E-Bike-Batterie: (fast) alles, was Sie wissen müssen!

E-Bike-Batterie: ein unverzichtbares und teures Bauteil

Die Batterie ist nach wie vor das teuerste Element des E-Bikes. Wegen der Anschaffungskosten investiert der E-Bike-Fahrer eventuell in eine Batterie mit begrenzter Kapazität und kämpft anschließend mit der Reichweite. Man muss treten, vorausschauen, möglichst wenig bremsen und die Batterie nicht zu stark beanspruchen, um sicher am Ziel anzukommen. Meistens ist kein Wattmeter installiert und der Fahrer ist blind für die Informationen, die eine Verwaltung der an Bord vorhandenen Energie ermöglichen würden.

Wie auch immer, das Ziel ist eine dauerhafte Investition statt einer Ausgabe für ein zu begrenztes System: In den folgenden Zeilen finden sich einige Denkanstöße, wobei es sich um allgemeine Hinweise handelt.

Seltene Erden: China ist unvermeidlich

Heute ist die Produktion von Seltenen Erden – Gewinnung und Raffinerie – zu 90% chinesisch (mehr dazu auf Wikipedia). Diese Tätigkeit ist besonders schädlich für die Umwelt, und China scheint sich vorerst damit zu arrangieren: Ein Markt mit 20% Wachstum pro Jahr und 120 Milliarden Dollar lässt sich nicht ausschlagen. Mit diesen Seltenen Erden produzieren chinesische Unternehmen oder Joint-Ventures (Sanyo, Panasonic usw.) Zellen für Smartphones, Laptops, Rollstühle, Elektroautos und -motorräder, ganz zu schweigen von E-Bikes. Der Markt ist strategisch so wichtig, dass er zum Element der chinesischen Außenpolitik geworden ist: Japan wurde bereits mit einem Embargo bedroht!

Von der Seltenen Erde zur Zelle

Eine Batterie besteht aus Zellen. Durch die Reihen- und Parallelschaltung der Zellen erhält man die gewünschte Spannung. Auf die Chemie kommen wir später zurück; merken Sie nur:

• bei Li-Ion- und LiPo-Technologie hat jede Zelle eine Nennspannung von 3,7V und die Maximalspannung beträgt 4,2V. Eine 48V-Batterie besteht im Allgemeinen aus 13 Zellen; geladen beträgt die Maximalspannung 13*4,2V also 54,6V
• bei LiFePO4-Technologie hat jede Zelle eine Nennspannung von 3,2V und die Maximalspannung beträgt 3,65V. Eine 48V-Batterie besteht im Allgemeinen aus 16 Zellen und wenn die Batterie geladen ist, beträgt die Maximalspannung 16*3,65V also 58,4V

Die Reihenschaltung der Zellen wird mit dem Buchstaben S gekennzeichnet. Bei der 10Ah-Batterie aus 13 Zellen spricht man von einer 13S1P, das „1P“ steht für 1 parallel. Bei unserer 20Ah-Batterie mit zwei Gruppen von 13 Zellen spricht man von 13S2P: zweimal dreizehn Zellen.

Battery Management System (BMS)

Die Zellen, aus denen die Batterie besteht, sind sehr empfindlich: bestimmte Regeln müssen unbedingt eingehalten werden: die Maximalspannung von 4,2V nicht überschreiten, nicht unter die Minimalspannung gehen. Dazu verwaltet eine Elektronikkarte:

• die obere und untere Abschaltung,
• die Entlade- und Ladestromstärke
• die Ausgleichsparameter der Zellen
• manchmal die Temperatur sowie andere Parameter

Die Zellen und das BMS bestimmen die Ausgangskapazität: Eine Batterie, die 20Ah liefert und eine Kapazität von 20Ah hat, liefert 1C. Wenn die Batterie 40Ah liefern kann, dann hat sie eine Kapazität von 2C: Die Stromentnahmen sind stärker, aber die Zeit, während der der Strom geliefert wird, halbiert sich. Das BMS ist auf die Ausgangskapazität dimensioniert.

Was die Kapazität betrifft, ist es wichtig, die Übereinstimmung zwischen der (vom Controller) angeforderten Leistung und der Batteriekapazität zu verstehen. Wenn Ihr Controller für 28Ah ausgelegt ist und Ihre 15Ah-Batterie nur 20Ah liefern kann, dann ist Ihre Konfiguration nicht korrekt.

Das BMS definiert zusammen mit den Zellen die Entladerate. Zum Beispiel:

• Maximal Continuous Discharge C-Rate: 30Amps / bedeutet, dass die Batterie 30 Ampere dauerhaft liefern kann
• Maximal Discharge Current: 60Amps / bedeutet, dass die Batterie einige Sekunden lang 60 Ampere liefern kann

Die Chemie

Eine Batterie besteht aus mehreren identischen Zellen. Bleibatterien werden für Fahrräder nicht mehr verwendet (außer Lockangeboten, die unbedingt abzuraten sind) und heute sind drei Technologien vorhanden, die jedoch nicht immer leicht zu identifizieren sind: Europa und China verwenden nicht die gleiche Terminologie!

