Bosch: So werden E-Bike Motoren entwickelt

Es ist eine Suche, die zu einer Evolution im Zeitraffertempo geführt hat. Zwischen dem ersten E-Bike-Prototypen von Bosch aus dem Jahr 2008 und dem heutigen smarten System scheinen nicht 18 Jahre an Entwicklungsarbeit zu liegen, sondern Äonen. Man rekapituliere: Um 2005 kamen die ersten Elektrowerkzeuge von Bosch mit Lithium-Ionen-Akkus auf den Markt und erst 2010 hatten sie eine ausreichende Energiedichte, um in der Breite in E-Bikes zum Einsatz zu kommen. Hinter den Kulissen lief die Entwicklung eines Bosch-eigenen E-Bike-Antriebs also bereits. Und das mit einer mutigen Entscheidung: Anders als die damalige Konkurrenz setzte man in Kusterdingen von Anfang an auf den Mittelmotor. Erste OEM-Hersteller wie Cannondale oder Haibike waren also gezwungen, spezielle Rahmen für ein noch im Beta-Stadium befindliches Produkt zu bauen. «Das war eine Wette auf die Zukunft», räumt Philipp Kohlrausch ein, der durch die Ausstellung von inzwischen fünf Antriebsgenerationen führt. Er ist Leiter Systementwicklung und war von Anfang an dabei. «Eine entscheidende Hürde war, ob das wirtschaftlich überhaupt funktionieren kann. Man musste die reellen Marktchancen ausloten: Wie viele Fahrräder gibt es, wie viele müsste man davon elektrifizieren?» Doch welches Marktpotenzial tatsächlich hinter dem Produkt E-Bike steckt, war seinerzeit auch in Kusterdingen nicht ansatzweise absehbar.

Schon bevor die tresorartige Tür ins Schloss fällt, wird klar, dass in diesem Raum nichts dem Zufall überlassen wird. Das plötzliche Fehlen jeglichen Nachhalls lässt Stimmen dumpf klingen, als wäre der Kopf von einer Schicht Watte umhüllt. In der Mitte des schalltoten Raumes: ein einzelner CX-Motor. Auf einem Teststand montiert und von einer Batterie an Messmikrofonen umzingelt. «Das Ideal wäre ein Motor, der keinerlei Geräusche emittiert», erklärt Alexander Krätzer, der als Testleiter durch die Entwicklungslabore von Bosch führt. «Bei einem Antrieb, in dem auch Getriebe enthalten sind, ist das natürlich kaum machbar. Also testen wir verschiedene Materialien für unsere Bauteile nicht nur auf Festigkeit, sondern auch auf ihre akustischen Eigenschaften hin.» Was im Akustiklabor von Bosch passiert, zeigt die Detailversessenheit, mit der am eCampus, dem Hauptsitz von Bosch eBike Systems im schwäbischen Kusterdingen, an der Entwicklung neuer Antriebe gearbeitet wird.

Und das auch mit scheinbar unkonventionellen Methoden. Der Gang durch die Testlabore wirkt wie eine Exkursion in einen Folterkeller für Elektromotoren. Da simulieren Prüfstände einen harten Wiegetritt. Treiben den Motor mit maximalem Input wie Output bergauf, 24/7, bis das System versagt. Da drehen sich stur pedalierende Motoren in einem Regen aus Hochdruckdüsen, der einen Monsun zum Schauer degradiert. Andere Motoren malträtieren die Ingenieure im zähen Schlammbad der sogenannten «belgischen Mischung». Ein genau bemessener Mix aus Erde, Sand und Pflanzenfasern, und mit einem Blick als materialfressender Worst Case für jedes bewegliche System zu erkennen. «Die Gehäuse und Lager müssen auch nach Jahren noch dicht sein, um die Elektronik zu schützen», erklärt Alexander Krätzer. «Aber zugleich soll das System leichtgängig sein, damit man auch ohne Motorunterstützung pedalieren kann. Was wir hier tun, ist die beständige Suche nach dem optimalen Kompromiss!»

Von dem natürlichen Fahrgefühl heutiger E-Bike-Antriebe war die erste, im Jahr 2011 auf den Markt gebrachte Motorengeneration freilich noch weit entfernt. Der «elektrische Rückenwind» wehte seinerzeit noch im On/Off-Modus und erzeugte bei vielen frühen Anwendern ein Gefühl der Fremdbestimmung. Sicher wurden die damaligen Motoren schon nach den noch heute gültigen Qualitätsmassstäben gefertigt – einzelne Exemplare erreichten Laufleistungen von bis zu 123‘000 Kilometern –, doch waren die übrigen Komponenten, wie Schaltungen oder Ketten, der Belastung noch nicht gewachsen und verschlissen im Akkord. Und auch die Akku-Technologie war lange Zeit noch ein limitierender Faktor. Immerhin bereicherte sie die Fahrradwelt um die Wortneuschöpfung der «Reichweitenangst».

