Warum fragen wir uns überhaupt, wie ein E-Bike funktioniert?
Wie funktioniert ein E-Bike? Diese Frage hatte ich mir schon öfter gestellt. Und zwar aus eigener Erfahrung:
Kennst du das? Du radelst gerade zur Schule, vielleicht auch zu Freunden oder zum Training. Häuser und Gärten ziehen an dir vorbei. Und plötzlich ist da dieser Typ neben dir. Egal, wie fest du in die Pedale trittst – innerhalb weniger Sekunden hat er dich überholt. Einfach so. Dabei scheint er nicht mal zu schwitzen. Wie ist das möglich?
Bei genauerem Blick auf sein Fahrrad fällt dir etwas auf. Das Unterrohr ist schon ein bisschen groß geraten. Vielleicht entdeckst du auch ein längliches Objekt am Gepäckträger. Und dieses leise Brummen, das dir noch im Ohr klingt … Da fällt es dir wie Schuppen von den Augen: Dieser Typ vor dir sitzt auf einem E-Bike. Es liegt also nicht an dir, dass du ihn nicht einholst. Es liegt vielmehr an einem Akku, der das Rad mit elektrischer Energie versorgt. Und unserem Herrn auf der Überholspur so schweißfrei zu rasantem Tempo verhilft.
Also: Wie funktioniert ein E-Bike? Wir kommen der Sache näher ...
Halten wir es fest: Das Herzstück eines E-Bikes ist also ein Akku. Er speichert den Strom, der den Elektromotor in Gang setzt. Aber wie funktioniert das?
Allgemein sind Akkus wiederaufladbare elektrochemische Zellen, die elektrische Energie als chemische Energie speichern. Im E-Bike-Akku, den unser Schnellfahrer mit im Gepäck hat, befinden sich mehrere solch aufladbare, einzelne Akkuzellen. Genau genommen sind es Lithium-Ionen-Zellen: Die haben eine höhere Energiedichte als andere Akkuzellen und damit auch ein größeres Speichervermögen.
... und näher: Die Akkuzelle eines E-Bikes von innen
Zoomen wir ein bisschen näher ran und sehen uns das Innere einer solchen Zelle an. Außen ist da eine Kunststoffummantelung, die eine lithiumstabile Elektrolytlösung umschließt. Als elektrisch leitendes Medium ist der Elektrolyt ein wesentlicher Bestandteil der Akkuzelle. Er muss sehr rein und wasserfrei sein – nur so kann das Laden und Entladen des E-Bike-Akkus reibungslos funktionieren. Grundsätzlich gilt: je reiner der Elektrolyt, desto besser die Akkuleistung.
Doch was bewegt sich überhaupt in der Elektrolytlösung hin und her? Hier kommen die Lithium-Ionen ins Spiel. Sie sind die Ladungsträger in der Batterie, die das E-Bike mit Strom versorgt. Als solche wandern sie zwischen den beiden Elektroden hin und her.
Diese Elektroden heißen Kathode und Anode: Die Kathode ist unser Pluspol, die Anode der Minuspol. Die Kathode besteht aus Lithium-Metalloxid, während die Anode aus Graphit besteht. Ein Separator in der Elektrolytlösung dient als trennende Barriere und verhindert so einen Kurzschluss – nur die Li-Ionen lässt er vorbei.
Ladung und Entladung: Ionen gehen auf Wanderschaft
Vor seinem rekordverdächtigen Überholgang musste unser Freund auf dem E-Bike seinen Akku wohl aufladen. Bei diesem Vorgang wird von außen Spannung an die Batterie gelegt. Dadurch entsteht in der Anode – dem Minuspol der Zelle – ein Überschuss an negativ geladenen Elektronen. Der Kathode hingegen werden Elektronen entzogen. Das Lithium am Pluspol – also an der Kathode – gibt dafür Elektronen ab. So wird es zu einem positiv geladenen Ion.