• In China werden LiMnO4 und Li-NiCoMnO2 „Li-ion“ genannt.
• In Europa unterscheidet man:
  • – Li-Ion für Li+-Ionen und einen flüssigen Elektrolyten in einer festen Hülle,
  • – Li-Po für einen festen Polymer, der eine leicht erkennbare weiche Hülle ermöglicht
  • – LiFePO4: Lithium-Eisen-Phosphat

Achtung: Die ersten beiden Technologien haben Zellen mit max. 4,2V und die dritte 3,65V: Verwenden Sie daher niemals ein Ladegerät, das für eine Technologie bestimmt ist, für eine andere Technologie. Zum Beispiel lädt bei 48V das Li-PO auf 54,6V und das LiFePO4 auf 58,6V!

Anzahl der Zyklen

Vergleich der Chemien

• Der Richtpreis gilt für eine in China gekaufte Batterie, ohne Transport und Einfuhrsteuer. Für einen Preis bis an Ihre Haustür rechnen Sie mit dem Faktor 1,5!

** Der Gewichtsprozentsatz ist recht unterschiedlich, von 7 bis 8kg für eine 20Ah, aber je nach Batterie kann man bei einer 48V 20Ah in LiFePO4 auf 10 oder 11kg kommen

*** Eine Batterie mit höherer Spannung ermöglicht schnelleres Fahren. Empirisch 48V = 48km/h, aber das hängt von der Motorwicklung ab!

Einige Kommentare:

• der Anfangspreis spricht für Li-Ion, aber die Betriebskosten sprechen für LiFePO4. Eine empirische Berechnung (15000km für eine 20Ah in Li-Ion bei 450€ und 30000km für eine LiFePO4 bei 500€) ergibt Betriebskosten von 3€ pro 100km für die erste und 1,67 für die zweite.
• die Energiedichte spricht für Li-Ion, das heißt, die Li-Ion wiegt weniger, was je nach Anwendung entscheidend sein kann

Reichweite und Hinweise zur Kapazität

Da die Batterie teuer ist, rechnet man lieber knapp. Das ist ein Fehler, denn:

• eine Batterie sollte nie mehr als 80% ihrer Kapazität entladen werden, um ihre Zyklenzahl zu erhalten
• bei 0° verbraucht man 30% mehr (weil der Innenwiderstand zunimmt)
• wenn der Wind weht, explodiert der Verbrauch

Das bedeutet: Wenn Sie glauben, dass eine 10Ah-Batterie für Ihre Strecke ausreicht, wird eine 15Ah-Batterie empfohlen.

Wie oben erwähnt: Passen Sie Controller und Batterie an: Ein 20A-Controller passt perfekt zu einer Batterie, die dauerhaft 20A oder mehr liefert.

Zahlen aus der Praxis finden Sie im Abschnitt „In der Praxis“ unten.

Entladung, Aufladung, Wartung, Lagerung

Die folgenden Punkte sind Tipps zur richtigen Pflege der Batterie:

• Zu Beginn der Mobiltelefone und ihrer NiCd-Batterien lautete der Rat wegen des Memory-Effekts dieser Chemie, vollständig zu entladen und „voll“ aufzuladen, um den Memory-Effekt zu brechen. Diese Idee ist im kollektiven Gedächtnis geblieben, und manche (unwissende) wollen sie auf die Li-Ion- oder LiFePO4-Chemie der heutigen Fahrradbatterien anwenden: Das ist ein schrecklicher und destruktiver Fehler, man muss tiefe Entladungen vermeiden
• Wenn Ihre Batterie vom Typ Li-Ion ist, beachten Sie, dass jede Zelle nicht unter 3,2V fallen darf: Bei einer Batterie aus 13 Zellen sollten Sie nicht unter 41,6V gehen, auch wenn Ihr BMS oder der Controller niedrigere Abschaltungen haben
• Zusätzlich zum vorherigen Punkt: Das BMS ist eine elektronische Schaltung, die für den Betrieb die Energie der Batterie nutzt, und die Zellen neigen zur Selbstentladung: Laden Sie Ihre Batterie so oft wie möglich auf
• es gibt keine Möglichkeit, seine Batterie zu warten (man kann nicht den „Ölfilter wechseln“ oder den „Druck erneuern“), außer die Zellen zu respektieren: hohe und niedrige Spannungen, keine tiefen Entladungen. Da die Zellen jedoch zur Selbstentladung neigen, können Sie die Batterie mindestens einmal im Monat aufladen
• und schließlich zur Lagerung: Die Selbstentladung ist bei niedrigen Temperaturen geringer: Lagern Sie sie, wenn möglich, an einem kühlen Ort!

