Wirkungsgrad (Eta) eines modernen eBike-Sytems

alpenkurt · 16. November 2023 um 12:16

Hallo miteinander,

mich würde interessieren ob es bereits einige Wissenträger zum Thema Wirkungsgrad moderner eBikes gibt.

Differenziert nach Mittelmotor / Nabenmotor.

Differenziert bei Mittelmotor: Bosch, Yamaha, Sonstige Systeme

Hintergrund: Die Energie die im Akku geladen zur Verfügung steht kommt am Ende auf der Strasse nicht mehr vollends an. Da steht ein Sytemwirkungsgrad (eta) dazwischen. Und der kann unterschiedlich sein.

Beobachtung: Insbesondere im Gebirge lässt sich bei wenig Luftwiderstand und rel. geringem Rollwiderstand eine physikalische Steigleistung (mgh) berechnen und dann der entnommenen Akkuladung gegenüberstellen. Klar ist, das im Pedelec natürlich auch körperliche Tretleistung mit erfolgt. In erster Annäherung idealisiert bei langsamen Geschwindigkeiten und auf vernachlässigbar gutem Untergrund:

W pot = W akku * Wirkungsgrad (elektrisches eta) + W tret

Tatsächlich und besonders bei schlechterem Untergrund und höheren Luftwiderstand (Fläche A und Geschwindigkeit) kommt dann noch die Roll-Leistung und die Luftwiderstands-Leistung dazu:

W pot = W akku * Wirkungsgrad (elektrisches eta) + W tret - W luft - W roll

Nach vielen Bergtouren - auch sehr steilen - komme ich auf einen empierisch errechneten Wert von ca. 70-80% Eta (Gesamtwirkungsgrad) eines Yamaha Akku-Motor Systems.

Heisst, die in einem 500Wh Akku PASB6 (SOC 100%) gebundene Energie kommt mit einem Yamaha PW-ST Motor nur zu 70-80% = 350-400Wh auf der Strasse an (oder dem Radweg).

Abhängig von der Tretzahl und dem Unterstützungsgrad.

Hat jemand eigene Berechnungen angestellt oder gibt es Herstellervergleichswerte.

These 1: Mir erscheinen diese 70-80% eta - sollten sie sich bewahrheiten - als niedrig, zu niedrig für ein modernes Inverter - Assynchronmotor - System. Hier ist man bei größeren Anwendungen schon weit über 90-95%.

These 2: Ich habe den Eindruck das die eBikehersteller sich hier (teils deutlich) im Wirkungsgrad ihrer Systeme unterscheiden. Stichwort Bosch "braucht hohe Tretzahl" - Yamaha "kommt schon mit niedrigerer Tretzahl" aus. Wo liegen die Herstellersytemunterschiede im Wirkungsgrad. Erwartungsgemäß würde ich einen Hersteller der schon 10-15 Entwicklungs-Verbesserungszyklen hinter sich hat mit einem höheren Wirkungsgrad wiederfinden als ein Hersteller der gerade mal 3-4 Generationen am Markt hat.

Was meint ihr dazu ?

