Fahrradbewegung

 


Wer mit einem Fahrrad unterwegs ist, erlebt die folgenden Situationen:

1. Fahren aus dem Stand

Hier braucht man ein großes Drehmoment, viel größer als das Drehmoment, das ein  250-Watt-Fahrrad-Nabenmotor (ungefähr 0,34 PS: die Aufgabe entspricht einem Auto mit 900 kg und 3,4 PS, ohne Getriebe) überwältigen kann. Eine (gute) Elektronik begrenzt den Motorstrom beim Versuch aus dem Stand zu fahren um den Motor gegen Überlast zu schützen oder schaltet den Motorstrom ab, egal ob der Motor mit Hall-Sensoren versehen ist oder nicht. Deshalb muss der Radfahrer (der im passenden Gang ein viel stärkeres Drehmoment erzeugen kann) in einem kurzen Gang das Fahrrad in Bewegung setzen und erst dann darf die Elektronik den Motor mit Strom versorgen. Die Elektronik überwacht bei den meisten Elektrofahrrädern die Fahrradgeschwindigkeit und gibt die Freigabe für den Motorstrom erst wenn sich das Fahrrad bewegt oder begrenzt sehr stark die Motorbelastung (beispielsweise durch eine sogenannte Anfahrhilfe).

 

2. Beschleunigen bis zur gewünschten Geschwindigkeit

 

Man braucht wieder viel Drehmoment, jedoch weniger als für (1.).

Der Mensch kann im richtigen Gang- wie bereits festgestellt - viel stärker sein als ein 250 Watt-Motor sein und deshalb sollte er weiterhin die Aufgabe in einem passenden Scaltgang erledigen, mit dem Motor als Unterstützer. Man lebt so gesund und man verbraucht wenig Strom.

Macht man das nicht und man belastet stark den Motor durch eine sehr hohe Unterstützungsstufe oder mit viel “Gas”, so hat man einen sehr hohen Stromverbrauch aus dem Akku bei gleichzeitigem sehr schlechtem Wirkungsgrad. In einem konkretem Beispiel nehmen wir an, dass der Fahrradmotor bei einer Geschwindigkeit von 4-5 kmh 22 Ampere verbraucht (typisch für einen Q100 mit einem Controller KU63 für max. 14 Ampere Akkustrom, mit “Vollgas”) und der Widerstand der Motorwicklung+Akku+Leitungen+Kontakte 0,8 Ohm beträgt: in diesem Falle haben wir im kompletten Antriebssystem thermische Verluste von 387 Watt während aus dem 36Volt-Akku nominal  504 Watt verbraucht werden. Der Fahrradfahrer weisst nicht wie er das Gas für einen guten Wirkungsgrad  betätigen müsste und deswegen ist hier eine Elektronik gefragt, die den Prozess automatisch steuert.

 

3. Fahren mit konstanter Geschwindigkeit

 

Mit konstanter Geschwindigkeit braucht man in Ebene ziemlich wenig Drehmoment; bis ungefähr 15 kmh ist das notwendige Drehmoment konstant, dann steigt mit der zweiten Potenz der Geschwindigkeit (wegen des Luftwiderstandes). Die meiste Zeit des Radfahrens wird eine konstante Geschwindigkeit gefahren und es ist leicht mit entsprechend entwickelter Elektronik das notwendige Drehmoment (sprich Motorstrom) zu bestimmen, ohne die Kraft am Pedal messen zu müssen da bei konstanter Geschwindigkeit die notwendige elektrische Unterstützung auch theoretisch oder durch Tests ermittelbar ist.

 

4. Bergab fahren

 

Hier braucht man meistens keine elektrische Unterstützung mehr. Oder man will sogar die Geschwindigkeit drosseln, also Bremsen ist angesagt. Das erscheint als eine gute Gelegenheit, den Fahrradmotor als Generator zu verwenden um die erzeugte elektrische Energie in Akku zu laden um damit die Reichweite zu erhöhen. Die Praxis erwiest sich aber schwirieg:

  • nur die Motoren ohne Freilauf kommen in Frage (wie beispielsweise Bionx)

  • die Elektronik wird viel komplizierter und folglich störungsanfälliger (“Nur eine einfache Lösung ist eine perfekte Lösung” erkannte angeblich bereits Da Vinci)

  • die zur Verfügung stehende Energie ist sehr hoch und zwar so hoch, dass die Elektronik und der Akku nicht den ganzen möglichen Strom übernehmen können. Es wird von Reichweiten-Steigerung von 10-15% gesprochen und einige kg mehr Gewicht.

