Neue Freiheit auf zwei Rädern

AMPRIO entwickelt leistungsfähigen Pedelec-Antrieb

E-Bike-Fahren erweitert den persönlichen Aktionsradius, macht zudem Spaß, ist gesund und schont die Umwelt. Kein Wunder, dass der Markt im Rekordtempo wächst. Das gilt besonders für sogenannte Pedelecs, für die in Deutschland keine Kennzeichen-, Haftpflichtversicherungs-, Führerschein- oder Helmpflicht besteht. Mit einem innovativen Komplettsystem steigt Rheinmetall Automotive mit seinem Start-up AMPRIO zurzeit in das Segment der Elektroantriebe für Fahrräder ein.

Wenn man neue Geschäftsfelder erschließen will, ist zuweilen Querdenken gefragt. Mit dem Ziel, unkonventionelle, aber zukunftsträchtige Ideen seiner Mitarbeiter in die Tat umzusetzen, hat Rheinmetall 2015 zum unternehmensweiten Ideenwettbewerb aufgerufen und den „Intrapreneur-Award“ ausgelobt. Einzelpersonen oder Teams konnten ihre Konzepte präsentieren; den fünf Gewinnern winkte die Unterstützung des Konzerns bei der Umsetzung ihrer Idee.

Mit dem Award ausgezeichnet wurde unter anderem ein Ansatz zur Industrialisierung des 3D-Drucks, aber auch ein Vorschlag zur Entwicklung eines Pedelec-Antriebs für den Wachstumsmarkt der E-Bikes. Eingereicht hatte ihn ein Trio aus fahrradbegeisterten Mitarbeitern, die sich auch privat intensiv mit der E-Bike-Technik beschäftigen. Dietmar Greven war einer der Tüftler: „In unserem Team haben wir uns perfekt ergänzt: Alexander Baumann kommt aus dem Vertriebsbereich, Thorsten Krill konnte Produktionserfahrung mit einbringen und ich decke die konstruktive Seite des Pedelec-Antriebs ab. Gemeinsam konnten wir so ein umfassendes Konzept vorlegen, das neben der Entwicklung auch die Fertigung sowie Wartungsaspekte berücksichtigt. Das hat die Jury von der Machbarkeit unserer Idee überzeugt.“ Heute leitet Dietmar Greven die Produktentwicklung des Antriebs von AMPRIO. Das Start-up-Unternehmen wurde als Ergebnis des Intrapreneur-Awards eigens für die Entwicklung und den Vertrieb der Pedelec-Systeme gegründet.

Neue Rolle im Entwicklungsprozess

Für die beteiligten Mitarbeiter von Rheinmetall Automotive bedeutete der Einstieg in die Welt des Pedelec-Antriebs zunächst einmal ein komplettes Umdenken. In der Rolle des Automobilzulieferers erhält das Unternehmen in der Regel ein Lastenheft vom Kunden, das technische und konstruktive Eckdaten weitestgehend vorgibt. Die Herausforderung ist dann, das Produkt dementsprechend zu entwickeln und zu fertigen.

eine der ersten aufgaben für das junge unternehmen war es, die erwartungen des marktes zu analysieren 

Anders ist dies im E-Bike-Markt, der durch eine Vielzahl unterschiedlich großer Fahrradhersteller geprägt ist. Diese erstellen keinen eigenen Anforderungskatalog, sondern erwarten diese Leistung vom Pedelec-Antriebshersteller als Teil seiner Systemkompetenz. Eine der ersten Aufgaben des jungen Unternehmens war es daher, die Anforderungen an den Antrieb anhand einer Marktstudie zu analysieren und sie in einem eigenen Lastenheft zusammenzufassen. Kriterien waren unter anderem Lastkollektive, Abmessungen, Gewicht und natürlich auch Qualitätsaspekte. Zudem ist die Optik der bei Fahrrädern ja sichtbaren Komponenten ein nicht zu unterschätzender Faktor.