Letztere effektiv zu bekämpfen, ist eines der erklärten Ziele der Ingenieure in Boschs neuem «Battery Lab». Was von aussen wie ein beliebiger Zweckbau in einem Gewerbegebiet daherkommt, entpuppt sich bei näherem Hinsehen als High-Tech-Labor. «In sehr seltenen Fällen und unter ungünstigen Umständen können Lithium-Ionen-Akkus Feuer fangen», erklärt Johannes Dürr, Leiter des Battery Lab. «Ein solcher Unfall muss in der Praxis, also beim Endkunden, durch sorgfältige Entwicklungsarbeit bestmöglich ausgeschlossen werden. Daher bringen wir die Akkus unter kontrollierten Bedingungen in und über den absoluten Grenzbereich und testen teils über die gesetzlichen Anforderungen hinaus.» Kontrolle? Was Testingenieure darunter verstehen, mutet wie mutwillige Sachbeschädigung an. Ein Schafott-ähnliches Konstrukt lässt Akku-Packs auf Betonfussböden knallen. Hochgeschwindigkeitskameras halten beim Aufprall mit vielen Hundert Frames pro Sekunde fest, wie sich der Akku dabei hoffentlich nicht in seine Einzelteile zerlegt. Es gibt Hitze- und Kältekammern, in denen Akkupacks und einzelne Zellen gezielt über- und tiefentladen oder gar kurzgeschlossen werden. Und einen riesigen Wasservorrat für den Fall, dass auch die strengste Kontrolle einmal versagen sollte.

«Wie leistungsfähig oder sicher ein Akkupack ist, hängt nicht zuletzt vom BMS ab, also dem integrierten Battery-Management-System», erklärt Johannes Dürr. «Das BMS erkennt zum Beispiel defekte Zellen oder Kurzschlüsse und kann die Batterie in kürzester Zeit in einen sicheren Zustand bringen. Und damit es erst gar nicht dazu kommt, optimiert das BMS die Entladung und insbesondere die Ladung des Packs, indem es die Ströme für jede einzelne Zelle regelt.» Das Ergebnis dieser aufwendigen Entwicklungsarbeit sind nicht nur Akkupacks mit einer bisher unerreichten Energiedichte. Auch das in diesem Sommer vorgestellte Schnellladegerät mit 12 Ampere Ladestrom hat Gamechanger-Potenzial. «Damit lässt sich ein 800-Wh-Akku in unter einer Stunde von Null auf 50 Prozent laden», ergänzt Johannes Dürr befriedigt. «Dabei wiegt der Charger gerade mal ein Kilo und ist so kompakt, dass man ihn im Rucksack transportieren kann!»

An Stellschrauben, mit denen sich die Leistung der Bosch-Antriebe hardwareseitig optimieren lässt, scheint es am eCampus nicht zu fehlen. Doch Kraft ist nichts ohne Kontrolle. Und die findet bei modernen Systemen auf Software-Ebene statt. Um zu demonstrieren, was die Matrix tut, laden Produktmanager Sebastian Baumgärtner und sein Kollege Armin Fischer aus dem technischen Vertrieb auf die Hometrails der Schwäbischen Alb. Auf Bike wie Smartphone installiert: die neueste Software-Version namens Performance Upgrade 2.0, welche das Fahrerlebnis beim sportlichen E-Mountainbiken auf ein neues Level heben soll. Beim ersten Blick auf die Spezifikationen will es scheinen, als hätte Bosch schlicht der vorauseilenden Konkurrenz nachgezogen. Schliesslich gibt das Upgrade schlummernde Leistungsreserven des Systems frei, sodass sich eine Unterstützung um bis zu 600 Prozent der eigenen Tretleistung und ein maximales Drehmoment von 120 Newtonmetern abrufen lassen. Doch mit simplem Tuning gibt man sich in Kusterdingen nicht zufrieden.

«Die zusätzliche Leistung stellt das System nicht permanent zur Verfügung», erklärt Sebastian Baumgärtner. «Stattdessen wertet die intelligente Fahrsoftware ständig die Daten von zahlreichen Lage- und Kraftsensoren aus und kann so zuverlässig die aktuelle Fahrsituation erkennen. In fahrtechnisch anspruchsvollen Schlüsselstellen reagiert das System auf einen dynamisch erhöhten Druck aufs Pedal und stellt die volle Kraft präzise dosiert zur Verfügung.» Dass sich das System direkt nach der schwierigen Passage von selbst wieder aufs Normalmass zurückregelt, um den Verschleiss zu minimieren und die mögliche Reichweite nicht aufs Spiel zu setzen, erscheint da schon fast selbstverständlich. Und klar erkennt das System auch, wann ein simples Plus an Leistung zu viel des Guten wäre.

Etwa am Tag der Testfahrt: Nach wochenlanger Dürre haben ergiebige Regenfälle in der Nacht den Grip der schwäbischen Mittelgebirgstrails spürbar verringert. Statt brachialer Kraftentfaltung ist eher ein sensibler Druck aufs Pedal gefragt. «Hier spielt ‹Dynamic Control›, die neue Traktionskontrolle in der eBike Flow App, ihre Stärken aus!», erklärt Armin Fischer. «Grob gesagt lässt sich damit regeln, wie viel Kraft das System zusätzlich bereitstellt. Und ob die Kraft unmittelbar zur Verfügung steht oder sich in einer Kurve aufbaut.» Dass hinter dieser Aussage mehr steckt als reines Marketing, macht eine schlammige, mit Wurzeln gespickte Steilstufe klar. Was im ersten Versuch noch nahezu unfahrbar wirkte, lässt sich mit einem Griff zur eBike Flow App spürbar zähmen. Plötzlich scheinen die Reifen auf dem Boden zu kleben, während das System dank eines immer noch deutlichen Pushs mit neuen Erfolgserlebnissen belohnt.

Die Testfahrt macht klar: Das Performance Upgrade 2.0 verwandelt die eBike Flow App in ein Tool, das eine der Formel 1 würdige Feinabstimmung des Bikes erlaubt. Oder um es mit den Worten von Claus Fleischer zu sagen, dem Geschäftsleiter von Bosch eBike Systems: