REKUPERATION BEI ELEKTROROLLERN - TEIL 1

Zahlen Daten Fakten

Während ein Fahrzeug (E-Roller) sich bewegt, besitzt es eine kinetische Energie. Beim Bremsen wird diese Energie normalerweise an der Bremsscheibe in Wärme umgewandelt. Die Elektromotoren bei fast allen Elektrofahrzeugen können auch als Generatoren arbeiten. Unsere Elektroroller sind da keine Ausnahme. Dieses Prinzip kann man sich zu Nutze machen und eine Bremsung nicht mechanisch mit der Bremsscheibe sondern elektrisch mit dem Elektromotor durchführen. Dabei wird die kinetische Energie nicht in Wärme sondern in elektrische Energie umgewandelt, mit der die Batterie geladen wird. Diesen Vorgang nennt man regeneratives Bremsen oder auch Rekuperation.

Das regenerative Bremsen bietet im Grunde zwei große Vorteile:

1. Durch den Ladevorgang der Batterie wird die Reichweite verlängert.
2. Die mechanische Bremse wird geschont und muss damit später gewechselt werden.

Wie groß sind diese Effekte bei Elektrorollern? Gerade bei unseren kleineren 45 km/h Modellen? In diesem Artikel möchte ich das Prinzip erklären und nächste Woche im Teil 2 dieser kleinen Serie zeige ich, wie wir bei Trinity mit dieser Thematik umgehen.

Wie gut ist die Rekuperation?

Für die Beantwortung dieser Frage müssen wir uns zwei Parameter anschauen. Effizienz und Effektivität. Obwohl sie ähnlich klingen sind das zwei sehr unterschiedliche Faktoren. Effizienz beschreibt wie gut die "verlorene" Energie beim Bremsen zurückgewonnen und gespeichert wird. Wieviel Energie wird doch in Wärme umgesetzt? Und wieviel landet am Ende in der Batterie? Effizienz wird in der Technik auch als Wirkungsgrad bezeichnet und in Prozent angegeben. Effektivität beschreibt wie groß der Einfluss der Rekuperation auf das Fahren als Gesamterlebnis ist. Verlängert es messbar die Reichweite? Oder merkst Du als Fahrer nichts davon?

Effizienz

Keine Maschine hat eine Effizienz von 100%. Irgendwo entstehen immer Verluste. Ein Verbrennermotor hat eine Effizienz von ca. 20%. Das bedeutet, dass 20% der eingesetzten Energie (in Form von Kraftstoff) landet tatsächlich als Drehmoment und Beschleunigung auf der Straße. Der Rest wird in Wärme umgesetzt. Elektrische Motoren haben in der Regel eine Effizienz von über 95%. Wenn wir das Gesamtsystem aus Batterie, Controller und Motor betrachten landen wir immer noch bei stolzen 70-80%. Dabei spielt es fast keine Rolle, ob die Energie aus der Batterie in den Elektromotor fließt oder umgekehrt. Aber die Effizienz von 80% bedeutet nicht dass sich dadurch die Reichweite um 80% vergrößert. Das bedeutet, dass aus der beim bremsen sonst verloren gehenden kinetischen Energie 80% in der Batterie landen. Wie viel Energie wird aber beim Bremsen umgesetzt? Hier wird klar, dass die Effizienz nicht das gewichtigste Element ist, wenn es um Rekuperation geht. Wenn wir nur sehr wenig Energie beim Bremsen umsetzen, nützt es uns wenig, dass wir einen großen Teil davon zurückgewinnen können. In Summe ist es immer noch wenig.

Effektivität

Hier wird es wirklich Interessant wenn es um die Verlängerung der Reichweite geht. Wieviel Reichweite können wir insgesamt zurückgewinnen? Kommen wir durch die Rekuperation 5% weiter? 20% weiter? oder noch mehr? Die kinetische Energie eines Objekts können wir sehr einfach mit der folgenden Formel berechnen.

E = 1/2 m v² 

Energie ist einhalb mal Masse mal Geschwindigkeit zum Quadrat. Damit können wir die Kinetische Energie von unserem Elektroroller ausrechnen. Als Gewicht nehmen wir mal unseren Romex (Gewicht inclusive Akku 105 kg) mit einem Fahrer von 80 kg. Als Geschwindigkeit die 45 km/h damit bekommen wir:

E =  1/2 m v² = 1/2∙185kg∙(45km/h)² = 0,004 kWh  

Das ist ein ziemlich kleiner Wert. Wenn ich bei einer Akkukapazität von 1,7 kWh eine Reichweite von 60 km ansetze, dann gewinne ich bei jeder vollständigen Rekuperation unseres Romex die Energie für max. 140 m Reichweite. Jetzt noch wissen, wie oft ich das mache und ich habe weiß wie viel Reichweite ich gewinnen kann. Bei 20 vollständigen Rekuperationen (von 45 auf 0 km/h) wären das beim Romex max. 2,8 km Reichweite. Bei unserem großen Elektroroller Jupiter mit 172 kg Gewicht und Geschwindigkeit von 100 km/h habe ich eine kinetische Energie von 0,027 kWh. Das entspricht etwa einem halben Kilometer mehr Reichweite, wenn ich diese Energie zu 100% zurückgewinnen könnte. Ich habe das mit einem Tesla Model X mit 100 km/h durchgerechnet und komme auf 0,25 kWh kinetischer Energie und ca 1,4 km theoretischen Reichweitengewinn. Das sind natürlich die theoretischen Maximalwerte, für die Berechnung des praktischen Reichweitengewinns müssen noch viele weiter Faktoren wie zum Beispiel Außentemperatur, die Temperatur des Controllers, die Auslegung von Motor und Controller, der Ladezustand der Akkus und noch einiges mehr berücksichtigt werden. Das alles verringert die Werte, die wir oben ausgerechnet haben. Aber wir können anhand dieser Zahlen schon mal festhalten, dass die Effektivität bei kleinen Fahrzeugen mit kleinen Geschwindigkeiten ziemlich klein ist. Und sie steigt mit der Geschwindigkeit und Masse des Fahrzeugs. Und hier geht's zum zweiten Teil dieser Serie.