Elektrofahrräder – Akkumulator

Ein wesentliches Kernelement des Elektro-Bikes ist der Akku. Hier trennt sich die Spreu vom Weizen. Ein guter Akku mit hoher Haltbarkeit, ohne Memory-Effekt (???), geringem Gewicht, viel gespeicherter Energie, der auch noch umweltverträglich und sicher ist, kostet sein Geld.

Akkutypen

In neuen Elektrorädern werden derzeit meist Lithium-Ionen-Akkumulatoren verwendet.
Lithium Ionen- bzw. Lithium Polymer-Akkus stellen den derzeitigen Stand der Technik dar. Es zeichnet sich jedoch ab, dass die Lithium Ionen Akkumulatoren von den besseren Lithium Eisen Phosphat Akkus abgelöst werden.

Auf Grund der Nachteile wie Memory Effekt, Selbstentladung und v. a. Umweltbelastung werden NiCd und NiMh Akkus immer weniger für Elektrofahrräder verwendet.

Der Blei-Akku wird  in einigen Ländern noch relativ häufig verbaut. Beispielsweise ist er in Italien und China noch  relativ stark vertreten. Pedelecs und S-Pedelecs mit Blei, Blei Vlies oder Blei-Gel Akkumulatoren sind in der Regel sehr schwer was sich negativ auf die Fahreigenschaften auswirkt. Allerdings sind Blei-Akkus auch für andere Einsatzzwecke stark verbreitet und lassen sich daher leicht beschaffen - beispielsweise wenn eine Ersatzbatterie benötigt wird.

Tipps für die richtige Akku-Nutzung

1. Den Akku Ihres E-Bikes nach jeder Fahrt wieder aufladen. Auch wenn Sie nur kurz gefahren sind.
2. Den Akku immer kühl und trocken lagern.
3. Temperaturen unter 2°C vermeiden.
4. Beim Aufladen sollte der Akku über 10 Grad Celsius haben.
5. Bei Längerem Stillstand Ihres Pedelecs den Akku voll aufladen und monatlich nachladen.
6. Den Akku möglichst nie weitgehend oder ganz leer fahren. Sonst sinkt die Kapazität/Reichweite schon nach kurzer Zeit.

Kriterien bei der Beurteilung von Akkus

1. Haltbarkeit / Lebensdauer

Die Lebensdauer eines Akkus wird in Lade-Zyklen angegeben. Aktuelle Akkus können durchschnittlich 500 bis 700 mal wieder aufgeladen werden. Die Erfahrungen zeigen, dass die Kapazität nach etwa 500 Voll-Ladezyklen nach und nach abnimmt. Die Haltbarkeit hängt maßgeblich auch davon ab, wie Sie Ihren Akku behandeln (siehe oben). Um einen Akku möglichst lange nutzen zu können, muss er richtig gepflegt und gelagert werden.

Bei Blei-Akkumulatoren gibt es die Besonderheit, dass sie mit fortschreitender Entladung eine geringere Spannung liefern, so dass nicht mehr die volle Motorleistung erreicht werden kann. D.h. während einer Fahrt nimmt die Motorleistung nach und nach ab.

NiCd-Akkus haben im Idealfall nach 1000 Ladezyklen noch 85 % ihrer ursprünglichen Kapazität, bei NiMH-Akkus sind etwa 400 bis 800 Ladezyklen möglich.

Als Faustregel gilt: Wenn Sie täglich mit den Elektrorad fahren, hält der Akku ca. 1-2 Jahre. Ihr Fahrrad wird demnach länger halten als der Akku selbst. Daher sollten Sie beim Elektrofahrradkauf auf die Kosten des Akkus schauen und nicht unbedingt beim günstigsten E-Bike zuschlagen, bei dem womöglich die Ersatzakkus mehr kosten als das Rad selbst.

2. Memory Effekt und Tiefentladung (erstmal Begrifflichkeiten erläutern?)

Memory-Effekt und Tiefentladung können das frühe Aus eines Akkus bedeuten.

Der Memory-Effekt tritt v. a. bei NiCd Akkus und weniger bei NiMh Akkus auf. Bei Lithium Ionen Akkus kommt er nahezu gar nicht vor.

Eine Tiefentladung hingegen ist für sämtliche Akkus schädlich. Selbst für moderne Lithium Ionen Akkus. Um diese zu verhindern, ist eine ausgeklügelte Elektronik nötig, die die Akkuspannung überwacht und ggf. den Stromfluss abschaltet. Lithium Ionen Akkus haben beispielsweise eine Zellspannung von 3,6V. Eine Tiefentladung unter 2,4V verursacht meist irreversible Schäden.

3. Kapazität / Gespeicherte Energie

Die Ladungsmenge, die ein Akku speichern kann, wird als Kapazität bezeichnet und in Amperestunden (Ah) angegeben.

Manche Hersteller geben bei Ihren Akkus die speicherbare Energie in Wattstunden an, andere nennen Spannung in Volt und Ladung in Ampere. Eine Umrechung ist ganz einfach: Wenn Sie die Kapazität in Amperestunden und Spannung miteinander multiplizieren, erhalten Sie die gespeicherte Energie in Wattstunden und können damit die Akkus unter einander vergleichen. Das macht insofern Sinn, als dass die meisten Akkus unterschiedliche Spannungen haben. Erst durch die Umrechung in Wattstunden wird die speicherbare Energie wirklich vergleichbar.

Beispielrechnung
 

Wird ein Akku nicht verwendet, so verliert er über die Zeit einen Teil seiner gespeicherten Energie. Diesen Vorgang nennt man Selbstentladung. Die Höhe der Selbstentladung hängt von Typ und Alter des Akkus sowie von der Lagertemperatur ab.

