Antriebstechnik Was ist ein E-Bike-Akku?

E-Bikes werden von einem elektrischen Motor angetrieben, die ihre Leistung aus einem Akku beziehen. Doch wie setzen sich E-Bike-Akkus zusammen? Welche entscheidenden Unterschiede gibt es? Und was ist beim Laden und der Lagerung der Akkus zu beachten? Ein Thema das wohl viele interessiert.

Ein E-Bike-Akku ist ein wiederaufladbarer Energiespeicher, der den Elektromotor eines E-Bikes mit Strom versorgt. Somit ist der Akku eines der wichtigsten Komponenten an einem E-Bike, da er entscheidend die Reichweite, Leistung, aber auch das Gewicht eines Rades beeinflusst. Die in E-Bike-Akkus verwendeten Batteriezellen sind meist Lithium-Ionen-Akkus, da sie eine hohe Leistungsdichte und eine hohe Lebensdauer haben. Hinzu kommt, dass Lithium-Ionen-Akkus keinen Memory-Effekt haben und über ein vergleichbar geringes Gewicht verfügen.

Aus welchen Komponenten setzt sich ein E-Bike-Akku zusammen?

Ein E-Bike-Akku setzt sich hauptsächlich aus einem Batterie-Zellpaket (meist Lithium-Ionen-Zellen) einem Batteriemanagementsystem (BMS) zur Überwachung und Steuerung des Akkus und einem Gehäuse mit elektrischen Anschlüssen zusammen.

Das Zellpakte besteht aus mehreren Einzelzellen (zylindrisch, prismatisch oder Pouch). Zylindrische Zellen haben eine runde Form, wie handelsübliche Batterien zum Beispiel vom Typ AA. Prismatische Zellen sind rechteckig oder quaderförmig, während Pouch-Zellen auch als Beutelzellen bezeichnet werden, die flach und flexibel in einem Folienbeutel statt einem festen Gehäuse zusammengefasst sind.

Die Zellpakete speichern die Energie für den Elektromotor, wobei E-Bike-Akkus durchschnittlich 28 bis 60 Lithium-Zellen haben, die in Reihen- oder Parallelschaltungen verbunden sind, um die Spannung und Kapazität zu regulieren. Eine Einzelzelle besteht aus einer Anode (meist Graphit), einem Separator (aus Keramik) und einer Kathode (z. B. Lithium-Nickel-Mangan-Kobalt-Oxid). Für die Leitfähigkeit (dem Ionenfluss) wird zusätzlich ein flüssiger Elektrolyt eingesetzt.

Das BMS überwacht die Lade- und Entladevorgänge am Akku, schützt vor Überhitzung sowie Überladung und Tiefentladung der Zellen und sorgt somit letztendlich für eine hohe Sicherheit und Lebensdauer des E-Bike-Akkus.

Die Umhausung des E-Bike-Akkus besteht aus einem feuerfesten, robusten Batteriegehäuse, das die Zellen und die Elektronik schützt und für mechanische Stabilität sorgt. Hinzu kommt der Schutz vor Wasser und Staub, der u. a. durch Zellhalter und Dichtungsringe gewährleistet wird. Die elektrischen Anschlüsse dienen schließlich für das Laden der Akkus und die Stromversorgung des Elektromotors.¹

Was ist bei der Konstruktion von E-Bike-Akkus zu beachten?

Bei der Konstruktion von E-Bike-Akkus sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen:

• die Zellchemie und das Zellmanagement,

• die Sicherheit,

• die Akkuposition bzw. Integration,

• das Kapazitäts- und Modularitätskonzept der Zellen,

• das thermische Management,

• die Langlebigkeit,

• Reparaturfähigkeit und das Recycling,

• die Elektronik und das BMS sowie

• der Schutz des Akkus vor Umgebungseinflüssen.

Mit Blick auf die Zellchemie und das Zellmanagement wurde bereits gesagt, dass die meisten E-Bike-Akkus Lithium-Ionen-Zellen verwenden, da sie besonders zuverlässig sind und eine hohe Energiedichte auf kleinem Raum aufweisen. Neuere Entwicklungen verwenden stattdessen zum Beispiel Feststoff- oder Natrium-Ionen-Zellen, die noch leistungsfähiger sind.

Sicherheitskomponenten wie etwa Überdruckmembranen und temperaturabhängige Widerstände (PTC) schützen vor Überhitzung, Kurzschlüssen und Entzündungen.

