E-Bike Akkus – Kapazität, Reichweite, Ladezeit & Co

E-Bike Akkus – Kapazität, Reichweite, Ladezeit & Co

März 10, 2021

Was wäre ein E-Bike ohne Akku?
Richtig, ein Fahrrad mit Übergewicht!

 

Der E-Bike-Akku ist das Herzstück und die Energiequelle des Gefährts und logischerweise auch die teuerste Komponente am gesamten Fahrzeug.

Und das nicht ohne Grund, schließlich hat die Batterie einiges zu leisten und muss dabei wiederum viel einstecken können! Egal welches Wetter, welche Zuladung oder Steigung – der Akku muss immer ausreichend Energie zur Verfügung stellen, um uns und unsere Mitfahrer entspannt und schweißfrei von A nach B bringen zu können. Dabei ist der Weg ja oft das Ziel und man nimmt gerne mal den längeren Weg nach Hause.

Die Anforderungen an dieses hochtechnologische Konstrukt aus Lithium-Ionen-Zellen sind dabei vielschichtig:

  • Beim Anfahren aus dem Stand muss der Akku kurzfristig viel Leistung zur Verfügung stellen, er sollte also zunächst den Antrieb mit Energie versorgen und unverzüglich auf den Treteinsatz reagieren.
  • Innerhalb des Unterstützungsbereichs wird er dahingehend gefordert, dass er über einen möglichst langanhaltenden Zeitraum Energie abgeben muss.
  • Die Akkukapazität soll im Idealfall unerschöpflich sein und sowohl bei Hitze als auch bei Temperaturen deutlich unter 0° C Energie uneingeschränkt zur Verfügung stellen.
  • Der Ladevorgang darf selbstverständlich nur einen Wimpernschlag dauern, der Akku ewig halten.

Dies stellt in etwa die Anforderung dar, die der E-Bike-Akku aus Anwendersicht beherrschen sollte! Dennoch setzt eine hohe Leistungs- und Lebenserwartung die richtige Handhabung dieses komplexen Bauteils voraus.

Die nachfolgenden Kapitel geben einen Einblick in die unterschiedlichen Charakteristiken rund um den E-Bike Akku und ermöglichen ein besseres Verständnis zu dessen Anforderungen und Möglichkeiten.

 

Kapazität & Reichweite

Die Kapazität eines Akkus beschreibt einfach gesagt dessen "Größe" und lässt dadurch eine mögliche Reichweite ableiten. Die Einheit der Kapazität wird in Amperestunden (Ah) angegeben, die sich mittels der Spannung in Volt (V) wiederum in die im Haushalt gängigere Größe Wattstunden (Wh) umrechnen lässt:

Kapazität (Ah) x Spannung (V) = Energieeinheit (Wh)

14.25Ah x 48V = 684Wh oder 20.4Ah x 48V = 979,2Wh also fast 1kWh!

Wir bieten aktuell folgende Batterietypen & Kapazitätsmodelle an, die sich auf zwei unterschiedliche Gehäusestandards (Silverfish & Hailong) sowie eine Softpack-Variante beschränken:

  • 14.25Ah 48V Silverfish Akku für UNI MK/Bobber/Swing (ca. 80km)
  • 20.4Ah 48V Silverfish Akku für UNI MK/Bobber/Swing (ca. 100km)
  • 13.8Ah 48V Hailong Akku für UDX (ca. 60km)
  • 17.25Ah 48V Hailong für UDX (ca. 80km)
  • 14.0Ah 48V Custom Softpack für UNI Boost (ca. 60km)

Der Batterieaufkleber/-sticker verät dir dabei mehr über die Eigenschaften deines Akkus.

 

Die Reichweite hängt natürlich sehr stark von Fahrzeugtyp/-gewicht, Geländebeschaffenheit, Zuladung, Reifendruck & -art, Wind und Fahrbahnbeschaffenheit sowie weiteren Faktoren ab und kann demnach stark variieren.

Gerade in der Winterzeit bei niedrigen Außentemperaturen kann die Kapazität/Reichweite des Akkus merklich beeinträchtigt werden, was bei Lithium-Ionen Akkus jedoch normal ist und bei steigenden Temperaturen wieder auf den Normalzustand zurückkehrt.

Ebenfalls spielt die Fahrweise eine entscheidende Rolle bei der möglichen Reichweite. Vorausschauendes Fahren zum Vermeiden von unnötigen Bremsaktionen und zum Minimieren von Start & Stop Manövern (z.B. im Stadtverkehr) bzw. smartes Fahren erlauben eine höhere Reichweite – Variieren der Tretunterstützungsstufe (z.B. bei Bergabfahrten), ausgiebige Nutzung der mechanischen Gangschaltung zum Entlasten des elektr. Antriebsstrangs und weitere Handlungen haben einen ausschlaggebenden Einfluss auf die Reichweite.

