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Bild 1: Mit Motorunterstützung sind lange Radtouren ein Genuss. Ein Pedelec ist außerdem der preiswerte Einstieg in die Elektromobilität und kann manche Fahrt mit dem Auto ersetzen.
Bild 2: Platine des Drei-Phasen-Drehstrommotorantriebs mit seinen Hauptkomponenten (1: Kühlkörper zur Anbindung, 2: sechs Leistungs-MOSFETS, 3: 8-Bit-Controller PIC 16 F72, 4: Puffer-Elko,, 5: Gatetreiber.
Bild 3: Anordnung der drei Hallsensoren, sie ermitteln unter anderem die Tretkraft des Radlers und steuern entsprechend die Antriebsunterstützung durch den Motor.
Bild 4: Lage der Hallsensoren im 250-W-Drehstrommotor. Zu erkennen die Neodymmagnete, die den Stator bilden und der Rotor mit den Wicklungen auf den Polen.

Elektrofahrräder haben das Image des Behindertenfahrzeugs schon lange abgelegt. Es gibt viele Modelle als Pedelec (mit limitierter Tretunterstützung) oder als echtes E-Bike (mit nicht limitierter Tretunterstützung). Den Antrieb übernimmt bis zu einer Geschwindigkeit von 25 km/h im einfachsten Fall ein geregelter Gleichstrommotor. Unser Beispiel-Rad hat einen Drehstrommotor, wie er in höherwertigen Pedelecs und E-Bikes zum Einsatz kommt. Zusammen mit einem Li-Ionen-Akku für 36 V/10 Ah hat dieses Pedelec je nach Topologie der Fahrstrecke eine Reichweite von 40 bis 80 km.

Das Topmodel kommt mit doppeltem Akkupack auf bis zu 140 km. Die Antriebe von Pedelecs können als Front-, Heck- oder Mittelmotor ausgelegt sein. Kleine Motorkonzepte arbeiten als Getriebemotor mit Freilauf. Als Akkus kommen Lico oder Lima, neuerdings auch Lifepo4 zum Einsatz. Das integrierte BMS schützt den Akku vor Überladung und Tiefentladung. So ein Akkupack könnte auch vielseitig als kompakte und preiswerte Energiequelle Einsatz finden, da das Preisniveau im Bereich von NiMH-Akkus liegt.

Die Reglerelektronik für die Ansteuerung des 250-W-Drehstrommotors befindet sich auf einer etwa 7 cm x 11 cm einseitig bestückten FR4-Platine. Prinzipiell ist die Regelelektronik ein Pulswechselrichter mit Ventilsteuerung, Modulator und Synchronmotor als Last. Die Elektronik reagiert auf die Tretkraft des Fahrers, die durch Sensoren erfasst wird. Danach ermittelt die Steuerung die notwenidge Unterstützung durch den Motor.

Der Leistungsteil ist als Drehstrombrücke, bestückt mit sechs N-Kanal-MOSFETs (75V/60A) ausgeführt, die direkt an den 36 V des Li-Ionen-Akkus arbeiten. Die Leistungs-MOSFETs werden jeweils über Gatetreiber vom 8-Bit-Mikrocontroller PIC16F72 angesteuert. Sie sind an einem Metallkühlkörper angebracht und werden mittels Wärmeleitpaste an das Reglergehäuse angekoppelt. Die Steuersignale für die Ansteuerung der Drehstrombrücke über den Mikrocontroller kommen von drei Hallsensoren. Bild 4 präsentiert ihre Anordnung und die der Neodym-Permanentmagnete, die den Stator darstellen, sowie den Rotor mit drei Windungen je Pol. Auf der Platine befindet sich die Stromversorgung für die Gatetreiber, den Mikrocon-troller und den „Gassteller“. Die 15 V-Versorgungsspannung gelangt über einen Linearregler 2SA103, ein PNP-Transistor für 1 A, 160 V, zu einem Regler 7824, der als Vorregler arbeitet und zu einem Regler 7812, der die 12 V für die Gatetreiber liefert. Der Mikrocontroller bekommt vom Gassteller am Lenkrad, einem analogen Hallgeber für 5 V Ub, die Geschwindigkeitsvorgabe. Über ein Brakesignal von den mechanischen Bremsen an Vorder- und Hinterrad schaltet der Mikrocontroller den Antrieb ab. Rekuperation ist nur für höherwertige Räder vorgesehen.

Der Autor bedankt sich für die Verfügungstellung von Pedelec und Komponenten bei Reinhold Schebler, Fachautor und Sachverständiger für E-Fahrzeuge. Über folgende Webseite gibt es von ihm weitere Informationen.