Bau eines Elektrofahrrades für unter 100€

Fahrräder mit Elektromotor zur Unterstützung erfreuen sich immer größerer Beliebtheit. Ich kann mich momentan für alles das irgendwie elektrisch angetrieben wird begeistern. Wenn man dazu noch einige Zeit auf YouTube oder in entsprechenden Foren zubringt, wird schnell der Wunsch groß, irgendein elektrisches Fahrzeug zu bauen. Da ich mich relativ gut mit Fahrrädern auskenne und elektrische Skateboards unpraktisch (aber cool) finde, wird es also ein E-Bike.

Es gibt natürlich ein kleines Problem. Ich fahre im Jahr ungefähr 8000 Kilometer Fahrrad und bin damit auch sehr zufrieden. Da ich nicht vorhabe in Zukunft mit dem E-Bike zu fahren, brauche ich also auch keins. Eins bauen möchte ich aber schon sehr gerne. Daraus ergibt sich, dass das Elektrofahrrad am besten nichts kosten soll und ich nicht weiß, wie es am Ende aussehen soll. Ist aber beides nicht so schlimm, wir fangen einfach mal an.

Bau des Akkupacks

Das teuerste bei so einem Elektrofahrrad ist wohl der Akku. Da ich aber sehr gute Erfahrungen mit gebrauchten Lithiumzellen aus Laptopakkus habe, werde ich auch den Akku für das Fahrrad aus solchen Zellen bauen.

Sammeln der Zellen und Absicherung (Fuse Wire)

Die Vorgehensweise zur Ernte der 18650 Lithiumzellen habe ich mir nicht selber ausgedacht, sondern von secondlifestorage.com übernommen. 

Mehrere alte Laptopakkus werden geöffnet und die einzelnen Zellen voneinander getrennt. Alle Zellen mit einer Restspannung kleiner als 1V werden direkt aussortiert. 

Alle anderen werden mit einem Ladegerät (OPUS BT-3100 V2.2) aufgeladen und anschließend wieder entladen. Dabei wird die tatsächliche entnommene Energie gemessen. In der Regel finden sich so viele Zellen, die noch über 2000mAh aufweisen. Ebenfalls aussortiert werden alle Zellen, die mehr als nur lauwarm geworden sind.

Der geplante Akku soll 500Wh speichern können, dazu werden jeweils 8 Zellen parallel und 10 in Reihe geschaltet. Die in Reihe geschalteten Zellpakete sollten immer die gleiche Spannung aufweisen. Dazu ist es nötig, dass sie die gleiche Kapazität besitzen. Dies wird industriell umgesetzt indem man neue und gleiche Zellen miteinander verschaltet. Mit gebrauchten Zellen funktioniert es aber genau so gut. Folgendes Tool puzzelt die Zellen genau passend zusammen: https://secondlifestorage.com/repackr.php

In meinem Fall hat dies mit einer Abweichung vor nur 1 mAh funktioniert. Dieses gute Ergebnis hat mich selbst überrascht.

Damit kleine Spannungsdifferenzen zwischen den Zellen trotzdem ausgeglichen werden, kommt an den Akkupack noch ein sogenanntes BMS (battery management system). Dieses sorgt beim Aufladen des gesamten Akkus dafür, dass die Ladeschlussspannung nie überschritten wird und die einzelnen Zellen auf dem gleichen Niveau gehalten werden. Ich habe mir zu diesem Zweck eine kleine Platine aus China bestellt. 

Diese gibt es z.B. hier Link . Eine relativ gute Dokumentation findet sich hier.

