Inhoud

Een elektrische fiets is een fiets die door een elektromotor aangedreven wordt, al dan niet in combinatie met spierkracht. De elektrische fiets met zelfstandige aandrijving heet ook wel E-bike (Engels, spreek uit als: ie-baaik) en komt van electric bike. De elektrische fiets die werkt in combinatie met spierkracht, en dus alleen ondersteuning geeft, heet officieel in Nederland fiets met trapondersteuning. Zo'n fiets wordt ook wel pedelec genoemd.(komt uit de samentrekking van de Engelse woorden pedal en electric).

Geschiedenis

Negentiende eeuw
De eerste ideeën voor elektrische fietsen zijn in de jaren negentig van de 19e eeuw gedocumenteerd in diverse Amerikaanse patenten. Zo kreeg Ogden Bolton Jr. op 31 december 1895 een patent (US Patent 552271) voor een met batterij aangedreven fiets, met een "6-pole brush-and-commutator direct current (DC) hub motor mounted in the rear wheel." Deze fiets had geen versnellingen en de motor werkte tot 100 Ampère uit een 10 volts-accu.

Twee jaar later, in 1897, ontwikkelde Hosea W. Libbey uit Boston een elektrische fiets (US Patent 596272) die werd aangedreven door een dubbele elektrische motor. Deze motor was ontworpen binnen in de trapas. Eind jaren negentig van de 20e eeuw is dit model herontwikkeld en min of meer geïmiteerd door Giant bij de Lafree elektrische fietsen.

In 1898 werd een met het achterwiel aangedreven elektrische fiets gepatenteerd door Mathew J. Steffens. Steffens maakte gebruik van een systeem om het achterwiel rechtstreeks via de achterband aan te drijven. Het in 1899 door John Schnepf gepatenteerde systeem (US Patent 627066) gebruikt een vergelijkbare techniek.

Twintigste eeuw
Schnepfs uitvinding is in 1969 doorontwikkeld door G.A. Wood Jr. en opnieuw gepatenteerd (US Patent 3431994). Woods product gebruikte vier kleine motoren; ieder met minder dan dan een halve pk, met elkaar gecombineerd door een serie tandwielen.

Krachtsensoren en motoraansturingssystemen werden in de late jaren negentig van de 20e eeuw ontwikkeld. Een voorbeeld is het Japanse patent van Takad Yutky uit 1997 voor zo'n product. In 1992 verkocht Vector Services Limited een elektrische fiets met de (vertaalde) naam Zike. Deze fiets maakte gebruik van een Nikkel-Cadmium (NiCd)-accu die in het frame verwerkt was en werkte met een 850 gram zware permanentemagneetmotor. Naast de Zike waren er in 1992 nauwelijks elektrische fietsen commercieel verkrijgbaar. In 1998 was dit aantal echter gegroeid tot op z'n minst 49 verschillende fietsen. De productie groeide van 1993 tot 2004 met zo'n 35% terwijl de productie van gewone fietsen in die periode juist daalde.

Eenentwintigste eeuw
Door verbetering van de accutechnologie werden de elektrische fietsen beter; ze werden lichter maar konden toch langere afstanden op een volle accu behalen. Goedkope fietsen bleven echter gebruikmaken van een loodaccu of een NiCd-accu terwijl de nieuwere en duurdere fietsen een Nikkel-Metaal Hydride (NiMH)-accu of een Lithium ion (Li-ion)-accu gebruiken waardoor die qua gewicht en actieradius achterbleven. In 2004 werden de elektrische fietsen onder andere geproduceerd door Kalkhoff, Currie Technologies, EV Global, Optibike, Giante Lite, Mérida, ZAP en Sparta.

Sparta was de eerste tweewielerfabrikant die de elektrische fiets zeer groot aanpakte. Als eerste werd in 1998 de Sparta Pharos geïntroduceerd. Deze fiets maakte gebruik van het elektrische systeem dat door Yamaha ontwikkeld is. In 2003 introduceerde Sparta de Sparta Ion. Deze fiets is volledig door Sparta zelf ontwikkeld. Inmiddels maken ook de andere merken uit de Accell Group waar Sparta toe behoort gebruik van deze Ion-technologie.

