Elektronik Bordnetze, Generator und Starter

Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse Automobil Elektrik / Elektronik Bordnetze, Generator und Starter Veranstaltungsinhalte*       ...
Author: Hanna Bäcker
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Fachhochschule Südwestfalen Wir geben Impulse

Automobil Elektrik / Elektronik Bordnetze, Generator und Starter

Veranstaltungsinhalte*               

Veranstaltung 1, 01.10.2015: Veranstaltung 2, 08.10.2015: Veranstaltung 3, 15.10.2015: Veranstaltung 4, 22.10.2015: Veranstaltung 5, 29.10.2015: Veranstaltung 6, 05.11.2015: Veranstaltung 7, 12.11.2015: Veranstaltung 8, 19.11.2015: Veranstaltung 9, 26.11.2015: Veranstaltung 10, 03.12.2015: Veranstaltung 11, 10.12.2015: Veranstaltung 12, 17.12.2015: Veranstaltung 13, 07.01.2016: Veranstaltung 14, 14.01.2016: Veranstaltung 15, 21.01.2016:

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 2 (09/2015)

Einführung ; Wiederholung Elektrotechnik Bordnetze, Generator und Starter Netzarchitektur, Bussysteme und Mikroelektronik Sensorik und Steuergeräte Sensorik 2 Beleuchtung / Lichttechnik Fahrerassistenzsysteme / MMI Fahrerassistenzsysteme 2 Fahrerassistenzsysteme / Erprobung und Versuch Umfeldüberwachung Mediasysteme Telematik Informations- und Kommunikationssysteme e-mobility Autonomes Fahren

* Plan, Änderungen im Lauf der Veranstaltung möglich

Lernziel

 Die Studenten sollen in die Lage versetzt werden, das Fachwissen zu Bordnetzen zu erlangen  Verständnis der grundlegendenden Strukturen und Geräte zu festigen  Sie sind damit in der Lage Bordnetze zu bewerten und auf die Automotiven Applikationen anzuwenden

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 3 (09/2015)

Inhalte der Vorlesung 2

1) Bordsysteme a) Einführung b) Überblick c) Aufgabe des Energiebordnetzes d) Zeitverläufe 2) Topologie der Ein- und Mehrspannungsbordnetze a) Einbaulage der Energiepufferung b) Einspannungsbordnetze c) Mehrspannungsbordnetze d) Leitungssatz / Kabelbäume e) Klemmenbelegung /Klemmenbezeichnung Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 4 (09/2015)

Inhalte der Vorlesung 2

4) Batterien und ergänzende Energiespeicher a) Aufgaben b) Typen von Akkumulatoren (Werkstoff / Parameter) c) Arbeitsweise von Bleibatterien d) Batterieausführungen e) Kenngrößen der Batterie 5) Fahrzeuggeneratoren d) Starter e) Generator f) Integrierte Startergeneratoren 6) Elektrisches Energiemanagement Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 5 (09/2015)

1) Das Bordnetz  Unter dem Begriff Bordnetz sei hier das System von Leitungen verstanden, das zum einen Energie von den Energiequellen im Fahrzeug (Batterie/Generator) zu den Verbrauchern überträgt, zum anderen aber auch Signale und Informationen elektrisch und in Einzelfällen auch optisch überträgt  Während sich an den Energieflüssen in den letzten Jahrzehnten bis auf die Zunahme zahlreicher Kleinverbraucher nicht viel geändert hat, ist der Informationsaustausch zwischen den immer mehr werdenden elektronischen Steuergeräten geradezu explodiert.  Dies führte dazu, dass Informationen heute über digitale Bussysteme wie den CAN-Bus übertragen werden.  Eine weitere Stufe zur Beherrschung der zunehmenden Verkabelung wäre die drahtlose Signalübertragung. In der Praxis scheitert diese aber an den zahlreichen abschirmenden Metallstrukturen im Fahrzeug und an den zu erwartenden Problemen im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit Prof.(EMV). Dr.-Ing. R. Kolke Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik Prof. Dr. Karsten Müller Folie 6 (09/2015)