Um die Zellen miteinander zu verbinden, werden diese üblicherweise mit Hiluminband verschweißt. Zu diesem Zweck hatte ich mir sogar mal ein gut funktionierendes Punktschweißgerät gebaut. Ich möchte hier aber ein anderes Verfahren nutzen. Dabei wird jede einzelne Zelle an ihrem Plus- und Minuspol mit einem dünnen Draht verbunden. Dieser ist so dimensioniert, dass er bei zu hohen Strömen durchbrennt. Also die einfachste Form einer Schmelzsicherung an jeder einzelnen Zelle. Diese Methode hat gegenüber dem Punktschweißen den Vorteil, dass man kein Punktschweißgerät benötigt und man die Sicherheit hat, dass jede Zelle einzelne abgesichert ist. Gerade bei gebrauchten Zellen kann dies nur ein Vorteil sein.

Diese Methode hat sich als Quasistandard in der DIY Powerwall Szene durchgesetzt. Ausgedacht hat sie sich aber der Elektroautopionier Tesla. Deswegen ist sie im Internet auch unter der Bezeichnung Tesla Style Fuse zu finden.

Folgendes Patent zeigt die Entwicklung von Tesla. Die eigentliche Kontaktierung wird dabei nicht gelötet, sondern ist noch raffinierter. Die Drähte werden mittels Ultraschall (60kHz; 0,1s) mit den Lithium Zellen verbunden. Das geht sehr schnell und der Wärmeeintrag ist gering.

Ich musste jetzt also experimentell herausfinden, welcher Draht sich als Sicherungsdraht eignet. Einige Bastler auf YouTube kaufen zu diesem Zweck explizit Sicherungsdraht. Dieser ist aber schwer erhältlich und sehr teuer.

Unter folgendem Link fand ich die uralte Formel von W. H. Preece: 

I = A*d^1,5 mit d: Durchmesser in mm, A aus folgender Tabelle: 

Material | A | Schmelzp. | Siedepunkt 
---------+------+-----------+----------- 
Kupfer | 80.0 | 1083°C | 2300°C 
Aluminum | 59.3 | 660°C | 1800°C 
Eisen | 24.6 | 1535°C | 3000°C 
Zinn | 12.8 | 232°C | 2260°C 
Blei | 11.8 | 327°C | 1620°C 

Quelle

In der englischen Wikipedia befinden sich auch Angaben zu Maximalströmen von Leitungen.
https://en.m.wikipedia.org/wiki/American_wire_gauge

Die Angaben weichen aber so stark voneinander ab, dass ein eigener Test unausweichlich ist. Zu diesem Zweck habe ich als Spannungsquelle eine Autobatterie genutzt und als Vorwiderstand einfach etwas Blumendraht auf einem Besenstiel aufgewickelt. Ich habe mit dieser Methode ermittelt, dass ein Kupferdraht von 0,19 mm Durchmesser bei 8 Ampere in 4 Millisekunden durchbrennt.

Hier zwei Fotos vom Versuchsaufbau.

So ein geringer Querschnitt ist aber mechanisch nicht sehr belastbar und lässt sich relativ schwierig verarbeiten.

Eine andere Möglichkeit ist es, nicht Kupfer zu nehmen, sondern ein Material, das von vornherein schlechter leitet. Eine Stahllegierung oder Aluminium wären naheliegend. So könnten für den gleichen Strom auch höhere Querschnitte genutzt werden. Diese würden sich wiederum leichter verarbeiten lassen. Tesla nutzt für die Bondverbindung seiner Akkus Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von 0,5 Millimeter. Quelle

Am erfolgreichsten war ich nach einigen Experimenten mit Basteldraht aus einer Stahllegierung mit 0,5 mm Durchmesser. Dieser brennt bei 7 Ampere in zwei Millisekunden durch.

Gehäusebau und Ladebuchse

Als Gehäuse verwende ich eine Holzkiste aus 5 mm Sperrholz. Diese ist innen ca. 1 cm größer als der Akku. Dadurch ist genügend Luft um alle Anschlüsse bequem unterzubringen. Später wäre es natürlich denkbar, ein kompakteres Akkugehäuse aus GFK zu bauen.