In 2001 kwamen de termen E-bike, pedelec en elektrisch ondersteunde fiets op om deze fietsen te beschrijven. Volgens Google is E-bike als term sterk in populariteit gegroeid. De E-bike refereert eigenlijk aan de elektrische fiets die met een gashendel bediend wordt maar wordt ook veel gebruikt om pedelecs aan te duiden.

Vandaag de dag is China de grootste producent van elektrische fietsen. Gebaseerd op de cijfers van de China Bicycle Association, een door de Chinese overheid ingestelde industriële groep, verkochten Chinese fabrikanten in 2004 7,5 miljoen elektrische fietsen over de hele wereld. Dit was het dubbele aantal van de verkoopcijfers van 2003. In 2005 steeg de verkoop tot zo'n 10 miljoen stuks en zo'n 16 tot 18 miljoen stuks in 2006.

In 2007 besloeg het geschatte aantal elektrische fietsen zo'n 10 tot 20% van alle tweewielers in vele grote steden wereldwijd. Ook hiervan is een groot deel geïmporteerd uit China (3 miljoen stuks met een waarde van 40 miljard Yuan ($5,8 miljard) in alleen 2006).

De E-bike

De E-bike is in het kort gezegd een fiets met een gashendel. Met deze hendel wordt een elektrische motor aangestuurd. Naarmate er meer gas gegeven wordt zal de fiets harder gaan rijden. Toch is de E-bike nog steeds een fiets. De bestuurder kan dus ook zelf fietsen zonder de motor aan te spreken. Er bestaan varianten van de E-bike die ook de functionaliteit van een pedelec hebben; via de besturing kan de gebruiker enkele ondersteuningsniveaus selecteren.

De pedelec of fiets met trapondersteuning

De pedelec maakt uitsluitend gebruik van een elektrische hulpmotor. De gebruiker kan deze motor activeren door de fiets met spierkracht voort te bewegen. Deze beweging wordt geregistreerd door een sensor die aan de besturing doorgeeft hoeveel ondersteuning gegeven moet worden. Er bestaan twee type sensoren die dit kunnen regelen; de rotatiesensor en de trapkrachtsensor. Vaak is er een combinatie van de 2 sensoren op de fiets, dit om meer veiligheid in te bouwen bij het gebruik van de trapkrachtsensor in combinatie met de rotatiesensor. De ondersteuning zal pas gaan werken als de trapkrachtsensor signaleert dat er gefietst wordt. Fietsen met dit systeem worden in Nederland het meest verkocht.

Rotatiesensor
Een rotatiesensor werkt op dezelfde wijze als een fietscomputer, een magneetje komt langs de sensor en als de magneet vaker langs de sensor komt wordt er sneller gefietst. Deze sensor zit meestal direct aan de crank of trapas bevestigd. Wanneer dus de trapfrequentie (RPM, rotaties per minuut) toeneemt zal de motor meer ondersteuning geven. Het voordeel bij deze sensor is dat de ondersteuning meteen aanslaat bij het wegrijden, de aansturing hoeft niet eerst de kracht te meten. Het nadeel is echter dat je bij langzaam fietsen een niet zo nauwkeurige ondersteuning krijgt.