Das mittlerweile feststehende Pedelec-Konzept umfasst ein abgestimmtes Komplettsystem aus Antriebsaggregat, Akku und Bedieneinheit. Der Automobilzulieferer ist zudem auf hochentwickelte, technisch anspruchsvolle Komponenten spezialisiert, was zwangsläufig zu einer Positionierung des Antriebs im Premiumsegment führte. So ist auch die Akkueinheit schnellladefähig und besteht aus modernen zylindrischen 21700er-Zellen (Einzelzellgröße 21 x 70 mm). Außerdem wurde auch das Bediensystem eigens für AMPRIO entwickelt und zeichnet sich durch eine intuitiv erfassbare Logik und eine ablesefreundliche Bedieneroberfläche aus. Aber damit nicht genug, denn das Start-up wird zum Marktstart auch mit einem eigenen Konzept zur Konnektivität antreten.

Besonderen Wert legen die entwickler von amprio auf kompakte abmessungen und leichtbau

Der leistungsstarke Antrieb stemmt in der Spitze ein vergleichsweise hohes Drehmoment von 80 Newtonmetern. Wichtiger ist den Entwicklern jedoch die Regelgüte des Systems. Die Unterstützung muss sehr feinfühlig einsetzen und sich sensitiv an die Trittfrequenz und Tretkraft des Fahrers anpassen. „Unser Ziel ist es, dass der Antrieb seine Leistungsunterstützung unmerklich abgibt und für den Fahrradfahrer ein besonders harmonisches Fahrverhalten entsteht“, erklärt Holger Pries, bei AMPRIO zuständig für die Entwicklung des Gesamtsystems.

Kleine und leichte Antriebseinheit

Herzstück des Pedelec-Systems ist die Antriebseinheit aus Elektromotor, Übersetzungsgetriebe, Steuerungselektronik, Drehmomentsensor und Tretlager. Den selbst gestellten Anforderungen folgend, wurde besonderer Wert auf kompakte Abmessungen und Leichtbau gelegt. Bei der geometrischen Auslegung von Pedelec-Antrieben sind unter anderem zwei Parameter entscheidend: einerseits der Pedalabstand, also der sogenannte Q-Faktor, und andererseits die Gesamtlänge der Antriebseinheit. Ein geringer Pedalabstand sorgt dafür, dass der Fahrradfahrer beim Treten der Pedale seine natürliche Beinhaltung beibehalten kann. So ist die Tretlagerwelle des AMPRIO-Systems rund zehn Millimeter kürzer als bei den meisten Wettbewerberkonzepten. Dies ermöglicht nicht nur den geringen Q-Faktor, sondern schafft zudem Flexibilität bei der Wahl der Kraftübertragung auf die Hinterachse: Ohne Änderungen an der Antriebseinheit können die Hersteller ihre Fahrräder wahlweise mit Ketten- oder Zahnriemenantrieb ausrüsten. Der andere Aspekt, die geringe Baulänge des Antriebsgehäuses, ermöglicht einen kurzen Abstand zwischen Tretlager- und Hinterradachse. 

Marktentwicklung von E-Bikes in Deutschland

E-Bikes liegen im Trend. 2018 sind 980.000 Pedelecs alleine in Deutschland abgesetzt worden. Das entspricht einem Verkaufsplus von 36 Prozent. Mit einem ständig steigenden Anteil von aktuell 23,5 Prozent am Gesamtfahrradmarkt unterstreicht das E-Bike seine Bedeutung als wachsendes Fahrradsegment. Mittelfristig rechnet der Zweirad-Industrie-Verband inzwischen mit einem jährlichen Anteil am Gesamtfahrradmarkt von 30 Prozent, langfristig sogar mit bis zu 35 Prozent.

Dies verleiht dem Rad sehr gute Fahreigenschaften, die mit denen eines konventionellen Fahrrads ohne Elektroantrieb vergleichbar sind und bei hoher Wendigkeit ein besonders leichtes und dynamisches Handling erlauben. Dies ist besonders für Mountainbikes ein wichtiger Faktor. „In beiden Punkten sind wir gleichauf mit den führenden Mitbewerbern“, so Greven. 

