E-bike: een fiets met hulpmotor
Veel fietsers dromen ervan "altijd wind in de rug" te hebben. De electro-assist fiets lijkt de realisatie van deze droom. Wie met volle accu een tochtje maakt, heeft hulp bij de meer inspannende trajecten met heuvels of tegenwind. Mensen die al jaren niet meer op een fiets gezeten hadden, zijn er weer op gestapt, door deze nieuwe vorm van recreatief fietsgebruik.
De geschiedenis van de elektrische fiets gaat terug tot eind 19e eeuw. Ogden Bolton jr. kreeg op 31 december 1895 een patent (US Patent 552271) voor een fiets met elektromotor in de achternaaf. In 1897, ontwierp H. W. Libbey uit Boston een elektrische fiets (US Patent 596272) die werd aangedreven door een dubbele elektro motor in de trapas. Het in 1899 door John Schnepf gepatenteerde systeem (US Patent 627066) maakte gebruik een rol om het achterwiel via de band aan te drijven. In 1969 patenteerde G.A. Wood jr. opnieuw een dergelijk product.
FIG.1 Electric Humber tandem 1898 FIG.2a Philips-Simplex 1932 FIG.2b Sinclair C5 1985
In FIG.1 zien we een Humber tandem uit 1898. Een elektrische fiets uit 1932, ontwikkeld door de elektrofirma Philips en fietsfabriek Simplex is te zien als FIG.2, maar de loodaccu was zwaar, en het was geen commercieel succes. Invalidenvoertuigen in de jaren 70 gebruikten een loodaccu of een Nikkel-Cadmium-accu (zwaar en beperkte actieradius). De motoren kwamen vaak van niet fiets-specifieke fabrikanten.
In 1985 bracht de Engelse computerfabrikant Sinclair een ligfietsachtige elektrische driewieler uit, commercieel helaas een flop. Door verbetering van de accutechnologie eind jaren 80, konden betere en lichtere elektrische fietsen ontworpen worden. Yamaha komt begin jaren 90 met een 24V midden-motor op de markt (aandrijving via de trapas); de nieuwere en duurdere fietsen gebruikten een nikkel-metaalhydride accu (NiMH) of een lithium-ion-accu (Li-ion). Dan komt er ook vanuit de gewone fietser vraag en er begint een markt te ontstaan (eerst vooral bij bejaarden). Begin 21ste eeuw neemt de acceptatie toe en nu is een groot deel met elektrische ondersteuning.
Elektrische energie komt van elektrische centrales en zon/ wind; batterijen zijn slechts opslag en buffering. Alleen als de stroom van hernieuwbare bronnen komt, is de Ebike bijna klimaatneutraal; maar het niet gebruiken van grondstoffen voor accu's en motoren, maakt de mens-aangedreven fiets toch milieuvriendelijker.
De elektrische fiets werkt in combinatie met spierkracht, en heet in Nederland een fiets met trapondersteuning. De in de Europese landen toegepaste motor mag volgens de Europese richtlijn EN 15194 een vermogen van niet meer dan 250W hebben. De eerste versie (2009) en tweede versie van die norm (2011), zijn op 12-10-2017 vervangen door de definitieve.
De hulpmotor geeft tot maximaal 25 km/h ondersteuning. Omdat de snelheid van de Ebike weinig afwijkt van de gewone fiets, zijn extra voorzieningen als schijfremmen en vering niet nodig.
Er zijn ook sterkere motorversies, met een snelheid van 45 km/h (speed-pedelec), maar die hebben net als de bromfiets een helm- en verzekeringsplicht; het marktsegment is (nog?) marginaal.
FIG.3a Een vouwfiets met Bafang voorwiel motor
FIG.3b Een vroege Sparta Ebike met Yamaha midden-motor van 24V met batterij achter de zitbuis.
FIG.4 Doe-het-zelf pakket via Amazon van de firma Yose met een achterwiel naafmotor.
Een nadeel van voorwielaandrijving is, dat het onverwachte stuurreacties kan opleveren. De motor van FIG.3a is nog een 36V; we zien een verschuiving in de markt naar 48V in de nieuwe en duurdere modellen.