Trapkrachtsensor
Een trapkrachtsensor maakt gebruik van het principe dat het frame licht vervormt als gevolg van de kracht die op de pedalen wordt gezet. Deze kracht wordt namelijk via de ketting op het achterwiel overgebracht. Door de pedaalkracht wordt de achteras een fractie naar voren getrokken en vervormt het frame licht. Door een extra sleuf in het achterpad te maken en daar een trapkrachtsensor in te plaatsen kan de vervorming in het frame als verplaatsing gemeten worden. De trapkrachtsensor bestaat uit een plastic behuizing die een printplaat (PCB), een magneet, een bal en een voorspanveer bevat. De sensor is gemonteerd op de uitval en meet de doorbuiging van de drop-out welke wordt veroorzaakt door de kettingkracht, welke de berijder door middel van druk op de pedalen geeft. De sensor is verbonden met de besturingseenheid door een 3 polige aansluitkabel. De PCB huisvest het Hall-sensor element dat gevoelig is voor de positie van de magneet. De roestvrij stalen kogel wordt in het 'huis' geplaatst om een optimaal contact tussen de uitval sensorplaat en de plastic behuizing te garanderen, de veer zorgt ervoor dat de kogel stevig tegen de uitval aandrukt. De printplaat is beschermd tegen vocht, zout en stof, door een speciale coating. Aan de hand van die meetwaarden kan de hoeveelheid te leveren ondersteuning bepaald worden. Het voordeel is dan ook dat er bij veel kracht (en dus een lage trapfrequentie) veel ondersteuning geboden wordt. Het nadeel is echter dat vooral bij wegrijden uit stilstand niet direct ondersteuning wordt gegeven omdat de aansturing eerst moet registreren dat er gereden wordt om onveilige situaties te voorkomen.

Motor, accu en display

Het elektrische systeem is natuurlijk het belangrijkste onderdeel van een elektrische fiets. Er zijn vele verschillende leveranciers van complete systemen. Vooral de goedkopere merken plaatsen dat één op één op hun fiets. Soms maken ze ook gebruik van complete OEM-frames. Deze zijn door deze leveranciers ontwikkeld als compleet platform voor hun elektrische systeem. Een compleet elektrisch systeem omvat drie onderdelen en de benodigde bekabeling; de motor, de accu en de display.

Motor
Elektrische fietsen maken gebruik van een borstelloze motor. Hierdoor kan de gebruiker de fiets ook zonder ondersteuning gebruiken zonder dat dit veel zwaarder fietst. Een borstelloze motor draait vrij rond als er geen ondersteuning ingeschakeld is. Wel zal de gebruiker het extra gewicht van de motor en accu meetrappen en dat zal wel wat zwaarder aanvoelen. De motor kan op drie plaatsen worden gemonteerd; in het voorwiel, in het achterwiel of in het frame.

Motoraandrijving in het frame komt men relatief weinig tegen, de meeste elektrische fietsen in Nederland en België hebben een voor- of achterwielmotor. Het maakt voor het gewicht van de fiets weinig uit of de motor in het voor- of achterwiel is geplaatst. Als voordeel voor de achterwielmotor wordt vaak genoemd dat je meer het gevoel van een zetje in de rug hebt, dus altijd de wind mee hebt. De voorwielmotor trekt je juist vooruit, het hoge gewicht van de motor in het voorwiel zorgt ervoor dat het sturen zwaarder en minder comfortabel aanvoelt. Het nadeel van een achterwielmotor is dat toepassing samen naafversnelling en gesloten kettingkast niet mogelijk is omdat dit nog niet te combineren valt. Daardoor zul je bij fietsen met een dichte kettingkast dus altijd een voorwielmotor tegenkomen. Uitzondering hierop is de motor van het Canadese bedrijf BionX die ook bestaat in een uitvoering met een drieversnellingsnaaf van SRAM. Wanneer de motor in het frame is geplaatst, zit deze meestal net achter de trapas, waarbij deze door middel van een extra tandwiel de ketting aandrijft. Deze aandrijving levert de meest natuurlijke trapondersteuning op waardoor de gebruiker minder kracht hoeft te leveren. Een mogelijk nadeel is wel dat de wielbasis van de fiets vaak wat groter is. Dit komt doordat het hele systeem (motor en accu) vaak tussen de zadelbuis en het achterwiel is geplaatst. Daarom maakt men het frame iets langer om hier ruimte voor te maken.

Daarnaast zijn er enkele uitzonderingen die op een minder conventionele wijze voor trapondersteuning zorgen, deze groep is echter verwaarloosbaar klein. De motor van een pedelec mag niet meer dan 250 Watt aan continu vermogen leveren. De meeste fietsmerken hanteren dit maximum dan ook om een zo krachtig mogelijke trapondersteuning te kunnen geven. Goedkopere merken zullen echter vaker een minder krachtige motor plaatsen. Deze verbruikt minder energie en daardoor kan in combinatie met een goedkopere accu toch nog een behoorlijke actieradius worden behaald.

