E-Bike-Akku: Aufbau, Funktionsweise, Kapazität, Modelle

Wie ist ein E-Bike-Akku aufgebaut?

Im Inneren eines Akkus werden mehrere aufladbare, einzelne Akkuzellen zu einem Pack verbunden. Als Akkuzellen gibt: Bleigel, Nickel-Cadmium, Nickel-Metallhybrid und Lithium-Ionen. In dieser Reihenfolge nimmt auch die Energiedichte und damit das Speichervermögen einer Zelle zu, weshalb man im modernen E-Bike-Akku nur noch Li-Ionen Zellen findet. Wo man früher über 10 kg Bleigel-Batterien für eine Kapazität von 400 Wh benötigte, kommt man heute mit einer 2,5 kg Li-Ionen Batterie aus. Moderne Akkus an aktuellen E-Bikes haben eine Kapazität zwischen 500 Wh und 750 Wh – manche E-Rennräder kommen auch mit weniger aus.

Was ist eine Akkuzelle?

Moderne Li-Ionen Akkus im E-Bike verwenden Becherzellen. Der Name rührt von ihrer zylindrischen Bauform her. Am meisten verbreitet ist der Typ „18650“. Diese Bezeichnung gibt lediglich Auskunft über die Maße (18 mm Durchmesser, 65 mm Länge) – nicht jedoch über die Qualität der Zelle. So gibt es von ein und demselben Batteriehersteller unterschiedliche Qualitäten zur Auswahl. Unterscheidungsmerkmal ist die Reinheit des Elektrolyts in den Zellen. Sie entscheidet über die chemischen Prozesse im Inneren der Zelle – und damit über ihre elektrischen Eigenschaften. Die Akkuzellen in E-Bike Akkus unterscheiden sich also enorm von den Akkus, welche in Handys verbaut werden. Daher sind Rückschlüsse vom Akku eines Handys auf den Akku eines E-Bikes meistens falsch.

Ein Akku in seinen Einzelteilen.

Und was macht das BMS?

Ein Akku ist mehr als nur die beliebige Aneinanderreihung von Batterien gleicher Bauform. Ein gut funktionierender Akku zeichnet sich durch die gewissenhafte Auswahl elektrisch sich absolut identisch verhaltender Einzelzellen aus. Das ist die sogenannte Konfektionierung. Bei hochwertigen Akkus erfolgt diese Konfektionierung in sehr engen Messtoleranzen. Denn ein Akku ist nur so gut wie seine schwächste Zelle. Im Gehäuse des Akku ist daher noch ein elektronisches Batterie-Management-System (BMS) verbaut, welches jede Zelle innerhalb des Akkus überwacht und ansteuert, um minimale Kapazitätsschwankungen auszugleichen. Das BMS schützt zudem vor kritischen Situationen, wie zum Beispiel vor Tiefentladung. Dann schaltet es das System ab. Ebenso erkennt das BMS zu hohe Ladeströme und unterbricht den Ladevorgang.

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Wie funktioniert ein E-Bike-Akku?

So sehr sich die Technologie in den letzten Jahren weiterentwickelt hat – die grundlegende Funktion eines Akkus ist immer die gleiche: beim Aufladen wird elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt und gespeichert – beim Entladen wird diese chemische Energie wieder in elektrische Energie zurückgewandelt. Dies geht auf das Prinzip zurück, dass eine elektrische Spannung entsteht, wenn zwei unterschiedliche Metalle sich als Pole in in einem elektrisch leitenden Medium (Elektrolyt) befinden.

An einem Pol besteht Elektronenüberschuss, er ist daher negativ geladen. An dem anderen Pol herrscht Elektronenmangel, weswegen er positiv geladen ist. Wird nun durch einen elektrischen Verbraucher der Stromkreislauf geschlossen, wandern Elektronen entlang der Stromrichtung von Minus- zum Pluspol. Heureka – der Strom fließt! Beim Laden eines Akku kehrt sich dieser Vorgang um.