     

     

    Der Radfahrer muss Gänge schalten aber auch an seinem Gasgriff oder Display immer wieder etwas neu einstellen um den vier Situationen Herr zu werden; einfacher wird es mit meiner patentierten Automatik “AFFE”, die auch ohne Gasgriff oder Display zu Recht kommt..

 

 

 

Die üblichen Steuerungen für Elektrofahrräder

 

1.

 

Eine der einfachsten Steuerungen ist die Steuerung mit einem Gasgeber (in Reihenfolge der 

Bedienungsfreundlichkeit: Daumengashebel,  Halbdrehgriff, Drehgriff), in Deutschland aber auf 

öffentlichen Wegen nicht erlaubt (auf Anfrage kann man den Controller  gegen Aufpreis mit einer Freischaltung 

über den Tretkurbelsensor - oft PAS-Sensor genannt - umrüsten). Oder Sie verwenden meine Kadenzsteuerung

mit Gasfreigabe, erhältlich im Shop für 39 €.

 

 Der Radfahrer kann die Unterstützung ständig dosieren, genau so wie er will; keine Elektronik – egal 

 wie teuer – kann besser als der Mensch wissen, was er gerade will/braucht.

 

 Nachteile:

  

- irgendwan wird es langweilig und sogar anstrengend, den Daumen oder die Hand lange Zeit in einer vorgegebenen Position zu 

  halten. Eine Lösung ist die Tempomat-Funktion vielen Controllern, die aberBremssensoren absolut notwendig macht

- der Stromverbrauch gerät außer Kontrolle.

 

 Minimalste Elektronik:

- Controller und Gasgriff oder

- Controller, Gasgriff, die Freischaltung des Gasgriffes (in Shop) über PAS-Sensor und PAS-Sensor V7.

 

Funktionsweise: mit dem Gasgriff am Lenker wird eine Sollgeschwindigkeit eingestellt und der Motor wird mit der 

                              entsprechenden Spannung versorgt.(0 - bis  100% der Akkuspannung). Die Sollgeschwindigkeit ist dem 

                              Fahrradfahrer nicht bekannt und er stellt die Geschwindigkeit nach Gefühl ein, bis die gespürte Unterstützung

                              ihm passt.

Man fährt viel angenehmer mit einem Controller mit Tempomat-Funktion, wobei die üblichen illegal sind (Unterstützung aktiv wenn nicht mitgetreten wird.

Beschreibung Controller GüP:

In meinem Shop finden Sie den von mir entwickelte Controller GuP mit 2 Modis, der entweder mit Gas funktioniert oder mit Gas UND PAS-Sensor UND Tempomat-Funktion. Im zweiten Fall ist die Tempomat-Funktion aktiv nur wenn die Kurbel nach vorne dreht; steht die Kurbel, so schaltet die Unterstützung ab. 

- nominal 36 oder 48  Volt und max. 12 oder 15 Ampere Akkustrom, Akkukapazität (in Ah) spielt dabei keine Rolle.

- Maßen ohne Kabel: ca 30x50x100 mm.

 

Das Tolle daran: 

1. Tempomatfreigabe über PAS-Sensor!  

2. Abschaltung in ca 1 Sekunde wenn Sie mit dem Treten aufhören!

 

Entwickelt für: 

1. Betrieb mit Gasgriff, der IMMER unabhängig vom Tretkurbelbewegung funktioniert (legal nur in Österreich) oder:

2. Betrieb mit Gasgriff, der nur bei Tretkurbelbewegung funktioniert (statt eine Schaltung für Gasfreigabe über PAS-Sensor zu kaufen und anzuschliessen: einfach die zwei gelben  

   Kabel zusammenschliessen :-)) und weiter gilt:

 

- ohne Betätigung des Gasgriffs gibt es keine Unterstützung

- mit Gasgriff kann man beschleunigen und

- beim erreichen der gewünschten Geschwindigkeit tippe ich kurz den Taster und dann kann ich den Gasgriff freilassen: das fahrrad versucht diese Geschwindigkeit zu halten bis die Kurbel stehen bleibt.

 

Neu: der Betrieb mit Tempomatfunktion ist möglich für beide Varianten 1 und 2, wobei im Falle der Variante 2 die Tempomatfunktion automatisch abschaltet wenn die Kurbelbewegung gestoppt wird!