Unsere Reichweiten-Angaben basieren auf Standardbedingungen, sprich normale Zuladung (einsitzig, 85 kg Fahrergewicht), niedrige bis mittlere Unterstützungsstufe, normaler Start & Stop Verkehr, ebener, asphaltierter Untergrund, angemessener Reifendruck zum Minimieren der Rollreibung, Außentemperatur von 20°C, angemessene Zugabe von Muskelkraft, kein Daumengas, max. Geschwindigkeit von 25km/h.

Der Reichweiten-Rekord mit dem 20,4Ah Akku liegt bei 155km!

Zuletzt noch zwei kurze Faustregeln zur groben Orientierung:

  • 9Wh Verbrauch pro 1Km Fahrstrecke mit Tretunterstützung
  • 18Wh Verbrauch pro 1Km Fahrstrecke mit (Daumen-)Gas

    Ladezeit

    Die Ladezeit variiert je nach verbleibendem Ladestand, Batteriegröße/-kapazität/-temperatur sowie dem Ladestrom normalerweiße zwischen 4 und 8 Stunden, beim Erstladen von Neubikeakkus ggf. länger.

    Die Standard-Ladegeräte haben einen Ladestromstärke von 2A (Ampere) und verwenden meistens einen DC-Stecker (UDX) oder einen im Audiobereich gängigen XLR-Stecker (UNI MK/Bobber/Swing).

    Schnellladegeräte hingegen versprechen eine verkürzte Ladezeit dank höherem Ladestrom, z.B. 3A bis 5A anstelle der herkömmlichen 2A.

     

     

    Prinzipiell kann die Akkuladezeit folgendermaßen berechnet werden (komplett leerer Akku bzw. ein voller Ladezyklus):

    h = Stunden | Ah = Amperestunden | A = Ampere

    Ladezeit (h) = Kapazität des Akkus (Ah) / Ladestrom (A) * 1,3 (elektr. Arbeit)

    Beispiel:

    14.25Ah / 2A * 1,3 = ca. 9h 15min

    20,4Ah / 2A * 1,3 = ca. 13h

    20,4Ah / 5A * 1,3 = ca. 5h 20min

     

    Lade- & Betriebskosten

    Was kostet es eigentlich, deinen E-Bike Akku einmal vollzuladen?

    Was kostet das Laden während einer Akkulebenszeit von z.B. 800 oder 1000 Ladezyklen?

    Gleich vorne weg: es handelt sich hier um grundlegende, theoretische Rechenbeispiele, die nicht für jeden Individuellen Fall 1:1 auf die Realität übertragen werden können. Sie dienen eher der Veranschaulichung, was mit einem E-Bike anstelle eines PKW möglich ist – die einzelnen Werte & Variablen lassen sich dennoch prima auf deinen Individualfall anwenden!

    Zuersteinmal benötigen wir zwei grundlegende Informationen:

    • Strompreis pro Kilowattstunde (kWh)
    • Akkukapazität in Wattstunden (Wh) oder Amperestunden (Ah)

    Die Umrechnung von Ah in Wh erfolgt wie oben bereits beschrieben mittels der Spannung:

    Kapazität (Ah) x Spannung (V) = Kapazität (Wh)

    Kosten einer Akkuladung = Strompreis in Cent x Akkukapazität in Wh / Wh

    Beispiel 1)

    Strompreis aktuell = 32ct bzw. 0,32€

    Akkukapazität = 14,25Ah bzw. 684Wh

    Kosten = 32ct x 684Wh = 21.888ct/Wh = 21,9ct bzw. ca. 22ct pro Akkuladung

    Beispiel 2)

    Strompreis aktuell = 32ct bzw. 0,32€

    Akkukapazität = 20,4Ah bzw. 979,2Wh

    Kosten = 32ct x 979,2Wh = 31.334,4ct/Wh = 31,3ct bzw. ca. 31ct pro Akkuladung

    Nun betrachten wir die Stromkosten zum Nachladen eines Akkus während seiner gesamten Lebensdauer, gerechnet in Ladezyklen (dazu im nächsten Kapitel mehr).