1.a) Das Bordnetz

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 7 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

1.a) Das Bordnetz  Das Energiebordnetz eines Kfz besteht aus dem Generator als Energiewandler, einer oder mehreren Batterien als Energiespeicher und den elektrischen Geräten als Verbraucher.  Mithilfe der Energie aus der Batterie wird der Fahrzeugmotor über den Starter gestartet.  Im Fahrbetrieb müssen Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte, die Sicherheits- und Komfortelektronik, die Beleuchtung und weitere Geräte mit Strom versorgt werden.  Der Generator liefert hierfür sowie zum Laden der Batterie die benötigte elektrische Energie.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 8 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.a) Das Bordnetz  Gestiegene Ansprüche an Komfort und Sicherheit führen zu einem erheblichen Anstieg des Energiebedarfs im Bordnetz.  Zudem setzt sich der Trend fort, immer mehr Fahrzeugkomponenten zu elektrifizieren (z. B. Sitzverstellung, elektrische Feststellbremse, elektrische Lenkhilfe).  Die Nennleistung der Generatoren reicht von ca. 1 kW im Kleinwagen bis über 3 kW in der Oberklasse. Das ist weniger, als die Verbraucher in der Summe benötigen.  Das bedeutet, dass zeitweise auch die Batterie im Fahrbetrieb Energie liefern muss.  Alle Komponenten sollten so dimensioniert sein, dass die Ladebilanz der Batterie im Betrieb stets positiv oder zumindest ausgeglichen ist..  Arbeitsblätter A1 und A2 : Zeit 15 min.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 9 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.b) Bordelektrik Überblick über das Bordnetz

A1

Übersicht elektrischer Verbraucher im Fahrzeug (gemittelte Messwerte unterschiedlicher Fahrzeuge)

Radio Hifi Verstärker iPod Mobiltelefon Sitzheizung (1 Sitz) Klimaanlage (ohne Kompressor) Lüftung (min) Lüftung (mittel) Lüftung (max) Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 10 (09/2015)

15 21 10 - 400+ 2 4 102 51 51 171 310

0 0 0 0

x x x x

0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

x x x x x 0

0 0 0 0 0 X

Elektrische Verbraucher

Winter / Wetter

Navigation

125 110 120 46 8 52 27 6 21 58 / 2 50 53

Sonstig

Abblendlicht Nebelscheinwerfer Fernlicht Tagfahrlicht Tagfahrlicht LED Standlicht Innenraumlicht Kofferraumbeleuchtung Rückfahrscheinwerfer Blinker Bremslicht Nebel-Schlussleuchte

Mittelwert [W]

1. Welche Verbraucher haben den Maximalverbrauch, welche den Minimalverbrauch? 2. Wie hoch ist der Mehrverbrauch in Kraftstoff?

Kompfort

Klima

Multimedia

Licht

Verbraucher

LangKurzDauerzeitzeitverbrauverbrau- verbraucher cher cher 0 x 0 0 x 0 0 x 0 x 0 0 0 x 0 0 0 x 0 0 x 0 0 x 0 0 x 0 0 x x 0 0 0 x 0

Verbraucher

Mittelwert [W]

Scheibenwischer Frontscheibenheizung Heckscheibenheizung Beheizte Außenspiegel Standheizung / Zusatzheizer Heckscheibenwischer Scheiben und Scheinwerferreinigung

80-140 540 185 30 - 40 45 - 110 30 - 55 50 - 100

Mobiles Navigationssystem Fensterheber Sitzverstellung Schiebedach elektrisch Lenkradheizung Elektrohydraulisches Verdeck Kühlbox

Quelle: ADAC, 2012

KurzLangDauerzeitzeitverbrauverbrau- verbraucher cher cher 0 x 0 0 x 0 0 x 0 0 x 0 0 x 0 0 x 0 0 0 x