Unternehmenssynergien führen zum Ziel 

Die kompakte Bauform der Antriebseinheit kann vor allem durch den eingesetzten Elektromotor realisiert werden. Das Unternehmen hat ihn im Konzernverbund speziell vor dem Hintergrund der besonderen Anforderungen eines Pedelec-Antriebs entwickelt. Aufgrund des großen Wicklungsfüllgrads hat er eine sehr hohe Leistungsdichte und erzeugt angesichts des eingesetzten Wicklungsdrahtdurchmessers nur wenig Wärmeverlust. Auch in anderen Bereichen nutzen die Neusser Entwickler Synergien innerhalb des Konzerns. So haben Kollegen aus dem Automobilbereich beispielsweise bei Prüfstandsuntersuchungen sowie bei der Auslegung des Gussgehäuses unterstützt. So konnte durch die konstruktive Optimierung der Gehäusebauteile und den Einsatz moderner Leichtbaulösungen ein Zielgewicht von unter drei Kilogramm für die Antriebseinheit realisiert werden.

Das Pedelec-System könnte als basis für den gesamten bereich der MikroElektromobilität dienen

Bei seiner Entwicklung nutzten die Ingenieure unter anderem die Möglichkeiten innovativer 3D-Drucktechniken, um kurzfristig Bauteilmuster für anstehende Akustik- und Leistungstests zur Verfügung zu haben. Dabei arbeiteten sie eng mit Solidteq zusammen, dem ebenfalls aus dem Intrapreneur-Award hervorgegangenen Start-up-Unternehmen für additive Fertigungsverfahren. Der Produktionsstart des Pedelec-Systems ist für 2020 geplant. Dabei wird man sich zunächst auf Mountainbikes und Fahrräder für die Bereiche Urban und Trecking fokussieren. Langfristig könnte das Unternehmen auf dieser Basis allerdings den gesamten Bereich der Mikroelektromobilität abdecken, vom Zwei- über das Drei- bis hin zum urbanen Vierradfahrzeug.

Heinrich Dismon

„Alles etwas schneller“

Heinrich Dismon, Chief Technical Officer der Rheinmetall Automotive AG, befasst sich normalerweise mit neuen Technologien für vier Räder, kennt sich aber auch bestens mit Zweirädern aus. Heartbeat sprach mit ihm über die Entwicklung des neuen AMPRIO-Systems.

Inwieweit konnten Sie bei der Entwicklung des Pedelec-Antriebs vom Know-how der anderen Bereiche der Rheinmetall-Gruppe profitieren?

Bei der Drive Unit konnten wir natürlich auf Know-how aus der Automotive-Gruppe zurückgreifen, zum Beispiel auf die Elektromotorkompetenz und generell auf mechatronisches Know-how. Auch bei der Elektronikkonfiguration und der Motoransteuerung war dieses Know-how von großem Nutzen. Bei vielen anderen Themen, wie zum Beispiel der Regelung des Elektromotors, gehen wir allerdings völlig neue Wege, da die Drive Unit im Gegensatz zu elektrischen Komponenten am Verbrennungsmotor unmittelbar mit dem Fahrer in Interaktion steht.  Die Drehmomentüberlagerung beim Pedelec ist subjektiv für den Endkunden differenzierend und das Feeling bzw. die Performance müssen halt gleichermaßen passen.

Wie sieht das bei den anderen von Ihnen entwickelten Komponenten aus?

Die Themen HMI und Batteriesystem sind genau wie der übergeordnete Systemansatz neu für uns und deshalb haben wir uns in diesen Bereichen externen Support geholt – bei der Entwicklung wie auch bei der Produktion. Gleichermaßen haben wir neue Mitarbeiter an Bord genommen, die neben ihrer Fachkompetenz auch Szenekenntnisse mitbringen. In Summe macht das gesamte Team tolle Fortschritte und einen wirklich klasse Job.

Wo lagen versteckte Klippen bei der Entwicklung?

Neu für uns als Rheinmetall Gruppe ist die völlig anders geartete Business-Umgebung in der Pedelec-Szene. Alles muss viel schneller als im Automotive-Bereich umgesetzt werden, da die Produktzyklen viel kürzer sind. Das Umfeld ist volatiler – positiv wie negativ – aber ich glaube dennoch, dass die Mikroelektromobilität ein wichtiges, zukunftsträchtiges Thema für Rheinmetall ist und hervorragende Chancen zur Diversifizierung bietet. 

