Die Umrüstung auf einen elektrischen Antrieb beginnt mit einer grundlegenden Frage: Welche Anforderungen muss das neue System überhaupt erfüllen? Im Fall der Timpe Te dient der Antrieb nicht als primäre Fortbewegungsquelle, sondern als Hilfsantrieb. Typische Einsatzbereiche sind also Hafenmanöver und gelegentliche Motorfahrten bei Flaute.
Auswahl des Elektromotors
Das Herzstück des Antriebssystems der Timpe Te bildet ein wassergekühlter bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor), der HPM5000. Die Wahl fiel auf einen Motor aus der HPM-Serie von Golden Motor, die speziell für kleinere Elektrofahrzeuge und Umrüstungsprojekte entwickelt wurde. Die Baureihe ist in verschiedenen Leistungsstufen von 3 kW bis 20 kW erhältlich und wird sowohl luft- als auch wassergekühlt angeboten.
Inzwischen bietet der Hersteller weitere Modelle und Serien an, die bei vergleichbarer Leistung ein noch höheres Drehmoment liefern und sich daher für den Einsatz im Boot sogar noch besser eignen. Die Maschinen von Golden Motor, einem chinesischen Hersteller, sind im Vergleich zu Innenbordmotoren beispielsweise von Aquamot deutlich günstiger. Allerdings erfordert ihr Einsatz etwas mehr Tüftelei beim Einbau sowie die Auswahl eines passenden Controllers und weiterer elektronischer Steuerungskomponenten.
Dazu später mehr. Nach welchen Kriterien ein geeigneter Motor ausgewählt werden sollte, wird im Beitrag Auslegung des Antriebssystems – Propellerkennlinien, Maschinendaten und Systemabstimmung näher erläutert.
Ein großer Vorteil bei der Planung des Antriebs ist, dass der Hersteller technische Zeichnungen und CAD-Daten zur Verfügung stellt. Dadurch können Motorhalterungen, Wellenverbindungen und weitere Bauteile bereits in der Konstruktionsphase ausgelegt werden – für ein Umrüstungsprojekt mit hohem Eigenleistungsanteil eine feine Sache.
Der HPM5000 verfügt – wie der Name bereits vermuten lässt – über eine Nennleistung von 5 kW. Das maximale Drehmoment beträgt rund 28 Nm, während der Motor lediglich etwa 12 kg auf die Waage bringt. Zum Vergleich: Die zuvor verbaute Dieselmaschine wog rund 90 kg.
Elektrisch wird der Motor über drei Phasen mit Energie versorgt. Ein weiterer Leitungsstrang überträgt die Signale der integrierten Hall-Sensoren sowie des Temperatursensors an die Steuerungseinheit. Insgesamt ist der Motor somit über vier Kabelverbindungen mit dem Controller verbunden.
Die Steuerungseinheit als Bindeglied zwischen Batterie und Motor
Damit aus der elektrischen Energie in Form von Gleichstrom aus der Batterie eine kontrollierte Drehbewegung entsteht, muss der Stromfluss in den einzelnen Motorwicklungen permanent an die aktuelle Rotorposition angepasst werden. Diese Aufgabe übernimmt die Steuerungseinheit, häufig auch Controller oder Control Unit (CU) genannt.
Die eingesetzte Steuerung stammt von Kelly Controller, einem Hersteller von Controllern für permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM). Sie bildet das zentrale Bindeglied zwischen Energiespeicher und Antriebsmaschine.
Der Controller wandelt die Gleichspannung aus der Batterie in eine Dreiphasen-Spannung um, die den Motor antreibt. So regelt er die Drehzahl, begrenzt Ströme und überwacht zahlreiche Betriebsparameter wie beispielsweise die Motortemperatur. Darüber hinaus kann die Steuerung verschiedene Eingangssignale verarbeiten.
Über eine Software lassen sich Parameter wie die maximale Drehzahl, Strombegrenzungen, Temperaturgrenzen oder auch die Rekuperationsfunktion individuell anpassen. Die Konfiguration erfolgt dabei über eine Schnittstelle am Computer.