7

0

x

0

110 100 - 150 150 - 200 50 bis zu 600 55

0 0 0 0 0 0

0 0 0 x 0 x

x x x 0 x 0

1.b) Bordelektrik Überblick über das Bordnetz Messung ohne Last 1 2 3

Messung ohne Last 1 2 3

Messung ohne Last 1 2 3

Otto Motor NEFZ Innerorst (Mazda 5 1.8) Elektr. Last Verbrauch Mehrverbrauch Mehrverbrauch [W] [l/100km] Absolut in l je 100W 0 7,95 260 8,65 0,70 0,27 390 8,75 0,80 0,21 730 9,51 1,56 0,21 Otto Motor NEFZ Außerorsts (Mazda 5 1.8) Elektr. Last Verbrauch Mehrverbrauch Mehrverbrauch [W] in l je 100W [l/100km] Absolut 0 5,59 260 5,76 0,17 0,07 390 5,81 0,22 0,06 730 6,02 0,43 0,06 Otto Motor NEFZ Gesamt (Mazda 5 1.8) Elektr. Last Verbrauch Mehrverbrauch Mehrverbrauch [l/100km] [W] Absolut in l je 100W 0 6,46 260 6,83 0,37 0,14 390 6,9 0,44 0,11 730 7,3 0,84 0,12

Messung ohne Last 1 2 3

Messung ohne Last 1 2 3

Messung ohne Last 1 2 3

Diesel Motor NEFZ Innerorst (Polo 1.6 TDI) Elektr. Last Verbrauch Mehrverbrauch Mehrverbrauch [W] in l je 100W [l/100km] Absolut 0 5,18 250 5,53 0,35 0,14 350 5,66 0,48 0,14 730 6,18 1,00 0,14 Diesel Motor NEFZ Außerorsts (Polo 1.6 TDI) Elektr. Last Verbrauch Mehrverbrauch Mehrverbrauch in l je 100W [W] [l/100km] Absolut 0 3,81 250 3,94 0,13 0,05 350 3,95 0,14 0,04 730 4,10 0,29 0,04

A2 Leite eine Faustformel zum Mehrverbrauch ab!

Diesel Motor NEFZ Gesamt (Polo 1.6 TDI) Elektr. Last Verbrauch Mehrverbrauch Mehrverbrauch [l/100km] in l je 100W [W] Absolut 0 4,32 250 4,52 0,20 0,08 350 4,59 0,27 0,08 730 4,87 0,55 0,08

Leerlaufverbrauch mit zunehmender elektrischer Last beim VW Polo 1.6 TDI 0,8 0,75

Mehrverbrauch [l/h]

0,7 0,65 0,6 0,55 0,5

0,4 0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

elektrische Leistung [W]

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 11 (09/2015)

Quelle: ADAC, 2012

700,0

800,0

900,0

Quelle: ADAC, 2012

0,45

1.c) Aufgabe des Energiebordnetzes  Bei laufendem Motor liefert der Generator Strom (IG, Bild 1.c1). Damit der Generator die Batterie laden kann, muss er die Bordnetzspannung über die Batterie-Leerlaufspannung anheben.  Das kann der Generator jedoch nur, wenn die zugeschalteten Verbraucher ihm nicht mehr Strom abverlangen, als er liefern kann. Ist der Verbraucherstrom IV im Bordnetz höher als der Generatorstrom IG (z. B. bei Motorleerlauf), so wird die Batterie entladen. Die Bordnetzspannung sinkt auf das Spannungsniveau der belasteten Batterie.  Der maximale Generatorstrom hängt stark von der Drehzahl und der Generatortemperatur ab. Bei Motorleerlauf kann der Generator nur 55…65 % seiner Nennleistung abgeben. Direkt nach einem Kaltstart bei niedrigen Außentemperaturen ist der Generator jedoch in der Lage, ab mittlerer Motordrehzahl bis zu 120 % seiner Nennleistung in das Bordnetz zu speisen.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 12 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.c) Aufgabe des Energiebordnetzes  Wenn der Motor warm ist, heizt sich der Motorraum abhängig von der Außentemperatur und der Motorbelastung auf 60…120°C auf.  Hohe Motorraumtemperaturen verursachen hohe Wicklungswiderstände, die die maximale Generatorleistung reduzieren.  Über die Auswahl von Batterie, Generator, Starter und der anderen Verbraucher im Bordnetz muss eine ausgeglichene Ladebilanz der Batterie sichergestellt werden, so dass − immer ein Starten des Verbrennungsmotors möglich ist und − nach Abstellen des Motors bestimmte elektrische Verbraucher noch eine angemessene Zeit betrieben werden können.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 13 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.c) Aufgabe des Energiebordnetzes