Akkupaket von Shimano zum Aufsetzen.

Wie benutzt man den Akku richtig?

Der altbekannte Zyklus von „immer komplett entladen“ und „stets voll aufladen“ ist mit einem modernen Li-Ionen Akku überholt, da er anders als ältere Akkutypen keinen Memory-Effekt besitzt. Besser sind zum Beispiel kleinere Teilentladungen und Teilladungen – anstatt den Akku immer komplett leer zu fahren und wieder komplett zu füllen. Denn hohe Ladeströme stressen die Akkuzellen. Und auf dem täglichen Weg ins Büro benötigt man auch nicht immer die volle Kapazität. Wer seinen Energiespeicher daher im Bereich von 20% bis 80% hält, kann seine Lebensdauer verdoppeln. Wichtig: stets das Original Ladegerät vom Hersteller verwenden!

Kälte und Hitze sind die Feinde des Akkus. Deshalb sollte sich der ausgekühlte Akku erst einmal wieder bei Raumtemperatur akklimatisieren, bevor man ihn an das Ladegerät hängt. Hitze schadet entgegen landläufiger Meinung einem Akku mehr, als Kälte. Ist der Kapazitätsverlust durch große Kälte wieder vergessen, wenn der Akku auf Zimmertemperatur kommt, können Temperaturen über 40°C die chemische Prozesse in der Zelle unkontrolliert ablaufen lassen. Dann kann sich die Zelle durch Gasbildung aufblähen, platzen und sich schlagartig entzünden. Ein solcher Akkubrand ist zwar selten – aber umso gefährlicher. Daher sollte man sein E-Bike bei einer Rast nicht in der prallen Sonne stehen lassen.

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Ist Kälte schädlich für einen E-Bike-Akku?

Solange man fährt, wärmt sich ein Akku selbst. Durch seine exotherme Reaktion in seinem Inneren ist er selbst bei kalten Aussentemperaturen im optimalen Temperaturbereich und daher im optimale Wirkungsgrad. Markenakkus sind aufgrund höherwertigen Elektrolyts in den Zellen weniger anfällig für Kapazitätsverluste im Winter als Akkus von Discounter-E-Bikes, wie die DEKRA bewiesen hat. Damit Kapazitätsverluste durch Kälte möglichst gering bleiben, nimmt man am besten den Akku direkt von der Steckdose, hängt ihn ans E-Bike und fährt direkt mit größter Unterstützung los. So hat der Akku selbst bei Temperaturen um den Gefrierpunkt sofort seine optimale Innentemperatur. Neoprenhüllen haben bei Markenakkus wenig Einfluß auf die Innentemperatur und daher keine positive Auswirkung auf die Reichweite.

Ein Akku des Marktführers: Bosch hat verschiedene kompatible Speichergrößen im Angebot.

Und wie lagert man den E-Bike-Akku richtig?

Einen Akku sollte man grundsätzlich trocken und kühl bei ca. 15°C bis 20°C lagern. Wenn er über mehrere Wochen oder Monate nicht gebraucht wird, tut es ihm gut, wenn man ihn mit ca. 30% bis 60% (zwei bis drei Ladebalken von fünf) seiner Kapazität aufbewahrt. Eine dauerhaft höhere Ladung stresst den Akku – wie ein leerer Akku sich auch selbst tiefentladen kann. Bei einem Akku im tägliche Gebrauch verhindert zwar das BMS wirkungsvoll die Tiefentladung. Bei einem eingelagerten leeren Akku kann jedoch die Selbstentladung von ca. 0,5% bis 2% pro Monat für eine Tiefentladung sorgen, welches auch das BMS nicht verhindern kann. Ein tiefentladener Akku verweigert dann meist das aufladen. Viele Akku-Explosionen lassen sich darauf zurückführen, dass ein tiefentladener Akku trotzdem „mit Gewalt“ geladen wurde.

Was passiert mit einem verbrauchten Akku?