In der Praxis

• eine 48V 20Ah LiIon-Batterie
• Motor Nine Continent 9×7
• etwa 70km pro Arbeitstag über ein Jahr, etwa 400 Ladezyklen (alle 35km). Kapazitätsverlust nach 400 Zyklen: etwa 20% (noch 16Ah übrig)
• das Fahrrad wird „im Rollermodus“ verwendet, das heißt ohne jemals zu treten

Unten die monatlichen Kilometer über ein Jahr (GPS-Messung, Aufzeichnung in RunKeeper):

Auf der Strecke:

• Durchschnittsgeschwindigkeit mit dem Auto = 44km/h
• Durchschnittsgeschwindigkeit mit dem E-Bike = 42km/h

Einige Bemerkungen:

• Kälte erhöht den Innenwiderstand der Batterie: Im Winter bei Temperaturen um 0° ist der Verbrauch 30% höher als bei 25°
• Reichweite 55km mit einer 48V-20Ah-Batterie und dem RH205 9×7 bei 25° ohne Wind, 24Ah-Controller, flache Strecke und ohne Treten bei einem Schnitt über 40km/h
• Reichweite 41km mit einer 48V 15Ah und dem Motor RH205 9×7 bei 25° ohne Wind, 24Ah-Controller, flache Strecke und ohne Treten bei einem Schnitt über 40km/h
• bei verringerter Geschwindigkeit sinkt der Verbrauch stark. Mit der 20Ah-Batterie bei 30km/h kann man mit 80km Reichweite rechnen

Einige Zahlen aus realen Fahrten (Motor RH205 9×7, 48V-20Ah-Batterie, 24A-Controller):

• 38 km bei einem Schnitt von 41km/h, Gegenwind 10km/h, Höchstgeschwindigkeit 48km/h, Verbrauch 12A
• Höchstgeschwindigkeit 55,4km/h bei Rückenwind von 30km/h
• 36km bei einem Schnitt von 43,7km/h
• 72km mit einer Ladung, 35km „im Rollermodus“ mit Höchstgeschwindigkeit, der Rest mit leichtem Treten

Modellbau-Batterien?

Auf den ersten Blick können Modellbau-Batterien eine verlockende Alternative sein: Die Kosten sind begrenzt, und man kann glauben, die Wartung selbst durch Spielen mit den Packs durchführen zu können. Man kann zum Beispiel zwei 24V-8Ah-LiPos zu einem kostengünstigen 48V-Pack zusammenbauen.

In Wirklichkeit ist der einzige Vorteil der vermeintliche Kostenvorteil, aber die Realität gleicht einem Trugbild:

• das Zusammenbauen eines Batteriepacks hat einen ersten Nachteil: die Qualität der erhaltenen Einheiten. Es kommt nämlich oft vor, dass:
  • in einer Charge von Batterien, die man zusammenbauen möchte, eines der Packs schlecht ist (eine defekte Primärzelle) und das ganze Pack schlecht ist (zum Beispiel Hobby King 24V 8000mAh…)
  • die angegebene Kapazität weit davon entfernt ist (Beispiel WinForce, man braucht sechs 5000mAh, um die gleiche Leistung wie zwei 8000mAh Hobby King zu haben)
• das selbst zusammengebaute Pack hat kein BMS. Man kann das Pack also leicht über die Grenze hinaus entladen. Das ist mit einer Batterie mit integriertem BMS unmöglich. Man kann das Problem lösen, indem man ein BMS baut oder kauft…
• die Überwachung jeder Zelle erfolgt über einen LiPo-Pfeifer… Oder nicht! Das heißt, wieder Anschlüsse herzustellen, und vor allem nicht vergessen, den Pfeifer abzuziehen, der die Batterie entladen wird
• das Laden ist mühsam: Man kann entweder jede Batterie einzeln laden (ideal: nachts aufstehen, wenn eine Batterie fertig ist, um die andere zu laden) oder Kabelmassen kaufen und alles parallel laden. Vermeiden Sie, das alles im Büro zu laden, das fällt auf!
• Man muss ein spezielles und hochwertiges Ladegerät kaufen, was nicht billig ist
• Zusätzlich zum Ladegerät muss man ein Netzteil für das Ladegerät kaufen

Fazit: Eigene Batterien zusammenzubauen ist möglich, aber in puncto Kosten ist es nicht zwingend ein Gewinn. Außerdem braucht es Zeit, Geduld und Versuche, bis man eine dauerhafte Lösung hat. Ganz zu schweigen davon, dass das ganze Kabel und die Kästen (Ladegerät, Netzteil, Platine zum parallelen Laden, Batterien) kaum unbemerkt bleiben: Es ist sehr schwierig, unauffällig im Büro zu laden.