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 14 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.c) Aufgabe des Energiebordnetzes  Das elektrische System im Kraftfahrzeug lässt sich als Zusammenspiel des Energiewandlers (Generator), des Energiespeichers (Batterie) und der Verbraucher darstellen(Bild 1.c1).  Bei abgezogenem Zündschlüssel werden nur wenige Verbraucher mit Spannung versorgt (z. B. Diebstahlalarmanlage, Autoradio, Standheizung).  Der Anschluss, über den diese Verbraucher versorgt werden, wird als Klemme 30 (Dauerplus) bezeichnet.  Die übrigen Verbraucher sind an Klemme 15 angeschlossen. In Fahrtschalterstellung Zündung ein wird die Batteriespannung auf diese Klemme geschaltet, sodass nun alle Verbraucher an die Stromversorgung angeschlossen sind.  Der Generator wird über den Keilriemen von der Kurbelwelle angetrieben und wandelt die mechanische Leistung in elektrische Leistung. Der Generatorregler begrenzt die abgegebene Leistung so weit, dass die im Regler eingestellte Sollspannung (14,0…14,5 V) nicht überschritten wird.. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 15 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.d) Bordelektrik , Zeitverläufe  Damit in den Statorwicklungen im Generator eine Spannung induziert werden kann, ist ein Magnetfeld im Rotor erforderlich.  Bei niedrigen Drehzahlen nach dem Start ist eine Selbsterregung nicht möglich. Die erste Erregung des Generators nach dem Start wird deshalb von der Batterie übernommen.

 Die benötigte Verbraucherleistung ist während einer Fahrt nicht konstant.  Sie ist insbesondere in den ersten Minuten nach dem Start sehr hoch und sinkt dann ab  Arbeitsblätter A3 bis A5 : Zeit 10 min. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 16 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.d) Bordelektrik , Zeitverläufe

A3

Neuer Europäischer Fahrzyklus 140 Innerorts

Außerorts

120

Geschwindigkeit [km/h]

100

80

60

40

20

0 0

200

400

600 Zeit [s]

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 17 (09/2015)

Quelle: ADAC, 2012

800

1000

1200

1.d) Bordelektrik , Zeitverläufe

A4

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 18 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

1.d) Bordelektrik , Zeitverläufe

A5

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 19 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2) Topologie der Ein- und Mehrspannungsbordnetze  Bis auf einige Oldtimer mit 6-V-Bordnetz und einige Versuchsfahrzeuge haben derzeit zugelassene PKW eine 12-V-Batterie und einen Generator, der eine höhere Ladespannung von 14V in das Bordnetz einspeist (12-VBordnetz).  Bei LKW sind diese Werte doppelt so hoch, wobei dort 2 Batterien zu je 12V in Reihe geschaltet sind.  Bei Zweirädern wird das 6-V-Netz langsam vom 12-V-Netz verdrängt.  In Zukunft ist mit neuen Fahrzeugsystemen wie „Brake-by-Wire“ oder „Steerby-Wire“ zu rechnen, die einen hohen Bedarf an elektrischer Energie haben. Damit steigen auch die Ströme im Bordnetz an und so quadratisch die Leitungsverluste .  Durch Einsatz einer höheren Bordnetzspannung kann die gleiche Leistung mit reduzierten Strömen übertragen werden. Je höher die Spannungen sind, umso geringer werden die Leitungsverluste. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 20 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