Ein Akku altert. Nach durchschnittlich 800 Ladezyklen ist ein Akku am Ende seines Lebens angekommen. Dann besitzt er nur nur noch ca. 70% seiner Kapazität. Dann gibt man den Akku beim Hersteller ab, welcher ihn dem „Gemeinsamen Rücknahme System Batterien“ zuführt. Jeder E-Bike Hersteller führt pro verkauftem E-Bike einen gewissen Betrag an die „GRS Batterien“ ab, damit diese die Akkus fachgerecht entsorgt und sich um das Recycling kümmert. So werden wertvolle Rohstoffe wieder einem Kreislauf zugeführt und die Umwelt geschont.

Oder aber, man lässt ein sogenanntes „Akku-Refreshing“ durchführen. Bei einem solchem „Auffrischen“ werden diese Akkuzellen von Firmen, die sich darauf spezialisiert haben, ausgetauscht. Das sollte man tunlichst nicht selbst mit einem Lötkolben machen, denn Akkuzellen müssen mit einem kurzen Impuls miteinander verschweißt oder verlötet werden. Ansonsten wird zuviel Hitze in die Zellen eingebracht und diese nachhaltig geschädigt – oder sogar ein Akkubrand ausgelöst.

Welche Reichweite hat man mit einer Akkuladung?

Die Antwort auf die Frage, wie weit man mit einer Akkuladung auf dem E-Bike kommt ist sehr komplex. Es hängt von weitaus mehr Faktoren als nur der reinen Akkukapazität ab. Je nachdem, welche Motorunterstützung man wählt, bzw. wieviel Leistung der Mensch selbst ins System einbringt und mit welcher Trittfrequenz er pedaliert, kann die Reichweite bei ein und demselben Fahrer auf dem gleiche E-Bike schwanken. Und natürlich hat das Fahrergewicht, da Streckenprofil, die gefahrenen Höhenmeter und die Anzahl an Stops und Anfahrt Einfluss darauf, welche Strecke man mit einem Akku zurücklegen kann. Den größten Einfluß jedoch haben die Fahrwiderstände, allen voran der Rollwiderstand. Der „Reichweiten-Assistent“ der Firma Bosch zeigt anschaulich die Zusammenhänge.

Manche Fahrer bemängeln einen drastischen Reichweitenverlust im Winter – und schieben es auf den Akku. Es ist es jedoch weniger der Leistungsabfall eines Akkus, weshalb die Reichweite abnimmt, sondern die zum Teil drastische Zunahme der Fahrwiderstände durch schlechte Fahrbahnzustände, weitere Kleidung, zähere Schmierung im gesamten Antriebsstrang und auch wieder den Faktor Mensch, der bei Kälte auch weniger Leistung ins System einbringt. Dies alles egalisiert der Motor auf Kosten der Reichweite.

Ein Akkupaket, das ins Unterrohr integriert werden kann. Hier von Simplon.

Welche Akkus gibt es?

Die Bauform eines Akkus hat sich in den letzten zwei Jahren stark verändert. Ließen die Rahmenakkus am Unterrohr oder Sattelrohr bereits von weitem erkennen, dass es sich um ein E-Bike handelt, kann man heutzutage nahezu unerkannt auf einem E-Bike unterwegs sein. „Systemintegration“ heißt das Stichwort. Der Käufer eines E-Bikes hat heutzutage die Wahl aus vier unterschiedlichen Akkupositionen: Rahmenakku, semi-integrierter Akku, vollintegrierter Akku und Gepäckträger-Akku. Alle Bauformen haben ihre Vor- und Nachteile.

Der Rahmenakku ist meist kompakter in seiner Bauform. Er sitzt dadurch nah am Tretlager auf dem Unterrohr, oder am Sattelrohr. Das ermöglicht einen tiefen Schwerpunkt. Und der Rahmenakku kann wegen seiner Kompaktheit meist bequem in einem Rucksack oder in einer Gepäcktasche mitgeführt werden.