Zum Laden nutze ich einen dreipoligen XLR-Stecker. Dieser ist leicht erhältlich und sehr robust. Außerdem hat er sich als Quasistandard für Ladebuchsen an E-Bikes durchgesetzt.

Umbau Motor

Als Motor kommt ein einfacher Hinterradnabenmotor zum Einsatz. Dieser lag bereits auf dem Schrott, obwohl nur der interne Controller defekt war. Ich habe den Motor also aufgeschraubt und die drei Motorwicklungen extern nach außen geführt. Auf den Anschluss der Hallsensoren habe ich verzichtet. Ich musste später einen Controller nutzen, der den Motor auch ohne Hallsensoren korrekt ansteuern kann.

Umbau Controller

Ich habe auf Ebay den günstigsten Controller gekauft, den ich finden konnte. Dieser kommt für $8 inklusive Versand direkt mit der Luftpost aus Hongkong. Leider fehlt jegliche Dokumentation. Ich habe das Aluminiumgehäuse also geöffnet und versucht über die Bezeichnungen auf der Platine auf die Funktion der Leitungen zu schließen. Da ich die Stecker nicht nutzen kann, habe ich sie alle abgeschnitten.

Auf Rückfrage beim Verkäufer erhielt ich folgendes Foto. Leider kann ich weder die chinesischen Schriftzeichen lesen, noch passen die gezeigten Anschlüsse genau zu dem Gerät, welches mir geschickt wurde.

Ich habe die Platine deswegen auf ein Holzbrett geschraubt und versucht mir Stück für Stück die Funktionen der Anschlussleitungen zu erschließen. Dabei haben mir eine chinesische Kommilitonin und auch verschiedene Foren im Internet geholfen.

Ebenfalls hilfreich sind die Anschlussbezeichnungen ähnlicher Controller, die man leicht im Internet findet.

 

Bau des Rahmens

 

Auf eBay-Kleinanzeigen gab es ein 28 Zoll Mountainbike zu verschenken. Bei diesem waren einige Teile in schlechtem Zustand. Der Rahmen von Bulls ist aber intakt und relativ groß. Nachdem ich ihn sorgfältig auf Haarrisse untersucht habe, soll er jetzt als Basis für das E-Bike dienen.

 

Einige Änderungen habe ich aber vorgenommen. Da dieser Mountainbikerahmen z.B. keine Ständerplatte hinter dem Tretlager hatte, habe ich diese von einem anderen schrottreifen Fahrrad abgesägt und angeschweißt. Da ich noch nicht weiß, wo der Schwerpunkt des Fahrrades später einmal liegen wird, habe ich zusätzlich eine Ständerhalterung am linken Ausfallende vorgesehen. Damit der Seitenständer später nicht das Rahmenrohr verdreht, ist zusätzlich eine kleine Versteifung notwendig.

Jetzt zahlt es sich aus, wenn man die alte Lackierung sorgfältig abgeschliffen hat. Andernfalls bilden sich lästige Blasen und die Schweißnaht wird unsauber.

Das Ergebnis sieht aus, als würde es zumindest nicht von alleine abfallen. :)

Um Gepäck zu transportieren möchte ich außerdem einen stabilen Gepäckträger. Diesen habe ich aus 15 mm Aluminiumrohr gebogen und zusammengeschweißt. Ein kleiner Tipp an eventuelle Nachbauer: Versucht erst gar nicht das Rohr freihand oder durch Füllen von Sand zu biegen. Ich habe das einmal in der Ausbildung machen müssen und danach nie wieder. Selbst eine einfache Biegezange erzeugt bessere Ergebnisse!

Hier ein kurzer Zwischenstand mit angeschweißtem Gepäckträger.

Am Steuerrohr habe ich eine 6 mm Aluminiumplatte angeschweißt. Diese diente später der Aufnahme eines stabilen Korbs aus Stahlrohr.