Dipl.-Ing.,

Dipl.Wirtsch.-Ing. Alpenkurt

michael-123 · 17. November 2023 um 08:18

Hallo Alpenkurt,
die Münchner E-Bike Spezialisten von Fazua geben einen Wirkungsgrad von 80% an.
Der bezieht sich auf das Antriebssystem, also die Leistungselektronik, den Motor, die 2 Stufen der Untersetzung.
https://fazua.com/de/support/help-center/fazua-ride-60/ride-60-faqs/ Kapitel 2.02
In einem anderen Fazua Dokument ist das zu lesen:
"Wie hoch ist der Wirkungsgrad des Motors?
Der Motor erzeugt ein Drehmoment von 1,4 Nm. In der ersten Getriebestufe im
Planetengetriebe werden die 1,4 Nm im Anschluss mit einem Verhältnis von 1:9 und in der
zweiten Getriebestufe im Bottom Bracket mit einem Verhältnis von 1:5 übertragen. Am Spider
am Ende dieser Kette (Anm. hier ist nicht die Fahrradkette gemeint sondern die Verkettung der Antriebskomponenten) lässt sich so ein Spitzendrehmoment von 55 Nm, einschließlich
Verlusten, messen"
Nun, das sind erfreulich ehrliche Angaben.
Von 63Nm bleiben 55 übrig - eta 87%
Zu den Motoren:
Es werden keine Asynchronmotoren verwendet, die Bikes laufen mit Permanentmagnet Synchronmotoren.
Die Bosch Gen5 sind z.B. "Inrunner" und haben im "Läufer" integrierte Magnete, IPMSR (internal permanent magnet synchronous reluctance) nennt man solche Motoren.
Diese Bosch Motoren (siehe Bild unten) sollen eine dreistufige Untersetzung haben, schräg verzahnt ... was zwar leiser als geradeverzahnt ist, jedoch mehr Bauraum benötigt und etwas weniger effizient ist (so etwa 96-97% pro Stufe).
Die Motoren selbst werden so 90-95% Wirkungsgrad bei Nenndrehzahl und Nennleistung haben.
Tritt der Biker (die Bikerin) in einem anderen Kadenzbereich, also nicht im typischen Bereich von 60-75 Kurbelumdrehungen pro Minute, und fordert dabei "Drehmoment-Unterstützung" an ...dann wird der Motor weniger effizient sein.
Die Leistungselektronik:
locker mind. 95% Wirkungsgrad
Der Akku:
Die Angabe der Wattstunden sind meistens Bruttoangaben - das kann man gut anhand der verwendeten 18650er oder 2170'er Zellen ausrechnen, im Netz gibts ja genügend Bilder von geöffneten Akkus.
Unter Last (wie bei Dir am Berg) wird die hohe Drehmomentanforderung (hoher Strom) die Zellspannungen nach unten ziehen, das BMS wird dem Leistungs-Controller dies mitteilen, der wird ggf. etwas weniger Strom in die 3 Motor-Phasen pumpen.
Dem Akku können somit etwas weniger Wh entnommen werden als bei einer gemütlichen Tour rund um den Chiemsee.
Zusammenfassung:
Dein "70-80% Eta (Gesamtwirkungsgrad)" ist realistisch und erklärbar.
Hier noch paar Bilder:

Bosch Gen5

12t Puma, Heck Nabenmotor

Kraftentfaltung

Arbeitsbereiche
Der normale Bosch scheint hier noch ein älteres Modell zu sein, die Brose und Shimano dürften IPMSR Motoren sein - sieht man (indirekt) am sehr flachen Verlauf über weite Kadenzbereiche (60...100)
Quellen:
https://www.pedelecforum.de/forum/index.php?threads/angaben-zum-drehmoment-in-nm-was-ist-genau-damit-gemeint-wo-wird-gemessen.58687/

https://ebikespass.de/schnellster-e-bike-motor/

oliverso · 17. November 2023 um 09:06

Ja, 42, oder auch anders. Zudem ist es Nachts kälter als draussen, was das alles nochmals anders macht.

Was ist deine wirkliche Frage, und was willst du wirklich wissen?

Das ganze e-Bike-Gedöns ist Konsumerware. Da wird nicht auf maximale Effizienz optimiert, sondern auf billigst. Elektromotore, Getriebe, Leistungselektronik und Akkus sind keine unbekannte Raketenwissenschaft, die man wirkungsgradmässig erst einmal neu verstehen müsste. Das ist alles seit Jahren bekannte Technik.

Unterschiede ergeben sich rein durch die Designentscheidungen der Hersteller.

Oliver

alpenkurt · 17. November 2023 um 12:03

@michael-123 Interessanter Beitrag. Danke dafür. Viel dazugelernt.