2) Topologie der Ein- und Mehrspannungsbordnetze  Die Entwicklung an dem seit über 10 Jahren angekündigten 42-V-Netz wurde eingestellt.  Überraschend kam im Juni 2011 die Ankündigung mehrerer Hersteller, ein Bordnetz mit 48V Batteriespannung einführen zu wollen. Vermutlich wird dieses erstmalig 2015 in einem Serienfahrzeug zum Einsatz  Das Konzept, bei erhöhtem Leistungsbedarf die Spannung anzuheben, ist auch in elektrischen Energieversorgungsnetzen üblich. So werden Fernleitungen nicht mit 230V, sondern in Deutschland mit bis zu 380 kV betrieben. Es liegt zunächst nahe, dies im Bordnetz eines Fahrzeugs ähnlich zu tun, also einen zentralen Strang mit hoher Spannung (natürlich keine 380 kV) zu legen, aus dem leistungsstarke Verbraucher auch direkt versorgt werden.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 21 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

2) Topologie der Ein- und Mehrspannungsbordnetze  16.06.2015: Welche elektrischen Spannungslagen sich im Pkw durchsetzen, wurde vergangene Woche auf der 27. AVL-Tagung "Motor und Umwelt" in Graz mit mehr als 300 Teilnehmern aus 20 Ländern diskutiert. Die Elektrifizierung moderner Antriebssysteme wurde hier speziell aus dem Blickwinkel der Spannungslage bewertet.  Gegenübergestellt wurden die Bordnetzspannungen 12 -48 - 96 - 400 - 800 Volt (V). Professor Dr. h.c. Helmut List hob in seiner Eröffnungsrede als wichtigstes Ziel die Absenkung des Kraftstoffverbrauchs - einerseits im Hinblick auf kommende CO2Gesetzgebungen und andererseits als "Diesel-Ersatz" - für wichtige Märkte wie USA, China und Japan hervor. Entscheidend für den Markterfolg seien aber auch die Kosten..

Artikel : 48V setzt sich durch und Hochvoltkompetenz als PDF

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 22 (09/2015)

Quelle: Springer: 48 Volt setzt sich durch | Automobil- und Motorentechnik > Aus der Branche > Nachrichten

2) Topologie der Ein- und Mehrspannungsbordnetze 42 Volt Bordnetz  In vielen Geräten arbeiten Bausteine, die für Spannungen von 5 V oder weniger vorgesehen sind. In jedem Gerät müsste dann die Spannung sehr weit von 48 V auf 5 V heruntergesetzt werden.  Die Lösung des Problems ist eine Kombination aus einem 12 V Netz für Kleinverbraucher und ein 48 V Netz für Großverbraucher. Zweckmäßiger weise werden beide über einen Schaltwandler gekoppelt.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 23 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik; ergänzt mit 48V

2) Topologie der Ein- und Mehrspannungsbordnetze  Darstellung einer einfachen Baumstruktur angewendet auf Bordnetze. Knotenpunkte sind hier Anschlüsse an die Energieversorgung und Steuergeräte, Endpunkte sind die Verbraucher

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 24 (09/2015)

Quelle: http://www.db-hueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate22462/ilm1-2010000450.pdf

2.a) Einbaulage des Pufferspeichers  Die Batterie ist bei den meisten Autos im Motorraum untergebracht. Eine große Batterie (z. B. 100 Ah) nimmt jedoch sehr viel Platz in Anspruch und kann bei beengten Motorraumverhältnissen u. U. nicht eingebaut werden. Ein weiteres Argument gegen einen Einbau im Motorraum kann die hohe Umgebungstemperatur sein.  Eine Alternative ist der Einbau im Kofferraum oder im Fahrgastraum (z. B. unter Beifahrersitz).  Die Leitung zwischen der im Motorraum eingebauten Batterie und dem Generator ist kürzer als beim Einbau im Kofferraum. Das wirkt sich auf den Leitungswiderstand und damit direkt auf den Spannungsfall auf der Leitung aus.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 25 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.a) Einbaulage des Pufferspeichers  Der Spannungsfall  UD1 am Leitungswiderstand RL1 beträgt  UD1 = RL1 ・ IG, mit IG = IV + IB  IG Generatorstrom,  IV Verbraucherstrom von RV1 und RV2,  IB Batterieladestrom.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 26 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.a) Einbaulage des Pufferspeichers  Die im Kofferraum eingebaute Batterie benötigt eine längere Zuleitung mit dem zusätzlichen Leitungswiderstand RL2 . An diesem Widerstand entsteht der Spannungsfall  UD2 = RL2 ・ (IB + IV2), mit IV2 Verbraucherstrom von RV2.