Ich hatte leichte Bedenken, ob eine dicke Schweißnaht in unmittelbarer Nähe des Lenkkopflagers den Rundlauf beeinflussen könnte. Es hat sich aber heraus gestellt, das dem nicht so ist und alles funktioniert. Es ist wie immer - viele Sachen muss man einfach mal machen und schauen, ob es gut geht.

Später möchte ich den Rahmen wieder professionell pulverbeschichten lassen. Damit habe ich bereits sehr gute Erfahrungen gemacht. Bis dahin muss aber wirklich alles funktionieren. Provisorisch habe ich den Rahmen deswegen mit einer einfachen Farbdose mattschwarz lackiert.

Zwischendurch habe ich noch ein praktisches Werkzeug gefertigt. Zum Lösen von Standard-Vierkanttretlagern benötigt man oben gezeigtes Spezialwerkzeug. In meiner einfachen Ausführung muss auf dieses ein Inbusschlüssel aufgesteckt werden. Der Hebelarm war relativ kurz und die Handhabung eher umständlich. Deswegen habe ich dieses Werkzeug und eine 13er Nuss auf ein 1m langes Stahlprofil geschweißt.

Für diese Arbeit konnte ich sogar freiwillige Helfer gewinnen.

Allerdings waren nicht alle neu Hinzugekommenen eine Hilfe :)

Als ich in meinem Lieblingsfahrradladen war, um nur eine Kette zu kaufen, kamen wir auch auf meine aktuelle Bastelei. Ich wurde aber eher belächelt, ernsthaft zu versuchen für kleines Geld ein E-Bike zu bauen. Den Vorschlag eine Weile ein richtiges E-Bike zu fahren, habe ich nicht abgelehnt. Ich konnte also das Fahrrad, das ich auch seit vielen Jahren fahre, in der E-Bike Variante kostenfrei testen.

 Konkret ging es dabei um das Elan+ von Diamant. Ein 28" Trekkingrad mit 250W Bosch Mittelmotor. Der Akku speichert 500Wh und damit knapp 80% von meinem Eigenbau. Dazu kommen die üblichen schönen Komponenten - Schwalbe Reifen, hydraulische Scheibenbremsen von Shimano, Bontrager Griffe, eine einfach Suntour Federgabel mit Steckachse und eine 1x11 Kettenschaltung. Für knapp 3000€ aber wahrlich kein Schnäppchen.

Leider war ich von dem Rad nicht überzeugt. Ich hatte mir einfach mehr erhofft. Bei 25km/h schaltet der Antrieb unverzüglich ab und man muss nun einen Teil des Getriebes mit antreiben. Das liegt natürlich nicht am Hersteller, sondern an einer unsinnigen Gesetzesregelung. Die Richtlinie 2002/24/EG des Europäischen Parlaments schreibt sinngemäß eine Nenndauerleistung von 0,25kW und eine Abschaltung bei <25km/h vor. Ich würde eine Abschaltung bei ca. 33km/h für sinnvoller erachten.

Am Berg war der Motor dennoch eine willkommene Unterstützung. In allen anderen Fällen war ich langsamer unterwegs als üblich. Da das viele so sehen, gibt es auf ebay kleine "Speedboxen", die die max. Geschwindigkeit auf 50km/h erhöhen. :) Auf YouTube kann man sich davon überzeugen, dass das auch funktioniert und die Motoren anstandslos höhere Geschwindigkeiten mitmachen.

Montage weiterer Anbauteile

Als Schutzbleche habe ich SKS Bluemels in 53mm Breite gekauft. Diese werden als Alu-GFK Sandwich hergestellt und sind sehr stabil und nett anzusehen. Die Beleuchtung soll natürlich aus dem Akku versorgt werden.Um aus 36V ca. 6V zu machen, ist ein kleiner Schaltregler notwendig.