4. Ladezeiten

Moderne Akkus haben eine Ladezeit von 3 bis 8 Stunden, abhängig von der Restladung und dem Ladegerät. Sie können den Akku jederzeit zwischendurch nachladen. Dabei ist aber zu beachten, dass jedes Nachladen, auch wenn es nur eine kurze Nachladung ist, als ein Teil-Ladezyklus zählt.

5. Gewicht

Das Gewicht hängt primär von der Kapazität eines Akkus ab. Je nach Akkutyp kann eine bestimmte Kapazität pro Kilogramm erreicht werden.

Das Akkugewicht ist ein wesentlicher Faktor beim Bau von Pedelecs und E-Bikes.

6. Sicherheit

Die Industrie hat berechtigter Weise mechanische und thermische Härtetests eingeführt, um die nötige Batteriesicherheit zu garantieren. Uneingeschränkt können Sie zum Beispiel Akkus vertrauen, die von der Battery Safety Organization (BATSO) zertifiziert sind.

Warum ist die Sicherheit so wichtig?

Beschädigte Lithium-Ionen Akkus können sehr gefährlich werden - im Extremfall sogar explodieren. Dies liegt an der Reaktionsfreudigkeit des Alkalimetalls Lithium. Zusammen mit Wasser reagiert das Lithium zu Lithiumhydroxid, einem leicht entzündlichen Wasserstoffgas. Überladung, Tiefentladung und Zellenkurzschluss können zum Akku-Brand führen. Aus diesem Grund wird heute das Auf- und Entladen durch spezielle Sensoren elektronisch geregelt.

7. Umweltschutz

Da beinahe alle Akkus umweltschädliche Substanzen beinhalten, erklärte das Umweltbundesamt E-Bike-Akkus zu Industriebatterien nach §8 BattG, d.h. es gibt für die Hersteller eine generelle Rücknahmepflicht.

Durch das Batteriegesetz wurde der Gehalt an hochschädlichem Blei, Cadmium und Quecksilber stark reduziert bzw. verboten.

Akkus auf der Basis von Nickel-Cadmium sind als Sonderabfall einzustufen. Sie dürfen nicht in den herkömmlichen Haus- und Gewerbeabfall landen, sondern müssen von den Lieferanten zurückgenommen werden.

Kurz: ist Ihr Akku hinüber, erfolgt seine Entsorgung über die Rückgabe der verschlissenen Zellen an den Hersteller oder an kommunale Sammelstellen.

Vergleich von Akkus für E-Bikes, Pedelecs und Elektrofahrräder

NiCd
- Energiedichte: ca. 40-60 Wh/kg
- Ladezyklen: ca. 600-1000
- Memory Effekt vorhanden
- niedrige Kapazitäten
- schnellladefähig und kälteresistent
- langlebig (nach 1000 Ladevorgängen: noch 85% ihrer Kapazität)
- Umwelt belastend (Cadmium): Nach einer EU-Verordnung aus dem Jahr 2008 wird dieser Akkutyp aufgrund des giftigen Schwermetalls Cadmium heute nicht mehr verwendet.
- geringe Lade- und Entladewirkungsgrade
- hohe Selbstentladung/Kapazitätsverlust (schon nach 3 bis 4 Wochen vollständig selbstenleert)

NiMh
- Energiedichte: ca. 60-110 Wh/kg
- Ladezyklen: ca. 400-800
- Memory Effekt nur sehr gering
- vergleichsweise hohe Kapazität
- hohe Stromleistung
- Kälteanfällig (Probleme beim Einsatz unter 0 Grad Grenze)
- Selbstentladung
- Günstig in der Produktion
- Aufwändige Elektronik nötig, da dieser Akkumulatortyp anfällig für Überladung ist

Blei
- Energiedichte: 30 Wh/kg.
- Ladezyklen: ca. 300
- groß
- sehr schwer
- günstig in Anschaffung
- zuverlässig
- gute Lade- und Entladewirkungsgrade
- geringe Selbstentladung
- enthält das giftige Schwermetall Blei
- nur langsame Ladung möglich

Lithium Ionen
- Energiedichte: von 120 bis 180 Wh/kg
- ca. 500 Ladezyklen
- Kein Memory Effekt
- Hohe Kapazität
- Maximale Leistung bis zum Schluss, kein Nachlassen während der Fahrt
- eher teuer
- verhältnismäßig lange Lebensdauer
- bei hoher Leistung sehr leicht
- Auch längere Lagerungen sind möglich
- relativ umweltverträglich
- können auch nach unvollständiger Entladung aufgeladen werden, was dem Akku nicht schadet und manchmal sogar empfehlenswert ist
- Schnellladung möglich
- Der Lithium-Ionen Akku benötigt eine sehr gute Schutzelektronik und eine hochwertige Verpackung, damit keine Risiken entstehen.

Zukunftsweisend sind Lithium-Eisen-Phosphat-Akkumulatoren, die wesentlich langlebiger sind als die aktuelle Lithium-Ionen-Akkumulatoren. Ihr Einsatz könnte die laufenden Kosten durch Akku-Wechsel signifikant senken.

Lithium Eisen Phosphat
- ca. 1500  Ladezyklen
- Kein Memory Effekt
- Hohe Kapazität
- Maximale Leistung bis zum Schluss
- Sehr sicher
- Sehr lange Lebensdauer (Zyklen)
- Einfache Handhabung bzgl. Laden
- Hohe Lade- / Entladeströme

In naher Zukunft werden auch die ersten Lithium-Polymer-Akkus erhältlich sein, die bei gleichem Gewicht höhere Energieinhalte ermöglichen.

 

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