Accu
In de beginjaren van de elektrische fiets werd er gebruikgemaakt van lood-accu's en NiCd-accu's. Deze zijn door verschillende redenen in onbruik geraakt. Door de lagere aanschafwaarde kunnen deze nog wel voorkomen op goedkopere fietsen. Veel fietsen maken tegenwoordig gebruik van NiMH-accu's of Li-ion-accu's. De laatste ontwikkeling op accugebied voor elektrische fietsen is de LFP-accu. Deze technologie bestaat al een aantal jaren, maar begint nu echt door te breken. Er zijn inmiddels al elektrische fietsen te koop met dit type accu.

De capaciteit van een accu wordt vaak weergegeven in het aantal Ampère-uur (Ah). Dit is echter nog niet de volledige capaciteit. Voor een objectieve vergelijking kan het beste het aantal Ah met het voltage (doorgaans 24V of 36V) van het systeem worden vermenigvuldigd. Hierdoor wordt de capaciteit in het aantal Wattuur (Wh) berekend. Het aantal Wh geeft de maximale hoeveelheid energie weer die de accu kan leveren. Veel fietsen zijn anno 2010 uitgerust met een accucapaciteit van tussen de ca. 200 tot 460 Wh. Het aantal kilometers dat behaald kan worden de actieradius varieert sterk en is afhankelijk van de accucapaciteit, de laadtoestand van de accu, en de mate van trapondersteuning. Ook de weg- en weersomstandigheden, het gewicht van berijder en bagage, en de bandenspanning spelen een belangrijke rol. Daarnaast is de omgevingstemperatuur van grote invloed op de actieradius. Rond het vriespunt neemt het vermogen van de accu en daarmee de actieradius sterk af. Ook het voltage, en de leeftijd van de accu zijn mede bepalend voor de actieradius. Meestal bedraagt de actieradius met een volledig geladen accu enkele tientallen kilometers.

Er zal een moment aanbreken dat men merkt dat de accu zijn beste tijd heeft gehad, doordat de actieradius sterk is afgenomen. De accu gaat een aantal ladingen mee maar zal op een gegeven moment de geest geven. Men kan dan twee dingen doen. Naar de fietsenmaker en een compleet nieuwe accu kopen of laten monteren bij een niet uitneembare accu, of de accu laten reviseren bij een gespecialiseerd accu revisie bedrijf. Bij revisie behoudt men de bestaande behuizing en elektronica van de accu, alleen de verouderde oplaadbare cellen worden vervangen. Een goed gereviseerde accu heeft dezelfde kwaliteit als een nieuwe accu maar is voordeliger dan het aanschaffen of het laten installeren van een compleet nieuwe accu.

Voor het merendeel worden fietsaccu's op drie verschillende plaatsen gemonteerd: in of aan de onderste framebuis, achter de zadelbuis, of op of in de bagagedrager. Daarnaast zijn er nog een veelvoud van andere oplossingen waarbij accu's bijvoorbeeld in een tas aan de bagagedrager of aan het stuur worden geplaatst. Een achter de zadelbuis gemonteerde accu zal meestal in combinatie met een framemotor worden gebruikt omdat hierdoor het zwaartepunt laag blijft wat de stabiliteit ten goede komt. Een nadeel is het al eerder genoemde verlengde frame, dat bij dit aandrijfsysteem noodzakelijk is. Een in of aan de onderste framebuis geplaatste accu komt veel voor bij achterwielmotoren, dit om het gewicht van accu en motor zo optimaal mogelijk te verdelen. Een voordeel van deze oplossing is ook dat de elektrische fiets er nog steeds uitziet als een gewone fiets. Een nadeel is echter dat de accu niet uitneembaar is, waardoor er altijd binnen een straal van twee meter rond de fietsstalling een contactdoos aanwezig moet zijn om deze te kunnen opladen. Vanwege de gewichtsverdeling komt de accu op of in de bagagedrager veel voor bij fietsen met een voorwielmotor. Het voordeel van deze plaatsing is, dat de accu uitneembaar is, waardoor deze overal op te laden is. Een nadeel is echter dat door de hoge plaatsing van de accu, het zwaartepunt van de fiets hoger komt te liggen, wat de wegligging nadelig kan beïnvloeden.