Der vollintegrierte Akku hat den Vorteil, sich optisch unaufälliger ins E-Bike zu fügen. Der Akku sitzt geschützt im inneren des Unterrohres. Die Form des Unterrohres kann freier gestaltet werden. Der Nachteil ist das höhere Gewicht, da die Öffnung im Unterrohr den Rahmen schwächt und man deswegen mit mehr Material ausgleichen muss.

Der semi-integrierte Akku besitzt eigentlich die Vorteile der beiden vorherigen: er fügt sich optisch angenehm ins E-Bike – die Stabilität des Rahmens bleibt aber unberührt. Oftmals wird der semi-integrierte Akku mit einer Verkleidung oder Deckel abgedeckt. Der Semi-integrierte Akku benötigt jedoch einen sehr breiten Rahmen.

Der Gepäckträgerakku ist die einfachste Möglichkeit, einen Akku am E-Bike unterzubekommen. Das Rahmendesign wird nicht durch de Akku beeinflusst. Unterrohre bleiben filigraner, bei Tiefeinsteigern bleibt der Durchstieg frei. Ein großer Nachteil ist jedoch die ungünstige Gewichtsverteilung auf dem Rad, was bei Tiefeinsteigern sogar zu einem problematische Fahrverhalten führen kann.

So sieht’s in der Praxis aus: Integrierter Akku im Unterrohr.

Ist der größere E-Bike-Akku immer der bessere?

Nicht immer ist der größere Akku auch immer der bessere. Zwar gilt das Sprichwort: Reichweite ist durch nichts zu ersetzen – außer durch noch mehr Reichweite. Aber nicht jede Fahrradkategorie benötigt einen E-Bike-Akku mit hoher Kapazität.

Seit letztem Jahr drängen E-Rennräder auf den Markt, deren Motor nicht permanent mitläuft, da man sich auf einem Rennrad aus eigener Kraft leicht über 25km/h fortbewegt. Da hilft der Motor nur beim Beschleunigen und bei Bergfahrten. Und weil der Motor nur ab und an zuarbeitet, sind 250Wh völlig ausreichend. Ein Mountainbike hingegen bekommt von Wattstunden nie genug. Noch mehr Höhenmeter, noch steilere Rampen, noch größere Schwierigkeiten – das alles fordert seinen Tribut. Und zwar in Form von Strom. Daher darf es beim E-MTB auch gerne ein wenig mehr sein. 500Wh, 630Wh oder sogar 750Wh.

Ausblick in die Zukunft

Das Thema Akku bleibt auch weiterhin spannend. Seit zwei Jahren werden nennenswerte Stückzahlen einer neue Bauform von Li-Ionen-Akkuzellen gebaut, welche ab Herbst 2019 auch ins eBike Einzug halten wird: der Typ „21700“. (21 mm Durchmesser, 70 mm Länge). Dieser Zellentyp soll primär für Elektro-Autos der Firma Tesla entwickelt worden sein und kommt erstmals im Rotwild R.X750 zum Einsatz, das Ende Juni 2019 präsentiert werden wird. Durch das größere Volumen dieser Becherzellen, kann die Leistung ohne besonderen Entwicklungsaufwand an der Technik deutlich gesteigert werden. Die nächste Performancesteigerung ist dann fast nur noch durch höhere Energiedichten zu erreichen. Das geht jedoch bei den bekannten Li-Ionen Akkus nicht ohne Weiteres. Neue Verbindungen wie zum Beispiel beim Lithium-Schwefel Akku oder im Magnesium-Ionen Akku sind gefragt. Die Energie ließe sich bei diesen Akkutypen auf das fünffache bei gleicher Größe bzw. gleichem Gewicht steigern. Aber das Verhalten dieser Akkus gestaltet sich zur Zeit noch problematisch.

Doch nicht nur die reine Reichweite wird in Zukunft ein Thema beim Akku sein. Sondern auch Nachhaltigkeit und Recyclebarkeit. Bei dem starken Wachstum des Marktes für E-Bikes – ja des Gesamtmarktes für Elektromobilität überhaupt – wird das eines der Themen sein, die verstärkt in den Blick.