Wie bei den meisten Teilen sollte die Beleuchtung zum Nulltarif aufgebaut werden. Deshalb habe ich ein defektes LED-Rücklicht wieder mit einer ultra hellen LED zu neuen Leben verholfen. Diese gibt es beim Elektronikrestposten-Anbieter Pollin manchmal für wenige Cent.

Bei der Frontlampe habe ich es genau so gemacht. Ich hatte aus meiner Taschenlampenbastelei noch HighPower LEDs übrig. Diese wird von einem weiteren Schaltregler (Schaltplan von oben) mit 600mA versorgt. Den Reflektor und und das Gehäuse habe ich beibehalten.

 

Tipp: Eigentlich ist es nicht sinnvoll gewöhnliche Schaltregler selber aufzubauen. Für weniger als $1 gibt es diese in guter Qualität aus China. :)

Dem Akku habe ich noch eine kleine LCD Ladezustandsanzeige verpasst. Diese lässt sich auf die verwendete Zellenzahl einstellen und funktioniert besser, als erwartet. Wenn mit dem Schlüsselschalter die "Zündung" eingeschaltet wird ist die Anzeige und die Beleuchtung des Fahrrades immer an. Das erschien mir am einfachsten.

  Fazit

Nach vielen Arbeitsstunden konnte ich dieses Projekt nun beenden. Mein selbstgebautes günstiges Elektrofahrrad ist fertig. Natürlich hat alles etwas länger gedauert, als ich am Anfang gedacht hatte. Auch einige Rückschläge möchte ich nicht verschweigen und habe diese hier dokumentiert.

Mit dem Rad selbst bin ich aber sehr zufrieden und habe inzwischen einige Kilometer damit zurückgelegt. Mein normales Trekkingrad ist und bleibt mir aber lieber. Das Ziel war es auch nicht, dieses zu ersetzen, sondern einfach ein elektrisches Fahrrad zu bauen, weil mir so etwas Spaß macht.

Das nächste elektrische Fahrrad mit mehr Leistung ist natürlich schon in Planung. Die Semesterferien dauern zum Glück noch eine Weile...

Hier noch ein ganz kurzes Video:

Abschließend lässt sich sagen, dass ich meine Preisgrenze von 100 € einhalten konnte. Natürlich nur mit etwas Milchmädchenrechnung und wenn man die Arbeitszeit völlig außer Acht lässt. Würde man die Teile kaufen und nicht von ebay-Kleinanzeigen oder Fahrradhändlern geschenkt bekommen, wird so ein Projekt natürlich deutlich teurer und auch nicht mehr sinnvoll.

Kann man einen Kasten Bier transportieren? 

Ja, das geht, ist aber wahrlich keine Wohltat. :) Natürlich hätte es vor der Semperoper Radeberger Bier sein müssen.

Wie lange dauert das Laden?

Ich habe mir ein einfaches Ladegerät aus China bestellt und einen soliden XLR-Stecker montiert. Das Gerät liefert nur 40V; 2A. Damit dauert das Laden ca. 8 Stunden. Es ginge natürlich mit einem stärkeren Ladegerät auch deutlich schneller. 10A Ladestrom sind problemlos möglich. Da ich aber über Nacht lade, stört es mich nicht.

Hier noch ein Foto vom Ladevorgang an einer kostenlosen Ladesäule für E-Bikes vor einem Edeka in der Dresdner Neustadt.

 Nachtrag: Was passiert, wenn eine Zelle kaputt geht?

Das habe ich mich auch schon gefragt. Tatsächlich war es passiert, dass eine Zelle sich selbst entladen hat und dabei die ihr 7 parallel geschalteten mit leergezogen hat. Letztlich war die Reparatur aber gar nicht so schlimm. Ich habe einfach 8 neue Zellen so ausgewählt, dass das Paket wieder genau 17736mAh hat und konnte die Zellen tauschen. Dazu habe ich die Zellenhalter auf einer Seite mit einem scharfen Messer geöffnet.

Auf dem Foto rot eingekreist.