E-Bike-Software

Wie das „Gehirn“ des E-Bikes funktioniert

Die Position des Akkus am E-Bike (zum Beispiel im Rahmen, am Unterrohr oder auf dem Gepäckträger) beeinflussen maßgeblich den Schwerpunkt des Rades und somit auch sein Fahrverhalten, aber auch das Design und den Schutz vor Umwelteinflüssen.

Die Anzahl und Anordnung der Zellen bestimmen die Spannung und die Kapazität eines Akkus, die in Wattstunden (Wh) angegeben ist. Je höher die Wh-Zahl, desto größer ist die Reichweite eines E-Bikes. Die Kapazität wird wie folgt berechnet:

• Spannung (V) x Amperestunden (Ah) = Wattstunden (Wh)

Modular aufgebaute Zellen ermöglichen in diesem Zusammenhang zum Beispiel die einfache Wartung und den Austausch einzelner Module. Ein optimales Temperaturmanagement (zum Beispiel durch direkte oder passive Kühlung) schützt die Zellen zudem vor Überhitzung und erhöht ihre Lebensdauer. Wie schon weiter oben beschrieben, steuert das BMS die Lade-, Entlade- und Zellüberwachungsvorgänge und schützt die Akkus im Sinne einer hohen Langlebigkeit vor kritischen Spannungen oder Strömen.

Eine robuste Konstruktion sowie die Austauschbarkeit und Reparaturfreundlichkeit der Zellen sowie der Einsatz von recyclingfähigen Materialien tragen zusätzlich zu einem ökologischen und wirtschaftlichen Einsatz der Akkus bei, wobei die empfindlichen Zellen durch das Gehäuse optimal gegen Wasser, Staub, Stöße und Vibrationen geschützt sein müssen.²

Ist ein E-Bike-Akku von der Motorleistung abhängig?

Die Antwort lautet: Ja. Ein E-Bike-Akku ist grundsätzlich von der Leistung des am Bike verbauten Motors abhängig, der er die elektrische Energie für den Antrieb liefert. Ein stärkerer Motor mit höherer Leistung benötigt daher entsprechend mehr Energie aus einem Akku. Wird demnach die Akkukapazität bei einem Motor mit höherer Leistung nicht erhöht, verkürzt sich die Reichweite des E-Bikes.³

Kann ein E-Bike-Akku mit geringerer Ladekapazität durch einen stärkeren ersetzt werden?

Prinzipiell lässt sich ein Akku mit geringerer Kapazität durch einen stärkeren austauschen, allerdings müssen hierfür einige Voraussetzungen erfüllt sein⁴:

• Die Spannung des neuen Akkus muss exakt mit der des E-Bike-System übereinstimmen, sonst drohen Schäden am Motor oder der Elektronik.

• Die Kapazität (etwa 500 Wh, 625 Wh, 750 Wh) hingegen darf größer sein, wodurch sich die Reichweite des E-Bikes erhöht, was meist gewünscht ist.

• Natürlich muss der neue Akku auch mechanisch zum Modell des E-Bikes passen (Größe, Anschlüsse, Halterung). Insbesondere bei integrierten Akkus, wie weiter unten beschrieben, ist das entscheidend. Viele Hersteller bieten zudem stärkere Akkus als offiziellen Ersatz für ihre E-Bike-Modelle.

• Bei manchen Akkus muss außerdem eventuell die Akku-Abdeckung und das Ladegerät getauscht werden.

• Manchmal ist überdies ein Software-Update oder eine Neukalibrierung notwendig.

• Letztendlich bleibt für den E-Biker die Überlegung, dass ein größerer Akku auch schwerer ist und somit die gesamte Fahrweise bzw. das Handling des E-Bikes beeinflussen kann.

Welche verschiedenen E-Bike-Akkus gibt es?

Diese Frage wurde im Grund schon im Zusammenhang mit den Komponenten eines E-Bike-Akkus beantwortet, da sie sich hauptsächlich durch ihre Bauart (Zellchemie) und der Position am Rad unterscheiden.

Zusätzlich zu Lithium-Ionen-(Li-Ion) Akkus, die heute vielfach noch Standard sind, werden auch Lithium-Polymer (Li-Po)-Zellen eingesetzt, die leichter und flexibler sind als die klassischen Lithium-Ionen-Zellen. Lange haltbar und sicher sind zudem Zellen aus Lithium-Eisenphosphat (LiFePO4). Sie sind jedoch vergleichsweise teurer und daher noch nicht weit verbreitet. Nickel-Metallhydrid-(NiMH) und Nickel-Cadmium-(NiCd) Zellen gelten indes aufgrund ihrer geringeren Leistungsdichte und potenziellen Umweltbelastung als veraltet und sind daher bei neuen E-Bikes nicht mehr zu finden.