Ich bin überascht, das meine empirische Überschlagsrechnung sich wohl in etwa mit der Realität zu decken scheint. Zugleich bin ich vom Ergebnis 70-80% enttäuscht. Gemessen an einem Verbrennungsmotor mit 15-35% Wirkungsgrad ist es natürlich ein Quantensprung, aber die Technik eines bürstenlosen Gleichstrommotors mit PWM-Invertern ist ja fast ebenso alt wie die des Verbrenners (Vorsicht: Ironie) ...
Also ich verstehe man spricht von 4 Einzelwirkungsgraden:

A die der Batterie, je nach Belastung, Temperatur und Zustand (87-90% Verlust meine Schätzung) "man spricht hier auch vom Akkumanagement, oder ?"

B der des Motors (95%)

C der des Getriebes Schrägverzahnung 87% (bei Gradverzahnung > 87%) und die

D Leistungselektronik (Inverter) 95%

Was hindert die Entwickler daran moderne Asynchronmotoren mit PWM modulierten Invertern (über den Hörbereich > 20kHz) praktisch getriebelos zu verwenden ? Solch ein Motor weist ein rechteckiges Drehmomentspektrum von ganz niedrigen Drehzahlen (sorry Kadenzen wie ihr sagt) bis hohen Drehzahlen auf, ich sag mal von 30 Upm bis 120Upm. Sind es die Kosten oder ist es der Bauraum oder das Gewicht? In fast allen größeren eAnwendungen wie eAuto, Straßenbahn und Lokomotiven finden diese Motoren mit einem ausgefeilten PulsWeitenModulator Anwendung. Warum nicht beim eBike. Warum hier noch die (ur-)altmodischen bürstenlosen Gleichstrommotoren ?
Ich behaupte: Wenn den Entwicklern das gelingt, den Asynchronmotor ins eBike reinzuentwickeln, dann wären wir bei einem Gesamtwirkunggrad von > 90% (das Getriebe dürfte wegfallen, zumindest mind. eine Übersetzungsstufe) und somit wäre der Erfolgsfeldzug des modernen Asynchronen Motorsystems auch bei den E-Bikes angekommen. Klar ist das wohl zunächst erstmal die e-Motorräder Wegbereiter sein werden und sind, wie z.B. eine Surron.

Danke für die schönen Diagramme, damit kann ich was anfangen, Yamaha Kadenzoptimum bei 72 UpM Bosch bei 86 UpM deckt sich mit empirischen Erfahrungen in allen Bikeshops. Was mich aber trotz der Schaubilder immer noch verwundert ist, das ich praktisch gesehen auf meinen Karwendelrunden noch nie ein BOSCH-Bike hatte das mich in der Gesamtfahrzeit (3:40) überrundete. Die fallen alle nach etwa 50-70% der Strecke zurück - muß wohl an der Akku-Kapa und/oder an den Fahrern liegen. Ich selbst habe einem BMI von 35 und habe 104kg wäre eigentlich ein leichtes Opfer.

Was macht Yamaha besser als Bosch ?

oliverso · 17. November 2023 um 12:43

Weil die Dinger zwar uralt sein mögen, aber einfach das beste sind, was man dafür einsetzen kann? Natürlich haben die ganz schon immer ein rechteckiges Drehmomentspektrum, werden mit PWM angesteuert, und natürlich gibt es die auch im E-Auto. Da will man nur wegen der Magnetmaterialien davon weg (und an zeitweise freilaufenden Achsen wegen des Rastmoments), aber nicht wegen irgendwelchen Parametern.

Das wird leider eine Behauptung bleiben. Und nur so als reminder: Ein rechteckiges Drehmomentspektrum hat die Eigenschaft, daß die Leistung linear mit der Drehzahl steigt. Den Effekt "mehr Bums bei mehr sirr" lässt sich bei keinem E-motor wegkonstruieren. Zudem das Drehmoment dann auch von der Baugröße abhängt, die sich am Fahrrad halt auch nicht endlos ausdehnen lässt.

Oliver

und-mehr · 17. November 2023 um 13:23

Den Akku sollte man aus der Berechnung komplett herauslassen, der verursacht nur Fehler.
Wie weiter oben schon erwähnt, trennt das BMS den Akku bei Unterspannung früher aus.
Nach meinen Erfahrungen sinkt bei Temperaturen unter 0 Grad die abrufbare Leistung so deutlich ab, dass Reifendruck oder Zuladung vernachlässigbar sind.