Leitfaden zur Steuerung von Elektrorollern: Prinzipien, Technologie & Häufige Probleme
Die Rolle und Bedeutung von Scooter-Controllern
Bei einem Elektroroller bestimmen drei Kernkomponenten seine Leistung: die Batterie (Energiespeicher), der Motor (Erzeugung der Antriebskraft) und die Steuerung (Koordination und Steuerung). Wenn die Batterie wie ein Kraftstofftank und der Motor wie ein Verbrennungsmotor ist, dann ist die Steuerung das Gehirn des gesamten Fahrzeugs.
Der Controller empfängt Signale von Gaspedal, Bremsen und anderen Eingängen und trifft in Echtzeit Entscheidungen über die Spannungs- und Stromabgabe zum Antrieb des Motors. Er beeinflusst nicht nur die Beschleunigung aus dem Stand, die Steigfähigkeit und das Bremsverhalten, sondern bestimmt auch maßgeblich die allgemeine Energieeffizienz und das Fahrerlebnis des Rollers.
Das Verständnis der Funktionsweise von Controllern hilft nicht nur bei der Auswahl des richtigen Rollers, sondern ermöglicht es Benutzern auch, festzustellen, ob häufige Leistungsprobleme mit dem Controller zusammenhängen. Dieser Artikel bietet eine grundlegende Einführung in die Funktionsweise von Elektroroller-Controllern.
Grundlegende Funktionsprinzipien von Controllern
Variable Geschwindigkeitsregelung bei konstanter Spannungsversorgung
Die meisten Elektroroller verwenden Lithiumbatterien, die stabilen Gleichstrom (DC) liefern, typischerweise mit Spannungen von 36 V, 48 V oder 60 V – diese Spannung bleibt konstant. Die Hauptaufgabe des Controllers besteht darin, die Leistung unter konstanten Spannungsbedingungen flexibel anzupassen, sodass der Motor je nach Fahranforderung unterschiedliche Geschwindigkeiten und Schub erzeugen kann.
Stellen Sie sich die Batterie als Wasserbehälter vor – der Controller ist wie ein Wasserhahn am Auslass. Er kann den Wasserdruck im Behälter nicht ändern, aber er kann steuern, wie lange das Wasser fließt.
Die Kernmethode des Controllers: PWM (Pulsweitenmodulation)
Der Controller erreicht die „Magie“ der Spannungsregelung durch eine Technik namens PWM (Pulsweitenmodulation).
Im Controller befinden sich viele schnell schaltende Leistungshalbleiter (wie MOSFETs), die mit extrem hohen Frequenzen (Tausende oder sogar Zehntausende Male pro Sekunde) zwischen den Zuständen „Ein“ und „Aus“ wechseln.
- Wenn der Schalter eingeschaltet ist, erhält der Motor die volle Spannung
- Wenn es ausgeschaltet ist, erhält der Motor 0 V
Der Anteil der „Einschaltdauer“ wird als Arbeitszyklus bezeichnet.
Zum Beispiel:
- 100 % Einschaltdauer = immer mit Strom versorgt, Motor läuft mit maximaler Geschwindigkeit
- 50 % Einschaltdauer = die Hälfte der Zeit mit Strom versorgt, der Motor fühlt sich an, als würde er nur die halbe Spannung empfangen
- 0 % Arbeitszyklus = keine Leistung, Motor stoppt
In realen Steuerungen sind die PWM-Zyklen sehr kurz – beispielsweise 20 kHz (Zyklus = 1/20.000 Sekunden = 0,00005 Sekunden). Das bedeutet, dass die Steuerung alle 0,00005 Sekunden eine Ein- oder Aus-Entscheidung trifft. Durch diese schnelle Umschaltung nimmt der Motor nicht jeden einzelnen Ein-/Aus-Zyklus wahr, sondern erfährt stattdessen eine kontinuierliche, stabile „Durchschnittsspannung“.
Durch die Anpassung der Durchschnittsspannung reguliert der Controller effektiv den zum Antrieb des Motors erforderlichen Strom und steuert dadurch das vom Motor erzeugte Drehmoment und erreicht letztendlich eine Drehzahlregelung.
Steuerlogikarchitektur in Controllern
Die meisten Steuerungen für Elektroroller verwenden eine Geschwindigkeits- und Stromschleifen-Steuerungsstrategie, um eine präzise Steuerung und einen Motorschutz zu erreichen.