 Aufgrund des höheren Spannungsfalls ist die Ladespannung für die im Kofferraum eingebaute Batterie also geringer. Die zusätzliche von RL2 verursachte Spannungsdifferenz kann durch eine Erhöhung des Sollwerts der Generatorspannung ausgeglichen werden. Dadurch wird die Leistung des Generators höher.  Einen entscheidenden Einfluss auf diese Spannung hat aufgrund des hohen Starterstroms der Widerstand der Zuleitung. Für die Variante mit der im Kofferraum eingebauten Batterie ist die Leitung zwischen Batterie und Starter länger als beim Motorraumeinbau, entsprechend höher ist der Widerstand und somit auch der Spannungsfall. Für eine gute Startfähigkeit ist somit der Batterieeinbau im Motorraum mit kurzen Leitungen zum Starter günstiger.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 27 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.b) Topologie der Einspannungsbordnetze  Im Ein-Batterie-Bordnetz, wie es im Pkw-Bereich vorwiegend zu finden ist, dient als Energiespeicher eine Batterie, die sowohl den Strom für den Startvorgang liefert als auch die Energieversorgung für die Verbraucher bei fehlender (Motorstillstand) oder unzureichender (Leerlaufphasen) Generatorleistung übernimmt.  Dieses Konzept ist derzeit am meisten verbreitet, da es die kostengünstigste Lösung für die Energieversorgung im Kraftfahrzeug darstellt.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 28 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.b) Topologie der Einspannungsbordnetze Nachteile des Ein-Batterie-Bordnetzes  Während des Startvorganges wird die Batterie mit hohen Strömen (300…500 A) belastet. Der damit verbundene Spannungseinbruch wirkt sich nachteilig auf bestimmte Verbraucher aus (z. B. Unterspannungs-Reset bei Geräten mit Mikrocontroller) und sollte so gering wie möglich sein.  Im Fahrbetrieb fließen dagegen nur noch vergleichsweise geringe Ströme.  Für eine zuverlässige Stromversorgung ist die Kapazität der Batterie maßgebend. Beide Eigenschaften – Leistung und Kapazität – lassen sich nicht gleichzeitig optimieren.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 29 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.b) Topologie der Einspannungsbordnetze  Bei Bordnetzausführungen mit zwei Batterien – Startspeicher und Versorgungsbatterie – werden durch das Bordnetzsteuergerät die Batteriefunktionen Bereitstellung hoher Leistung für den Startvorgang und Versorgung des Bordnetzes getrennt.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 30 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.b) Topologie der Einspannungsbordnetze  Der Startspeicher muss nur für eine begrenzte Zeit (Startvorgang) einen hohen Strom liefern. Er wird daher auf eine hohe Leistungsdichte (hohe Leistung bei geringem Gewicht) ausgelegt. Weil er ein kleines Volumen hat, kann er in der Nähe des Starters eingebaut und mit diesem über eine kurze Zuleitung (niedriger Spannungsfall auf der Leitung) verbunden sein. Die Kapazität ist reduziert.  Die Versorgungsbatterie ist ausschließlich für das Bordnetz (ohne Starter) vorgesehen. Sie liefert Ströme zur Versorgung der Bordnetzverbraucher (z. B. ca. 20 A für das Motormanagement). Sie ist stark zyklisierbar, d. h., sie kann große Energiemengen bereitstellen und speichern. Die Dimensionierung richtet sich im Wesentlichen nach der erforderlichen Kapazitätsreserve für eingeschaltete Verbraucher, den Verbrauchern bei stehendem Motor (Ruhestromverbaucher, z. B. Empfänger für Funkfernbedienung der Zentralverriegelung, Diebstahlwarnanlage) und der zulässigen Entladetiefe.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 31 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