    Gesamtladekosten eines Akkulebens = Ladekosten pro Akkuladung x Ladezyklen

    Beispiel 1) 14.25Ah Akku

    22ct x 800 = 17.600ct = 176€

    22ct x 1000 = 22.000ct = 220€

    Beispiel 2) 20.40Ah Akku

    31ct x 800 = 24.800ct = 248€

    31ct x 1000 = 31.000ct = 310€

     

    Lebensdauer & Ladezyklen

    Beim Akku spricht man nicht von einer Reichweitengrenze bis "der Saft ausgeht", sondern von der gesamten Anzahl der sog. Ladezyklen, die er durchlaufen hat.

    Ein Ladezyklus beschreibt dabei einen Ladevorgang eines komplett leeren Akkus (0%) bis zum komplett vollen Ladestand (100%) inklusive dessen vollständige Entladung.

    Beispiele:
    Ein halbvoller Akku der geladen und wieder entladen wird, hat folglicherweiße nur einen "halben" Ladezyklus beansprucht, ein 75% voller Akku logischerweise nur einen viertel Ladezyklus usw. – hier spricht man von Teilzyklen.

    Wenn man 20% des vollen Akku-Volumens zur Verfügung hat und den Akku auf 70% auflädt, den Akku wieder bis 20% nutzt, und genau dasselbe noch einmal, ist ein vollständiger Ladezyklus erreicht und ein neuer beginnt.

     

    Es geht also um die gesamte Anzahl der Ladevorgänge bzw. der vollen Ladezyklen, die sich mit jedem weiteren Laden aufsummieren.

    Der Akkuhersteller gibt dabei eine Anzahl von 800 bis 1000 Ladezyklen an, bis der Akku eine Restkapazität von 80% besitzt. D.h. der Akku ist immer noch verwendbar und leistet bis zu 80% seiner Ursprungskapazität und -reichweite. Bildet man das auf eine Zeitspanne bei normaler, regelmäßiger Batterienutzung ab, so liegt man bei ca. 2-3 Jahren Lebensdauer. Neben gängigen Verschleißerscheinungen altern Akkus mit der Zeit (Zellalterung), unabhänging von der Nutzung und Pflege. Ungenutzte wie auch regelmäßig geladene und gut gepflegte Akkus verlieren im Jahr etwa 4% ihrer Speicherkapazität.

    Mit der Zeit verliert der Akku also an "Power", er lässt quasi mit zunehmender Nutzung nach, was wiederum vollkommen normal ist. Was kann man also machen, um die Lebensdauer des Akkus zu verlängern?

    Das verrät dir der nächste Abschnitt.

     

    Lebensdauer verlängern

    Im Internet findet man eine Vielzahl an Tipps und Ratschlägen, wie man die Lebenserwartung seines Akkus merklich verlängern kann – teils wiedersprechen sich die Aussagen und verwirren leider mehr, als dass sie helfen. Wir haben deshalb die besten Tipps rund um Akkuwartung, -pflege und -lagerung kurz zusammengefasst.

    Folgende Punkte können positiv zur Lebensdauer/-erwartung deines E-Bike Akkus beitragen:

    1. Vor dem normalen Gebrauch den neuen Akku kalibrieren, also die ersten 2-3 Male komplett vollladen und entladen.
    2. Anschließend im Rahmen der normalen Nutzung möglichst nicht komplett voll- und entladen.
    3. Den Akku bei Raumtemperatur (zwischen 15 - 20°C) und vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt, an einem trockenen Ort lagern.
    4. Bei längeren Standzeiten ohne Benutzung den Akku regelmäßig (ca. alle 30 Tage) prüfen und laden, sodass der Ladestant konstant zwischen 30% und 60% liegt.
    5. Ausschließlich das zugehörige Ladegerät zum Aufladen verwenden und möglichst auf Schnellladegeräte verzichten.
    6. Den Akku beim Reinigen des Rades abnehmen und vorsichtig mit einem Tuch abwischen – kein Reinigungsmittel verwenden. Die Batteriepole/-stecker ebenfalls sauber halten.
    7. Niemals den Akku selbstständig öffnen (z.B. bei Defekt/Ausfall) sondern direkt an einen Fachmann oder den Hersteller wenden.
    8. Ein tot-geglaubter Akku kann unter Umständen wieder reanimiert werden. Hier kommt eine Akkuanalyse sowie ggf. ein Austausch schwacher Zellen in Frage – wende dich dafür an einen Batteriespezialisten oder den Hersteller. Hier gibt es auch viele Onlinedienste, die Akkus warten und wieder auffrischen
    9. Tiefenentladene Akkus müssen ebenfalls nicht direkt abgeschrieben werden, sondern können möglicherweise mithilfe spezieller/m Ladegeräte und Know-How wiederbelebt werden. Apropos Tiefenentladung – was hat es damit eigentlich auf sich?