Geschwindigkeitsschleife
Der Gashebel gibt tatsächlich eine „Zielgeschwindigkeit“ vor. Der Controller verwendet eine „Geschwindigkeitsschleife“, um die aktuelle Motorgeschwindigkeit mit dem Zielwert zu vergleichen und zu bestimmen, wie viel Strom ausgegeben werden muss, um die Zielgeschwindigkeit zu erreichen.
Stromschleife
Gemäß der Formel (τ = Kt × I) bestimmt der Strom den Schub. Das Drehmoment τ des Motors (die Antriebskraft) ist direkt proportional zum durch ihn fließenden Strom (I).
Der Controller überwacht kontinuierlich den Motorstrom und passt den PWM-Arbeitszyklus entsprechend dem Zielstromwert an, um den idealen Strompegel zu erreichen. Diese Rückkopplungsschleife wird als „Stromschleife“ bezeichnet.
Die Stromschleife reagiert schnell und präzise und passt die Leistung innerhalb von Millisekunden an. So wird der Motor vor Überstromschäden geschützt und gleichzeitig ein ruhiges und kraftvolles Fahren gewährleistet.
Die Steuerlogik funktioniert wie folgt: „Drehzahlschleife → bestimmt Zielstrom“ und „Stromschleife → passt PWM tatsächlich an“. Durch diese zweischichtige Regelkreisstruktur wird durch Koordination eine präzise Steuerung erreicht.
Fortschrittliche Technologien in modernen Scooter-Controllern
FOC (Feldorientierte Regelung)
High-End-Controller verwenden häufig FOC (Field Oriented Control), eine fortschrittlichere Steuerungsmethode als die herkömmliche „Rechteckwellensteuerung“.
FOC berechnet die Stromphase präzise, um den Strom stets auf das Magnetfeld des Motors auszurichten und so die Effizienz und Reaktionsgeschwindigkeit zu verbessern. Zu den Vorteilen gehören:
- Leiserer Betrieb: Motorgeräusche werden deutlich reduziert
- Sanftere Leistung: Sanfte Beschleunigung ohne Ruckeln
- Energieeffizienter: Höhere Stromausnutzung, geringere Verluste
Regeneratives Bremsen (Energierückgewinnung)
Einige Roller unterstützen regeneratives Bremsen. Dabei erzeugt der Motor beim Abbremsen oder Bergabfahren Strom, gewinnt kinetische Energie zurück und speichert sie im Akku. Dies erhöht nicht nur die Reichweite, sondern reduziert auch den Verschleiß der Bremsbeläge. Die tatsächliche Energierückgewinnung ist derzeit jedoch begrenzt.
Der Controller übernimmt dabei die Doppelfunktion „Geschwindigkeitsregelung + Lademanagement“.
Controller und BMS (Batteriemanagementsystem) Zusammenarbeit
Controller arbeiten eng mit dem Batteriemanagementsystem (BMS) zusammen und spielen eine entscheidende Rolle für den Gesamtenergieverbrauch und die Sicherheit des Fahrzeugs:
- Echtzeitüberwachung von Batteriespannung und -strom
- Vermeidung von Überladung, Überentladung oder Stromanomalien
- Stromverteilung und Temperaturschutz
Hochleistungs-Controller können sogar über Bluetooth eine Verbindung zu Smartphones herstellen und den Controller-Status sowie Fehlerinformationen in Echtzeit anzeigen.
Häufige Probleme und Missverständnisse
1. Ist eine höhere Controllerleistung immer besser?
Nicht unbedingt. Höhere Leistung bedeutet zwar mehr Strom und stärkeren Schub, aber auch eine höhere Belastung von Akku und Motor, was die Reichweite verringert. Wenn der Akku nicht mithält, kann es zu Stromausfällen oder Komponentenschäden kommen.
2. Ist der Controller des Elektrorollers nach dem Austausch des Motors oder der Batterie noch kompatibel?
Das kommt darauf an. Controller haben begrenzte Betriebsspannungs- und Strombereiche – eine Überschreitung dieser Bereiche führt zu Inkompatibilität. Nach dem Austausch eines Motors müssen Sie außerdem sicherstellen, dass der Controller den Motortyp (z. B. bürstenloser BLDC/Bürstenmotor) unterstützt.
3. Warum kommt es beim Bergauffahren manchmal zu einem „plötzlichen Leistungsverlust“ oder einer „unzureichenden Leistung“?
Dies könnte daran liegen, dass der Controller in den Überstromschutzmodus wechselt (