De vouwfiets van FIG.3a is een typisch voorbeeld van de E-bikes in de klasse rond €1000. De fiets bevat een naafmotor van de Chinese fabrikant Bafang, een grote speler in de Ebike sector. Naafmotoren zijn het makkelijkst in te bouwen, en zijn daarmee wat goedkoper dan de montage bij het bracket (een z.g.n. midden-motor). De motor is specifiek voor 20 inch wielen; het toerental van het wiel wordt hoger als de wielen kleiner zijn. De overbrenging van de motor moet daarop aangepast zijn.
FIG.3c Mijn eigen interpretatie van een bejaarden E-bike met Yose bouwpakket.
De duurdere modellen Ebike hebben vrijwel altijd een midden-motor, en er zijn ook veel meer fabrikanten in dit hogere marktsegment actief.
Het is ook mogelijk een bestaande fiets om te bouwen, Amazon en AliExpress leveren alle soorten: voorwiel-, achterwiel-, en midden-motors. Deze pakketten voldoen niet altijd aan de Nederlandse en EU regelgeving. De naafmotor van FIG.4 heeft een extra duimschakelaar om "gas" te geven. De logica kent een Standard mode volgens de EU richtlijn, waar trappen noodzakelijk is om de motor in te schakelen. In de tweede modus heb je de optie om bij het wegrijden (tot 6km/u) ondersteuning van de motor in te schakelen, via de duimschakelaar. In de derde modus kun je zo ook rijden zonder te trappen. Feitelijk is dat natuurlijk illegaal en kan het bij ongelukken juridische complicaties op leveren. Ook de Skarper (FIG.5) voldoet niet aan de regelgeving. De motor is eenvoudig eraf te pakken, zie :
https://www.youtube.com/watch?v=b590KPosc_8 en https://www.youtube.com/watch?v=-rSAsGcaxTo
< FIG.5 De Skarper is een motor die de remschijf aandrijft !
De Ebike accu heeft helaas een aantal technische beperkingen, die men moet kennen en accepteren !
De fietsenhandelaar vertelt niet altijd hoe kwetsbaar en duur de accu is. Hij wil vooral fietsen verkopen; eerlijke voorlichting is schaars, net als vakkennis. Als we een Ebike dagelijks gebruiken, is het normaal een accu van €500 of meer na drie jaar vervangen moet worden. Wie 4 of 5 jaar ermee wil doen, moet heel zorgvuldig zijn. Accu's "slijten" door het opladen. Na een aantal oplaadcycli ( 200 tot 1000 maal, afhankelijk van het type) zal de hoeveelheid stroom die in de accu kan, achteruit gaan. Veel mensen zetten hun fiets in oktober in het schuurtje, en halen hem in april weer eruit voor een eerste lentetochtje. Als de accu niet tussentijds opgeladen is, kan die inmiddels kapot zijn; een totale ontlading is zeer schadelijk voor de accu. Wie dit wil voorkomen, door de accu via de oplader gewoon een half jaar in het stopcontact laten zitten, heeft pech. Ook dit is schadelijk voor de accu. Video's over batterijen: https://www.youtube.com/watch?v=WVcFytLYOIQ , https://www.youtube.com/watch?v=qJKFiv70bLc
Lithium-ion accu's kennen een zestal varianten. De accu's gaan het langst mee als ze op kamertemperatuur blijven, niet geheel leeg getrokken worden, en ook niet tot 100% opgeladen (tot 90% opladen, verdubbelt het aantal laadcycli). Verder worden lage snelheden voor laden en ontladen aangeraden. U merkt al dat een aantal van deze ideale regels regelmatig geschonden worden. Daarom halen de meeste accu's de levensduur van 5 jaar niet. Een goede oplader is meer dan een simpele stroomtoevoer. Er zit elektronica in die het laadproces stuurt (BMS= battery management system), met een limiet aan de laadsnelheid, en afschakelen voor het bereiken van 100% lading. Fabrikanten willen daarom ook accu's en laders van eigen merk; zeker in geval van garantieclaims. Veel fietsverkopers weten trouwens niet eens wat er in de accu zit.
We zullen nu een zestal batterijen bekijken; we houden ons maar even aan de afkortingen om ze te bespreken.
1. LTO accu's zullen we niet aantreffen in elektrische fietsen. De LTO presteert relatief slecht als het om het aantal Wh per kilo gaat. Een voordeel van deze accu is dat hij heel vaak opgeladen kan worden. Daarom zal bij auto's, als die remenergie kunnen terug winnen, deze energie vaak in een aparte LTO accu opgeslagen worden. De accu is ook nog eens erg temperatuur stabiel en kan vlot energie opnemen en afstaan, maar hij is duur en heeft een lagere capaciteit.