Display
Via de display die vaak op het stuur gemonteerd wordt kan de gebruiker de hoeveelheid ondersteuning instellen. Dit kan een heel eenvoudige display zijn die met led-lampjes de accu-status en het ondersteuningsniveau aangeven tot een uitgebreide digitale computer die naast de eerder genoemde functies verschillende ritdata functies, actieradius en met een grafiekje de hoeveelheid geleverde energie weergeven. Vaak bevatten deze computers ook een knop om de verlichting in of uit te schakelen. In sommige gevallen is de display ook afneembaar. Deze functioneert dan als elektronisch slot. Immers, zonder display kan het elektrische systeem niet bediend worden en is diefstal onaantrekkelijk. Vaak heeft de display dan ook een uniek ID-nummer waardoor alleen een specifiek display het systeem zal activeren.

Ombouw gewone fiets
Er bestaan ook systemen die een gewone fiets tot elektrische fiets om kunnen bouwen. Daarbij is de framemotor niet mogelijk en ook kan de accu niet in een framebuis worden geplaatst. Wanneer een fiets nog in goede staat is, kan het dus interessant zijn om via een aftermarketset die fiets alsnog elektrisch te maken. Dit is vaak goedkoper dan de aanschaf van een nieuwe fiets.

Milieu- en gezondheidsaspecten

Elektrische fietsen dragen op diverse manieren bij aan een beter milieu en aan kunnen ook de gezondheid van de gebruiker positief beïnvloeden.

Milieu
De meeste elektrische fietsen worden bestempeld als emissievrije voertuigen aangezien ze geen verbrandingsproducten opleveren. Hierbij zijn de milieueffecten van elektriciteitsopwekking, transport van elektriciteit en de productie en verwerking van batterijen met een (nu nog) gelimiteerde levensduur niet meegerekend. Toch, met deze punten in gedachte houdend, hebben elektrische fietsen een significant lagere milieu-impact dan bijvoorbeeld de auto en is daarom dan in het algemeen bekeken een zeer gewenst vervoermiddel (zeker) voor onder andere vervoer in een stadse omgeving. De lage milieu-impact kan worden toegelicht door de bijzonder lage elektriciteitskosten voor het opladen van een fietsaccu, deze bedragen bij een kilowattuurprijs van 20 cent minder dan 10 cent. Ook zijn de stroomkosten per km van een elektrische fiets meer dan 50 keer zo laag als de brandstofkosten bij een auto.

Het kleine formaat van de accu van een elektrische fiets, relatief gezien ten opzichte van bijvoorbeeld de accu's van een elektrische auto, maakt dit product ook interessant voor het opladen via zonne-energie of andere vormen van duurzame energie.

Vanwege de milieuvoordelen van elektrische fietsen hebben sommige gemeentebesturen besloten om volledig gebruik te maken van de elektrische fiets, zoals Little Rock (Arkansas) met hun Wavecrest-elektrisch ondersteunde fietsen en Cloverdale (Californië) met de Zap-elektrische politiefietsen. Chinese e-bike-fabrikanten, zoals Xinri, werken nu samen met universiteiten om de technologie verder te verbeteren in lijn met de internationale milieustandaarden. Dit wordt ook gestimuleerd door de Chinese regering om hiermee de export van Chinese e-bikes te stimuleren.