Und umgekehrt: Was können die anderen Bereiche von AMPRIO lernen?

Wie schon bemerkt, muss in diesem Geschäftsumfeld alles etwas schneller gehen und trotzdem müssen dabei professionelle Ergebnisse erzielt werden. Die übrige Automotive-Welt wird sich aus meiner Sicht auch in diesen Modus bewegen müssen; das sieht man ja auch an den Umsetzungsgeschwindigkeiten der Newcomer in der Autowelt, beispielsweise bei den Elektroauto-Start-ups. Ein Übriges wird auch durch die neuen Themen Connectivity und Digitalisierung notwendig werden. Auch da ist Speed gefragt. Connectivity ist übrigens auch ein wichtiges Thema für uns im Pedelec-Business.

Sehen Sie künftige Änderungen der gesetzlichen Rahmenbedingungen für Pedelecs?

Es darf erwartet werden, dass der Gesetzgeber in Europa für Pedelecs speziell bei der Performance noch einmal Regulierungen bringen wird, sodass von den Fahrleistungen her dann alle auf einem Niveau liegen werden. Die Differenzierung muss dann in anderen Disziplinen erfolgen. Dazu zählt beispielsweise die Connectivity mit ihrer Relevanz für den Endverbraucher.

Ist der verwendete Elektromotor speziell für seinen Einsatzzweck und die entsprechenden Anforderungen entwickelt worden?

Ja, der Elektromotor, aber auch das Getriebe und selbst die Elektronik sind spezielle Lösungen. Ein Standardmotor, zum Beispiel aus einem unserer bestehenden elektromotorischen Produkte, würde hier nur eingeschränkt passen. Wir werden mit unserem Antrieb in das Pedelec-Power- und Sport-Segment einsteigen und dazu müssen wir an die Grenzen der motorischen Möglichkeiten gehen. Ein Beispiel ist hier die thermische Stabilität bei der Abgabeleistung, die bei einer Bergfahrt nicht nach wenigen Minuten einbrechen darf. Ein anderer wichtiger Punkt ist die Akustik. Da sich der Fahrer auf dem Pedelec extrem nah an der Antriebseinheit befindet, müssen Motor- oder besonders Getriebegeräusche maximal unterdrückt werden.

Das AMPRIO-System arbeitet mit einer elektrischen Spannung von 48 statt 36 Volt wie bei vielen Wettbewerbern. Warum haben Sie sich für die höhere Spannung entschieden?

Tatsächlich operieren mittlerweile einige Hersteller mit 48 Volt und die Newcomer der Szene setzen durchweg ebenfalls auf diese Spannung. Wir haben die Entscheidung aus mehreren Gründen getroffen. Zum einen können wir bei dem höheren Spannungsniveau die erforderlichen elektrischen Leistungen mit kleineren Strömen realisieren und somit auch kleinere Leitungsquerschnitte realisieren. Zum anderen besteht grundsätzlich auch mehr Potenzial zur Leistungssteigerung des Antriebs bzw. der Elektronik für andere Anwendungen. Nicht zuletzt war für uns auch ausschlaggebend, dass im Automotive-Sektor 48 Volt als Leitspannungsniveau für Nebenaggregate gesetzt sind und alle dafür erforderlichen Bauteile und technischen Lösungen in hohem Volumen verfügbar sind oder sein werden. Das schafft Sicherheit bei der Verfügbarkeit und wir erhoffen uns natürlich auch Kosteneffekte. 

Sie sind passionierter Zweiradfahrer. Wie stehen Sie zum Fahrrad und speziell zum E-Bike?

Ja, Zweiräder sind mein Hobby und dazu gehören auch ein MTB und ein Rennrad. Aktuell werde ich aber erst einmal versuchen, MTB weiter mit Muskelkraft zu fahren, zumal ich mir kein Rad mit Wettbewerberantrieb vorstellen kann. Wenn E-MTB, dann nur mit AMPRIO-Antrieb! Das versteht sich von selbst. 

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