2. Ook de LMO zullen we niet tegen komen in elektrische fietsen. Het aantal oplaadcycli is beperkt. Het voordeel van deze accu is, dat hij vrij hoge stroomsterktes kan leveren. Hij wordt veel gebruikt in oplaadbare boormachines etc.
3. De LCO accu komen we ook niet tegen in elektrische fietsen; deze vinden we vooral in telefoons en laptops. Tamelijk duur en temperatuur gevoelig.
4. De LFP zien we tegenwoordig vaak in E-bikes. Een betrouwbare stabiele accu, met als enige nadeel dat die, ook tijdens stilstand wat sneller spanning verliest; bij niet gebruiken toch regelmatig opladen! Een tijd lang waren ze door matige prestaties minder populair. Blijkbaar zijn er flinke verbeteringen voor dit type ontwikkeld; ook qua prestaties en de prijs/ kwaliteit verhouding. Het is een veilige batterij en het ontbreken van nikkel en kobalt is een milieuwinst.
5. De NMC is populair bij E-bikesen elektrische auto's. Deze zullen vaak gebruikt worden.
6. De NCA wordt toegepast in E-bikes, maar er kleven nadelen aan: het aantal oplaadcycli is beperkt en de accu is temperatuur gevoelig. De oplaadsnelheid en de leverbare stroomsterkte zijn relatief laag, waardoor we een wat grotere accu nodig hebben. Maar er gaat veel stroom in; Tesla koos ervoor afgelopen decennium.
Bij LG Chem heeft men een tijdje accu's gemaakt van dit type, die tot spontane autobranden hebben geleid. Momenteel zien we bij LG Chem en Tesla, een overstap naar LFP.
Als we de krant lezen, zien we elke maand wel berichten over experimenten die een grote verbetering betekenen, zoals grafeen condensatoren . Er valt natuurlijk veel geld te verdienen met een betere accu; helaas is de tijd tussen uitvinding en productie vaak meer dan 10 jaar. In 2019 had een goede accu ongeveer 250Wh/kg.
De geavanceerde nieuwe types (Solid State} droge batterijen komen in productie. Bij CATL is een proefproductielijn opgestart met deze batterijen in 2023. Massaproductie wordt in 2025 verwacht, dus deze zullen de gangbare liithiumcellen snel gaan vervangen. De verwachting is dat men batterijen kan produceren met 500Wh/kg en een snellere oplaadtijd, die een dubbel aantal oplaadcycli hebben. De milieubezwaren zijn veel kleiner, door minder gebruik van oplosmiddelen, een langere levensduur en het verdwijnen van kobalt en nikkel (duur, giftig). Hierdoor zijn deze batterijen ook nog eens goedkoper!
Een ander ijzer, dat Tesla in het vuur heeft, is de NMC/ graphite batterij. Deze zou 5000 laadcycli hebben, met slechts 10% verval, dus 1.600.000km levensduur voor een auto. De batterij zou daarna nog jaren als thuisopslag kunnen dienen. http://jes.ecsdl.org/content/166/13/A3031.full We zijn benieuwd wanneer men dit ook werkelijk waar kan maken.
Er zijn nog Lithum-Sulphur, Sodium-ion (Natrium), en Aluminum-Air batterijen in ontwikkeling en nog vele andere..... Over een aantal jaren weten we nog meer; de ontwikkeling zal voorlopig verder gaan. Tegen 2030 zullen we wel rond de 800Wh/kg zitten. Zie: https://www.youtube.com/watch?v=qntd7i4Jk3M
Voor een fiets zullen dergelijke batterijen wel 400.000km mee kunnen gaan. Zelfs voor een "veel rijder", zeg 5000km per jaar, kom je dan aan 80 jaar gebruik; voor de meeste fietsers en de meeste fietsen, is dat meer dan levenslang.
Wat we ook meer zien is een versnelling in het bracket of de naaf, om de aanvullende trapkracht te realiseren. De extra verliezen en grotere schakelstappen van deze schakelsystemen, worden door de motor "weggepoetst". Naast Enviolo die al jarenlang een combinatie met een E-motor propageren, zijn er ook nieuwelingen op die markt als 3X3 . Niet alle versnellingsnaven zijn geschikt voor combinatie met een motor.
DE TOEKOMST VAN HET VERKEER IS ELEKTRISCH !!
.