Haptische Bedienelemente wie ein „Gashebel“ sind im Vergleich zu den Kernkomponenten des Antriebssystems vernachlässigbar kostengünstig, da sie im Wesentlichen aus Standard-Elektronik bestehen. Ein solcher Gashebel besteht beispielsweise lediglich aus einem Potentiometer, das die Stellung des Hebels in ein analoges Spannungssignal im Bereich von 0 V bis +5 V umwandelt. Über dieses Spannungssignal wird die Soll-Drehzahl des Antriebs vorgegeben. Dadurch sind der Gestaltung der Bedienelemente hinsichtlich Ergonomie, Form und Design kaum Grenzen gesetzt (zuletzt hatten wir einfach nur ein kleines Drehpoti – gasgeben mit zwei Fingern geht so auch)
Die Suche nach einer geeigneten Batterie
Die Frage nach der passenden Batterie bereitet oftmals Kopfzerbrechen. Welche Leistung wird der Antrieb im Betrieb tatsächlich aufnehmen? Wie lange kann damit gefahren werden? Ohne die Leistungsaufnahme im stationären Betrieb – je nach Einsatz, beispielsweise bei Flautenfahrten – zu kennen, ist es schwierig, die erforderliche Batteriegröße abzuschätzen.
Außerdem spielen die Abmessungen sowie das Gewicht eine entscheidende Rolle bei der Integration dieses größten Bauteils des Antriebs. Und nicht zuletzt sind auch die Kosten ein wichtiger Faktor, der nicht vernachlässigt werden sollte.
Für die Umrüstung der Timpe Te hatten wir folgende Anforderungen an die Batterie:
- Betriebsspannung von mindestens 48 V
- Kapazität von mindestens 100 Ah (entspricht bei 48V rund 5 kWh gespeicherter Energie)
- möglichst geringes Gewicht
- kompakte Abmessungen
- wirtschaftlich vertretbare Kosten
48-V-Batterien sind deutlich seltener auf dem Markt vertreten als 12V- oder 24V-Batterien. Diese ließen sich zwar in Reihe schalten, um die benötigte Spannung zu erreichen. Dabei können jedoch Probleme durch unterschiedlich stark entladene Batterien auftreten. Bereits kleine Unterschiede in den Kontaktwiderständen oder den Verbindungsleitungen können dazu führen, dass einzelne Batterien stärker belastet werden als andere. Langfristig wirkt sich dies negativ auf die Lebensdauer des gesamten Batteriesystems aus und sollte daher möglichst vermieden werden.
Aufgrund der damals (zum Zeitpunkt der Umrüstung) begrenzten Verfügbarkeit geeigneter 48-V-Batterien entschieden wir uns für eine modulare Lösung: einen Batteriespeicher aus einzelnen 3,2-V-LiFePO₄-Zellen, die in Reihe geschaltet werden. Die Anzahl der Zellen lässt sich dabei flexibel an die benötigte Systemspannung anpassen. Diese Lösung war gleichzeitig auch die wirtschaftlichste.
Bemerkenswert ist, wie stark sich der Markt seitdem verändert hat. Zwischen 2022 und 2026 sind die Preise für LiFePO₄-Zellen je nach Hersteller und Anwendung um etwa 40 bis 50 % gesunken.
Zum gewählten Batteriesystem gehört ein Batteriemanagementsystem (BMS). Dieses übernimmt zahlreiche Überwachungs- und Schutzfunktionen.
Die Zellspannungen aller 16 Einzelzellen werden kontinuierlich überwacht und miteinander verglichen. Darüber hinaus überwacht das BMS Temperaturen, Lade- und Entladeströme sowie den Ladezustand des Akkus. Wird ein kritischer Betriebszustand erreicht, kann das System den Akku automatisch schützen und gegebenenfalls abschalten.
Sämtliche Betriebsdaten lassen sich über einen Bluetooth-Adapter auf einem Smartphone anzeigen. Dies ist besonders hilfreich, um die verbleibende Reichweite abzuschätzen und den Antrieb möglichst effizient zu betreiben.
Kostenübersicht des Antriebssystems (im Jahr 2022)
Während der Elektromotor mit rund 660 € und die Steuerungseinheit mit etwa 417 € vergleichsweise günstig ausfallen, stellt die Batterie mit rund 1.750 € den größten Einzelposten dar.
Im Vergleich zu vielen Plug-and-Play-Lösungen mit integriertem Controller bietet diese Konfiguration dennoch einen deutlichen Kostenvorteil. Für einen Elektro-Innenborder vergleichbarer Leistungsklasse werden allein für Motor, integrierten Controller und die zugehörige Montageeinheit schnell rund 5.000 € fällig. Gleichzeitig bleiben bei der hier vorgestellten Lösung sämtliche Komponenten zugänglich, austauschbar und individuell anpassbar.
Allerdings erfordert die Montage eines solchen modularen Systems einige zusätzliche Bauteile und konstruktive Überlegungen, die bei hochintegrierten Komplettsystemen bereits werkseitig berücksichtigt sind. Mehr zu diesen mechanischen Aspekten der Integration gibt es im Beitrag Mechanische Aspekte des Antriebs – Montage, Kupplung und Lager.