Gezondheid
Voor ouderen en mensen met medische klachten die zich niet meer op een gewone fiets makkelijk kunnen voort bewegen, biedt een elektrische fiets uitkomst. De fiets ontlast knie- en heupgewrichten omdat er minder kracht nodig is om de pedalen rond te krijgen. Daarnaast is er minder kracht en uithoudingsvermogen nodig. Daardoor kunnen deze mensen langer in beweging blijven wat in het algemeen goed is voor hun gezondheid. Elektrische fietsen kunnen ook helpen bij de trainingsprogramma's van hartpatiënten. Gebleken is dat trainingsprogramma's gebaseerd op oefeningen zoals fietsen het aantal doden bij hart- en vaatziekten zoals hartinfarcten met 27% afnemen. Ook blijkt dat deze patiënten zich veiliger voelen als ze met een elektrische fiets rijden in plaats van een gewone fiets omdat er minder hartactiviteit nodig is tijdens het fietsen.

Markt

Nederland wordt gezien als hét fietsland van de wereld met meer dan 18 miljoen fietsen die staan voor zo'n 40% van al het verkeer. Elektrische fietsen hebben een marktaandeel van 10% bereikt in 2009. De verkoopcijfers zijn bijna verviervoudigd van 40 000 naar 153 000 stuks tussen 2006 en 2009. Hiermee is ongeveer 25% van de totale verkoop van fietsen in 2009 een elektrische fiets. Uit onderzoek blijkt dat de gemiddelde afstand die op een gewone fiets wordt afgelegd 6,3 kilometer bedraagt, terwijl deze afstand met een elektrische fiets tot 9,8 kilometer stijgt. Dit onderzoek laat ook zien nog vooral senioren (65+) een elektrische fiets bezitten, maar dat onder forenzen het aantal eigenaren nog erg beperkt is. De elektrische fiets wordt dan ook vooral gebruikt voor recreatieve ritjes en boodschappen doen. In de Achterhoek wordt echter het gebruik van elektrische fietsen gestimuleerd door de introductie van oplaadpunten in een regiodekkend netwerk. Een gelijksoortig netwerk is ook in Gooi & Vecht, de regio die 't Gooi en de Vechtstreek omvat, gerealiseerd.

Regelgeving

In de regels worden elektrisch ondersteunde fietsen normaal gesproken geclassificeerd als pedelecs of E-bikes. Er zijn geen wereldwijde standaarden en normen voor deze fietsen. In de Verenigde Staten zijn deze regels zelfs per staat verschillend. De eerste regels voor pedelecs in de Europese Unie (EU) zijn in juni 2003 in het Verenigd Koninkrijk aangenomen. Alleen pedelecs die aan deze regels voldoen worden als gewone fietsen erkend. De eerste voorwaarde voor een pedelec is dat de motor geactiveerd moet worden als gevolg van het trappen door de gebruiker. De motor moet dan ook direct stil vallen als de gebruiker stopt met trappen. Vervolgens mag het maximaal toegestane nominaal continu vermogen van de hulpmotor hooguit 250 watt zijn en boven de 25 km/h dient de trapondersteuning onderbroken te worden. Vaak resulteert dit in een curve van ondersteuning waarbij deze rond de 20 km/h gaat afbouwen. Hierdoor zal de ondersteuning ongemerkt wegvallen en moet de gebruiker steeds meer eigen kracht gebruiken om snelheid te behouden. In Nederland zijn fietsen met trapondersteuning per 2006 vrijgesteld van de verzekeringsplicht op grond van de Wet aansprakelijkheidsverzekering motorrijtuigen (Wam).

Op 31 juli 2009 is een nieuwe Europese veiligheidsstandaard van kracht geworden, de EPAC - "Electrically Pedal Assisted Cycle" (met normnummer EN 15194). De al geldende regels worden aangevuld met extra regels en deze dienen in de gehele EU uitgevoerd te worden. Een pedelec mag nu maximaal een 48-voltssysteem hebben. Ook moet elke pedelec die in de EU verkocht wordt (dus ook geïmporteerde fietsen uit de rest van de wereld) voldoen aan de EMC-standaard. Zo wordt voorkomen dat een eventueel magnetisch veld van het elektrische systeem voor verstoringen bij andere elektrische apparatuur kan veroorzaken.