 

Beispiel Tempomatfunktion:

- ich fahre 24 kmh im "längsten" Gang, ebene Straße, Gesamtgewicht 90 kg, Kurbeldrehzahl 50 rpm; man braucht eine Leistung von ca 160 Watt, wovon ich selber 80 Watt erzeuge und der Motor 80 Watt (von max möglichen 250 Watt)

- kommt eine Steigung von 8 % 

- ich schalte nicht runter, drücke das Pedal mit der gleichen Kraft wie in Ebene und das Fahrrad wird natürlich langsamer: folglich reduziert 

  sich meine Leistung aber steigt die Leistung des Motors, da der Controller versucht die Geschwindigkeit von 24 kmh zu halten und gibt 

  mehr Strom

- der Motor erreicht irgendwann seine max. Leistung von 250 Watt und Soll- und Istleistung des Systems werden gleich bei ca 12 kmh; das 

  heißt, ich fahre jetzt noch bequemer als bei 24 kmh (da ich nur 40 Watt erzeugen muss), 

  der Motor gibt ab alles was er kann und ich samt Fahrrad klettere mühelos die 8% Straße hoch

- würde ich runterschalten um beispielsweise die Fahrradübersetzung zu halbieren, dann erzeuge ich bei gleicher Kraft am Pedal wieder 

  ca 80 Watt und ich bewege mich hoch mit ca 14 kmh statt 12 kmh

- schalte ich runter bis die Kurbel ca 100 statt 50 rpm erreicht, so erzeuge ich bei gleicher Kraft am Pedal 160 Watt und das Fahrrad fährt ca 

  17 kmh

- höre ich auf mit dem Treten, schaltet die Unterstützung ab.

 

2.

 

Die billigste Variante ist die Steuerung mit dem sogenannten PAS-Sensor statt Gasgeber.

Diese Steuerung wirkt aber frustrierend, man bekommt entweder zu viel oder zu wenig elektrische

Leistung, je nach Übersetzung des Fahrrades; diese Variante ist brauchbar nur für Radfahrer, die ständig

mit max. Geschwindigkeit fahren möchten. Wenn ein Controller mit Gaseingang und PAS-Sensor bereits vorhanden

sind, kann man sinnvoll meine Kadenzsteuerung mit Gasfreigabe verwenden, erhältlich im Shop für 39 € (eine sehr gut

gelungene Lösung, die alle Feinheiten berücksichtigt).

Besser: Steuerung mit PAS-Sensor UND 3 Leistungsstufen.

 Minimalste Elektronik:

 - Controller, PAS-Sensor, Bremssensor (falls die Reaktionszeit des Controllerslänger als 0,3 sek ist) und eventuell ein Schalter für         die 3 leistungstufen.

 

 Funktionsweise: die Sollgeschwindigkeit ist (im besten Fall) abhängig von der Kurbeldrehzahl und diese Lösung  

                             kann (mit viel Glück)  nur mit einem bestimmten Fahrrad funktionieren und hier nur in einem bestimmten 

                             Schaltgang. In Praxis ist das Problem etwas komplizierter (alles wurde bei der Entwicklung meiner 

                            Kadenzsteuerung mit Gasfreigabe berücksichtigt und umgesetzt). 

 

 3.

 

Etwas besser geht mit einem sg x-Stufen-Display (üblicherweise 3 oder 5 Geschwindigkeiten).

Man fährt angenehm nur mit festen Geschwindigkeiten, inzwischen wie Variante 2.

Man kann es wie ein Gasgriff mit bsp. drei festen Geschwindigkeiten vorstellen.

 

Minimalste Elektronik:

- Controller, s.g. "Display", PAS-Sensor und Bremssensor.

 

 ACHTUNG: man soll diese Steuerung nicht mit den Pedalkraft-Regelungen verwechseln, die echte Unterstützungsstufen  anbieten! Es geht um eine einfache Steuerung der Geschwindigkeit und nicht der Leistung. Sie wird jedoch irrtümlich als Steuerung mit "x Unterstützungsstufen" beschrieben, während sie lediglich eine Steuerung mit "x" Geschwindigkeitsstufen darstellt.

 

4.

 

Eine von mir im Jahre 2011 entwickelte Steuerung (k-Steuerung) ist angenehmer als Varianten 1 bis 3; die Bedienung 

     wurde vereinfacht, die Kabel auf einem Minimum reduziert, man reduziert den Energieverbrauch und schont  

     Akku, Motor und Controller.

