

* Ralf Burr ist Student an der Universität Ulm, Dipl.-Ing (FH) Martin Werz ist Teamleiter Hardwareentwicklung bei Gigatronik

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