Denken wir nun an den Separator zurück. Er vermeidet, dass sich die Elektroden zu nahe kommen – Lithium-Ionen hält er aber nicht auf. Diese wandern nun hinüber zur Anode. Wir erinnern uns: Hier, am Minuspol unserer E-Bike-Akkuzelle, besteht ein Elektronenüberschuss. Die Li-Ionen verbinden sich mit einem dieser überschüssigen Elektronen und werden wieder zu neutralen Teilchen. So lagern sie sich im Graphit ein, aus der die Anode besteht – die Batterie ist geladen.
So funktioniert also ein E-Bike: Wenn sich unser E-Bike-Fahrer nun der elektrischen Unterstützung bedient, wird der Akku nach und nach entladen. Bei diesem Vorgang kehrt sich der Prozess um: Die Ionen wandern von der Anode zurück zur Kathode. Dort bleiben sie auch – bis der E-Bike-Akku wieder aufgeladen wird.
Ein bisschen Kraft muss sein: So springt der E-Bike-Motor an
Gleich vorweg: Das, was wir hier E-Bike nennen, ist in den meisten Fällen eigentlich ein Pedelec. Dieser Name kommt vom englischen Begriff Pedal Electric Cycle. Ein Pedelec ist der Fachbegriff für ein elektrisch betriebenes Fahrrad, das nicht von allein fährt: Ein bisschen muss unser Überholmeister schon in die Pedale treten, damit der Motor anspringt. (Hm, das heißt jetzt wohl, dass die Frage: Wie funktioniert ein E-Bike? eigentlich anders hätte lauten müssen …)
Registriert wird die Pedalbewegung über einen Sensor, der den E-Bike-Motor zusätzlich einschaltet. Das kann ein Drehsensor sein: Er misst die Trittfrequenz – die Motorunterstützung ist unabhängig davon, wie stark der Fahrer ins Pedal tritt. Ein Drehmomentsensor wiederum misst die Pedalkraft. So wird die tatsächlich eingesetzte Muskelkraft verstärkt – und die Energie sparsamer eingesetzt.
Bei den meisten Pedelecs kann die Unterstützung natürlich auch vom Fahrer selbst eingestellt werden – etwa über ein Display. Und bei „richtigen“ E-Bikes muss er sich dafür nicht mal ein kleines bisschen anstrengen: Der Motor lässt sich einfach per Gasgriff zuschalten. Unabhängig davon, ob eifrig in die Pedale getreten wird oder nicht.
Ganz so kompliziert muss es bei einem Elektromotor nicht immer sein: Hier erfährst du, wie du dir selbst den einfachsten Elektromotor der Welt bauen kannst!
Wie ein E-Bike funktioniert, weiss bestimmt nicht jeder – aber jetzt weisst es du!
Ob der Typ, der da an dir vorbeigezischt ist, wohl weiß, woher er sein Tempo tatsächlich bekommt? Wahrscheinlich nicht. Aber du weißt dafür jetzt sehr genau, wie ein E-Bike funktioniert. Und dass ein Überholversuch mit reiner Muskelkraft wohl anders ausgegangen wäre.
Quellenverzeichnis
Gerike, Regine. „Technologie von Elektrofahrrädern“. Forschungs-Informations-System, 27. Juni 2011, www.forschungsinformationssystem.de/servlet/is/355129/. Abgerufen am 14. Okt. 2020.
Spieler, Florian & Kilian Hackl. „Der Lithium-Ionen-Akku“ – Vortrag im Rahmen der „Übungen im Vortragen mit Demonstrationen – AC“. Didaktik der Chemie/Universität Bayreuth, 13. Juli 2018, Abgerufen am 14. Okt. 2020.
Titelbild-Credits: Technology photo created by azerbaijan_stockers – www.freepik.com; Bild-Credits Akkuzelle eines E-Bikes: Universität Bayreuth – Didaktik der Chemie.