 

     Vergleich für Stufe 1: mit Variante 3 können Sie ungefähr 12 kmh fahren (schneller hört die elektrische 

                                          Unterstützung auf, langsamer steigt schnell der Stromverbrauch)  mit Variante 4

                                          können Sie jede beliebige Geschwindigkeit fahren und Sie werden ständig mit einer

                                          Leistung unterstützt, die eine Funktion von Kurbeldrehzahl ist.

 

Mehr Infos unter "k-Steuerung" im Hauptmenü

Das ist eine viel bessere Lösung als Upgrade von bestehenden Pedelecs mit festen Geschwindigkeitsstufen.

    

Sie ( bzw. eine weiter entwickelte Kopie aus China) wird jetzt von Manchen irrtümlich als Steuerung für Drehmoment angeboten.

 

 

5.

 

AFFE - Automatik,

 

Ist die einzige Elektronik für Pedelecs auf dem Markt, die keine Einstellung während der Fahrt benötigt.

 

Das ist eine weitere, neue und von mir patentierte Steuerung. Sie  weist alle Vorteile der Variante 4 auf und zusätzlich kann auch mit einem Gasgriff verwendet werden (wie Variante 1.), der jedoch aktiv ist nur wenn die Kurbel nach vorne gedreht wird und ist derzeit die einzige Elektronik für Fahrräder, die kein Einstellen während der Fahrt benötigt. 

 

Weiterer Vorteil: laut EN 15194 (EU-Norm für Pedelecs) darf ein mit dieser Steuerung ausgestattetes Pedelec ohne Bremskontakte betrieben werden, da der Motorstrom innerhalb von max. zwei Metern nach dem Aufhören mit dem Pedalieren unterbrochen wird (die vorgeschriebenen max. zwei Meter entsprechen ca. 0,29 Sekunden, was nur ganz wenige Steuerungen schaffen).

Man steuert die Leistung des Motors über die Gangschaltung und Fahrradgeschwindigkeit (schneller Gang = wenig Drehmoment, Runterschalten => mehr Drehmoment, so wie das Fahrrad selbst funktioniert).

Der Schaltgang wird aus Fahrradgeschwindigkeit und Kurbeldrehzahl berechnet und weil die Fahrradgeschwindigkeit im Falle eines Nabenmotors proportional zur Motordrehzahl ist, kann in diesem Falle der Motor als Fahrradgeschwindigkeits-Sensor missbraucht werden. 

 

Im schnellsten Gang bekommt man - ohne etwas betätigen zu müssen - eine Unterstützung von elektrisch max. 100-120 Watt und bei jedem Runterschalten steigt auch das Drehmoment und implizit die Leistung (mechanische Leistung = Konstante * Drehmoment * Nabenmotordrehzahl), die die Elektronik dem Motor zur Verfügung stellt. Der Radfahrer braucht nichts zu tun, er fährt wie mit einem "normalen" Fahrrad und braucht nur die Gänge je nach Bedarf richtig zu schalten.

 

Grundsätzlich:

- jedem Schaltgang wird ein bestimmtes Drehmoment zugewiesen und dieses Drehmoment wird höher wenn die   

  Übersetzung kleiner wird (langsamer Gang)

- der Radfahrer wird animiert, richtig zu fahren: für  mehr Drehmoment am Antriebsrad (aus dem Stand  fahren,  

  bergauf, viel Gewicht) muss er runterschalten.

 

Aber wenn man keine Lust hat runterzuschalten oder man schnell Drehmoment zu Verfügung haben will (beispielsweise nach unerwartetem Bremsen), dann kann der Gasgriff betätigt werden um die Leistung stufenlos und innerhalb eines Sekundenbruchteils bis zu 100% abzufragen.

 

Eine Schiebehilfe ist auch vorhanden: wenn die Kurbel nicht gedreht wird, dann dient der Gasgriff der Leistungssteuerung im Schritttempo (der Gasgriff hat zwei Funktionen: Schiebehilfe oder Gasgriff, je nachdem die Kurbel gedreht wird oder nicht).

 

Weitere Einzelheiten finden Sie auf der Unterseite "AFFE-Automatik" 

 

Diese Steuerung wird nur zusammen mit einem Motor verkauft.

 

 

 

6.

 

Die teueren - patentrechtlich geschützten - Steuerungen/Regelungen der namhften Herstellern messen letztendlich die Kraft am Pedal und das Ergebniss dient als Ausgangsbasis für die Steuerung/Regelung der Motorleistung.  Der Anwender kann diese Leistung in mehreren Stufen einstellen. Hat man eine bestimmte Stufe und einen bestimmten Gang gewählt, steuert man dann die elektrische Leistung über die Kraft am Pedal und die Trittfrequenz.