Effiziente Light-E-Bikes: Gewicht runter, Fahrspass rauf

Viel Agilität auf technisch anspruchsvollen Trails? Ein E-Bike eine Treppe hinauftragen? Den Berg hinaufstossen? Oder in ein Auto verladen? Disziplinen, in denen herkömmliche E-Bikes nicht glänzen. Denn Motor und Akku machten ein E-Bike schnell 20 bis 30 Kilogramm schwer. Nun ist aber buchstäblich Bewegung in die Branche gekommen – wie maxon BIKEDRIVE AIR eindrücklich beweist. 

Eines der leichtesten Antriebssysteme für Light-E-Bikes

«Kleine, leichte und zuverlässige Elektromotoren sind die DNA unseres Unternehmens», sagt Thomas Steger. Ursprünglich aus der Fahrradbranche, erkannte der Produktmanager E-Bike von maxon vor einigen Jahren das Marktpotenzial leichter E-Bike-Motoren. So haben die Antriebsspezialisten aus der Schweiz, die sonst Antriebe für Mars-, Industrie- oder Operationsroboter bauen, den maxon BIKEDRIVE AIR entwickelt – eines der effizientesten und mit einem Systemgewicht von 3,5 Kilo ein sehr leichtes Antriebssystem für E-Bikes.

«Bei maxon definieren wir das Verhältnis zwischen abgegebener Motorleistung am Kettenblatt und bezogener Leistung aus der Batterie als Effizienz des Antriebssystems», erklärt Thomas Steger. «Wir sehen in Tests, dass der maxon BIKEDRIVE AIR sehr effizient arbeitet – es wird also bei gleicher abgegebener Leistung deutlich weniger Leistung aus der Batterie bezogen. Damit kann im Vergleich zu Mitbewerbern eine deutlich höhere Reichweite erzielt werden.»

Wirkungsgrad: Reichweite ist nicht nur eine Frage der Akku-Kapazität

Bei Effizienz steht die Frage im Fokus, wie der Antrieb einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielen kann. Auf dem Weg von der Batterie über die Elektronik und den Motor bis zum Ausgang des Getriebes entstehen prinzipbedingt Verluste. Oder anders formuliert: Die mechanische Abgangsleistung eines E-Bikes ist niedriger als die elektrische Leistung, die aus der Batterie bezogen wird.

Die dabei entstehende Verlustleistung wird überwiegend in Wärme umgesetzt. Dies kann dazu führen, dass ein Motor bei starker Belastung sein Abgabemoment herunterregeln muss und der Fahrer somit weniger Unterstützung bekommt. «Der maxon BIKEDRIVE AIR Antrieb wurde mit Hilfe modernster Simulationsmethoden so konzeptioniert, dass die physikalischen Verluste bestmöglich reduziert werden. Somit erzielen wir mit der kleinsten eingesetzten Energie die optimale Kombination aus Drehmoment und Reichweite», so Steger.

Im Labor getestet: Light-E-Bike-Motoren unter der Lupe

Im R&D- und Testlabor in der Schweiz unterzieht das maxon Entwicklungsteam die Motoren verschiedener E-Bike-Modelle regelmässigen Effizienztests. «Um den Wirkungsgrad des Antriebs zu messen, teilen wir die mechanische Ausgangsleistung durch die elektrische Eingangsleistung, und zwar an allen möglichen Betriebspunkten», erklärt Teamleiter René Waldvogel. «Letzteres ist wichtig, da es sich beim Wirkungsgrad um keine konstante Grösse handelt.»

So zeigen Tests mit Konkurrenzprodukten deutliche Unterschiede im Stromverbrauch. Um zum Beispiel bei 70 Umdrehungen pro Minute eine erwartete Ausgangsleistung von 250 Watt am Kettenblatt zu erzielen, muss der Antrieb von maxon BIKEDRIVE AIR rund 321 Watt leisten. Das Konkurrenzprodukt muss für dasselbe Ergebnis rund 100 Watt mehr aufwenden. Das ist verlorene Leistung, die sich dann bei der Fahrerin oder dem Fahrer als fehlende Reichweite bemerkbar macht.

Die Grafik oben zeigt den Stromverbrauch eines maxon BIKEDRIVE AIR Antriebs (rot) und eines Konkurrenzprodukts (grün) bei einer vorgegebenen mechanischen Ausgangsleistung (gelb): auf der x-Achse Umdrehungen pro Minute, auf der y-Achse die Leistung in Watt.

Zur Darstellung der technischen Effizienz erstellen die Entwickler sogenannte Wirkungsgradkarten. «Dabei variieren wir jeweils zwei Einflussgrössen und halten die anderen möglichst konstant», so René Waldvogel. Die untenstehende Grafik zeigt ein Beispiel einer solchen Wirkungsgradkarte. Dabei handelt es sich um einen Antrieb bei Raumtemperatur und konstanter Eingangsspeisung, bei dem das Drehmoment und die Drehzahl variiert worden sind.

Die Grafik oben zeigt eine Wirkungsgradkarte eines maxon BIKEDRIVE AIR Antriebs bei konstanter Raumtemperatur und maximaler Batteriespannung: auf der x-Achse die Kadenz, auf der y-Achse das Drehmoment. Die Farbskala stellt den Wirkungsgrad in Prozent dar.

Effizienz aus Nutzersicht: Mini-Gewicht, Maxi-Leistung für ein einzigartiges Fahrgefühl

Die Elektroantriebe von maxon haben sich bei diesen Tests als die effizientesten erwiesen – sie holen also aus der zur Verfügung stehenden Batteriekapazität die höchste Reichweite heraus. Neben diesem technischen Ansatz versteht maxon die Effizienz eines E-Bikes aber auch aus Sicht des Endkunden. «Effizienz bedeutet auch: ein optimales Fahrgefühl», sagt Produktmanager Thomas Steger und erläutert: «Um dieses zu erreichen, haben wir die perfekte Balance zwischen Leistung, Gewicht und Funktion gefunden. Mit dem maxon BIKEDRIVE AIR sind Rahmen mit herkömmlicher und gewohnter Geometrie wieder konstruierbar. Für Rahmenkonstrukteure und Bikehersteller gibt es also quasi keine Limitierungen und Einschränkungen.»

Ein wichtiger Faktor ist die vielseitige Einsetzbarkeit: «Gerade ein leichtes E-Bike ist auch für sportliche Fahrerinnen und Fahrer interessant, die nur einen Teil des Weges mit Stromunterstützung fahren wollen und den Rest mit Muskelkraft und ausgeschaltetem Akku absolvieren.» Und diese sind gerade bei anspruchsvollen Strecken dankbar für jedes eingesparte Kilogramm. Mit dem maxon BIKEDRIVE AIR holen sie mit einem Minimum an Gewicht das Maximum an Leistung aus ihrem E-Bike-Motor heraus. Und setzen die Energie damit optimal ein – ihre eigene wie auch die ihres Akkus.