Definition

Was ist ein Lithium-Ionen-Akku?

Ein weiteres Unterscheidungskriterium ist, wie schon erwähnt, die Position des Akkus am E-Bike, also auf dem Gepäckträger, am Unterrohr oder am Sattelrohr. Letztgenannte sorgen für eine bessere Gewichtsverteilung und sind de facto Standard bei Trekking- und Sport-E-Bikes. Hinzu kommen sogenannte Intube- oder Powertube-Akkus, die im Rahmen integriert sind und neben der optimalen Gewichtsverteilung dem Rad auch ein sportliches Design verleihen. Dual-Battery-Systeme mit gleich zwei Akkus sorgen schließlich für noch höhere Reichweiten oder versorgen etwa schwerere Lastenräder mit Energie.⁵

Was ist beim Laden von E-Bike-Akkus zu beachten?

Das Laden von E-Bike-Akkus sollte mit der gleichen Sorgfalt erfolgen, wie das Laden anderer Akkus für elektrische Geräte:

• Neben der Verwendung des Original-Ladegerätes sollte ein E-Bike-Akku bei „Raumtemperatur“, also zwischen 15 und 20 °C, geladen werden.

• Der Akku sollte sich hierbei immer auf einer feuerfesten Unterlage und möglichst fern von irgendwelchen brennbaren bzw. entzündlichen Materialien befinden.

• Idealerweise ist ein Akku nur so lange mit einem Ladegerät verbunden wie nötig und sollte danach vom Strom genommen werden.

• Der Ladestand eines Akkus sollte möglichst in einem Bereich von 20 Prozent bis 80 Prozent gehalten werden. Eine Vollladung oder eine Tiefentladung (komplettes Entladen) sind somit zu vermeiden.

• Wird der Akku für längere Zeit nicht benötigt, zum Beispiel mehrere Monate, sollte er geladen werden, um eine Tiefenentladung zu verhindern.

Natürlich gibt es noch weitere Sicherheitshinweise im Zusammenhang mit dem Laden von Akkus, zum Beispiel diese während das Ladens nicht unbeaufsichtigt zu lassen. Aber ob das in der Praxis wirklich berücksichtigt wird, ist vermutlich fraglich.⁶

Was ist bei der Lagerung von E-Bike-Akkus zu beachten?

• Bei einer längeren Lagerung sollte ein Akku nicht vollständig geladen oder entladen sein und sich nicht mehr am Rad befinden. Vielmehr wird ein Ladestand zwischen 30 Prozent und 60 Prozent (idealerweise 50 Prozent) empfohlen.

• Akkus sollten weder schwitzen noch frieren: Die Raumtemperatur für die Lagerung eines Akkus sollte daher zwischen 10 °C und 15 °C liegen. Temperaturen unter 0 °C oder über 40 °C sind stattdessen unbedingt zu vermeiden. Demzufolge ist ein kühler, trockner und vor direkter Sonneneinstrahlung sowie Feuchtigkeit geschützter Bereich ideal für die Lagerung.

• Vor diesem Hintergrund bietet ein feuerfester Behälter am richtigen Ort maximale Sicherheit.

Auch wenn ein Akku für längere Zeit nicht genutzt wird, benötigt er hin und wieder Aufmerksamkeit. Daher wird empfohlen, den Ladestand alle paar Monate zu kontrollieren und den Akku gegebenenfalls nachzuladen, um eine Tiefenentladung zu vermeiden.⁷

Quellen:

¹Liofit, Liofit, Tritek, Fahrrad.de, radfahren.de

²Umweltbundesamt, Liofit, e-motion e-Bike Welt Wedel, Akkvita, Lucky Bike

³upway, Fahrrad.de, ADAC, Radszene.de

⁴Fiido, Liofit, Fischer, batterie24.de, Bike House 24, akkushop.de

⁵Gazelle, Radonline.de, Battery Empire Blog, Fahrrad XXL, ADAC, Ampler

⁶eBikeFest.at, TÜV Süd, Radfahren.de, Lion Care

⁷autobatterienbilliger.de, Zarges, Kalkhoff, Lion Care, Transoplast

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