     

    Tiefenentladung, Selbstentladung & BMS

    Eine Tiefenentladung wird durch übermäßige Stromentnahme verursacht und äußert sich in der beinahe vollständigen Erschöpfung der Akku-Ladekapazität, die dabei unter ein bestimmtes Spannungslevel fällt. Dies kann schädlich für den Akku sein und sollte deshalb dringlichst vermieden bzw. bereits im Vorfeld präventiv verhindert werden. Um eine solche Tiefenentladung festzustellen, muss die Ausgangsspannung mittels Volt-/Multimeter gemessen werden.

    Es wird dann von einer Tiefenentladung gesprochen, wenn der Ladestand des Akkus unter 20% seiner Kapazität fällt, also unter der Entladeschlussspannung bzw. dem minimalen Spannungslimit liegt. Das kann verschiedene Beschädigungen zur Folge haben. Sind Zellen beispielsweise in Reihe geschalten, können diese durch eine Tiefenentladung sogar umgepolt werden. Die Schäden können dabei bereits nach einer einzigen Tiefenentladung auftreten. Wird ein Akku längere Zeit nicht genutzt, kann es hier zur Selbstentladung der Zellen kommen – ganze 0,5% bis 1,0% der Akkukapazität pro Monat.

    Übliche Schutzmaßnahmen oder -schaltungen, die bei Akkus verbaut werden sind sogenannte Batterie-Management-System (BMS), deren Aufgabe es ist, die gleichmäßige Be- und Entladung der Zellen bzw. Zellpakete zu überwachen und zu steuern und so eine Überladung zu vermeiden. In diesen Systemen in Form von Platinen sind wichtige Daten wie die Anzahl der bisherigen Ladezyklen, der aktuelle Ladestand sowie die voraussichtliche Restlebensdauer hinterlegt und können vom Hersteller bzw. einem Fachmann mittels entsprechender Analysetools ausgelesen werden.

     

    Akkulagerung & Winterschlaf

    Wie lagere ich meinen Akku am besten, z.B. während der Winterpause?

    Wir haben bereits gelernt, dass der Akku nicht nur während der Nutzung an Kapazität verliert, sondern auch während der Lagerung – in Form der vorher genannten Selbstentladung.

    Wie ihr die Akkueinheit lagert, wird sich auch auf die Entladungsrate auswirken. Sogar eine kurzzeitige Lagerung bei hohen oder sehr niedrigen Temperaturen kann den Akku bereits irreparabel beschädigen, also vermeidet Temperaturen unter -10 °C und über 40 °C, wann immer es möglich ist. Mancher Hersteller warnt bereits, dass sogar 4 Stunden bei Temperaturen zwischen 40 °C und 60 °C einen negativen Effekt auf die Akku-Lebensdauer haben können und solche Temperaturen sind schneller erreicht als erwartet – im Kofferraum eures Autos, im Wintergarten oder sogar im direkten Sonnenlicht. Am anderen Ende der Skala können 20 Stunden bei Temperaturen von -20 °C ebenso irreversible Schäden verursachen. Euer Akku sollte bei einer Temperatur zwischen 0 °C und 20 °C an einem absolut trockenen Ort gelagert werden, aber jenseits von entflammbaren Materialien. Alle Hersteller stimmen darin überein, dass die optimale Lagertemperatur konstante 10°C beträgt, da so Abbauprozesse verlangsamt und die Alterungsrate des Akkus reduziert wird.

    Wie hole ich den Akku wieder aus dem Winterschlaf um ihn zu benutzen?

    Selbst nach ausgedehnter Lagerung, beispielsweise im Winter, ist es möglich, den Akku einfach an das Bike zu stecken und ohne Aufladung zu fahren. Moderne Lithium-Ionen-Zellen haben keinen klassischen Memory-Effekt, daher können Lithium-Ionen-Akkus an jedem Punkt ihres Ladezustandes geladen werden, ohne Schaden zu verursachen oder die Kapazität zu reduzieren – unabhängig von Unterbrechungen und Ladedauer. Um den Akku sanft aus dem Winterschlaf zu wecken, ladet ihr ihn am besten einmal voll auf und fahrt ihn dann wieder leer. Erst danach solltet ihr ihn wieder komplett aufladen. Dieses Vorgehen hilft dem Batteriemanagementsystem bei der Kalibrierung und Berechnung der Akkukapazität.

     

    Wir hoffen, dass dir dieser Artikel einen hilfreichen Einblick in die Akkuthematik von E-Bikes sowie ein besseres Allgemeinverständnis rund um Lithium-Ionen-Batterien gibt.

    Wir freuen uns über Feedback und stehen jederzeit für Fragen und Anregungen zur Verfügung.

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