2.c) Topologie der Mehrspannungsbordnetze  Bordnetzspannungen bis zu 48 V fallen in den Bereich der SchutzKleinspannung und unterliegen somit keinem besonderem Berührungsschutz.  Bei Fahrzeugen mit den zwei Bordnetzspannungen 12 V und 48 V sind diese beiden Bereiche von einander getrennt. Die 12-V-Ebene ist beispielsweise den herkömmlichen Fahrzeugsystemen zugeordnet und die 48-V-Ebene den Hochleistungsverbrauchern, z. B. leistungsstarken elektrischen Heizungen für die Frontscheibe oder für den Katalysator.  Diese Topologien stehen erst in der Anfangsphase und werden auf dem Weg zum reinen 48-V-Bordnetz noch viele Varianten durchlaufen.

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik; geändert von 42V auf 48V Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 32 (09/2015)

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume  Der Fahrzeugleitungssatz dient der Verbindung und Vernetzung aller elektrischen Komponenten im Fahrzeug.  Er besteht aus elektrischen Leitungen und Teilen sowie mechanischen Komponenten.  Neben einfachen Kupferadern werden Koaxialleitungen, Lichtleitfaserleitungen und hochflexible oder hitzebeständige Adern verwendet.  Dazu kommen unter anderem Kontaktbuchsen, Kontaktstecker, Sicherungen und Sicherungsgehäuse. Auch Befestigungs- und Schutzteile wie Klipse, Klebebänder, Wellrohre und Bandagen gehören zum Lieferumfang eines Leitungssatzes.  Der gesamte Fahrzeugleitungssatz wird aufgrund der Fertigungsfolge des betroffenen Fahrzeugbaumusters in verschiedene Verlegebereiche physisch aufgeteilt. Alle getrennten Leitungssätze der jeweiligen Bauräume werden über Steckverbindungen während der Fahrzeugmontage wieder zu einem Leitungssatz zusammengefügt. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 33 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 34 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume  Der Kabelbaum, auch physisches Bordnetz genannt, gehört zu den komplexesten Systemen eines Autos und stellt eine Art Nervensystem des Fahrzeugs dar.  Je umfassender die elektrische Ausstattung des Fahrzeugs, desto länger und schwerer ist auch der Kabelbaum. So kann das physische Bordnetz eines modernen BMW je nach Ausstattung bis zu 3 km an Leitungen umfassen und dabei bis zu 60 kg wiegen. Damit gehört es zu den größten, schwersten und aufwändigsten elektrisch-elektronischen Bauteilen.  Grundsätzlich lassen sich zwei Ausführungen von Kabelbäumen unterscheiden: −

Stufenkabelbäume werden entsprechend fester Ausstattungspakete zusammengestellt und vorproduziert. Um das gesamte Spektrum von der Minimal- bis zur Maximalausstattung eines Fahrzeugs abzudecken, gibt es bis zu 40 Varianten von unterschiedlichem Komplexitätsgrad.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 35 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume  Grundsätzlich lassen sich zwei Ausführungen von Kabelbäumen unterscheiden: −



Der kundenspezifische Kabelbaum ist dagegen vollständig individuell. Es werden nur die Leitungen verbaut, die für die gewünschte Fahrzeugkonfiguration tatsächlich benötigt werden. So sind beispielsweise im BMW 1er etwa 50 Millionen unterschiedliche Konfigurationen möglich. Dieses Vorgehen reduziert Gewicht und Kosten, während der logistische Aufwand bei der Herstellung steigt.

Aufgrund ihrer hohen Komplexität werden Kabelbäume nur in sehr geringem Ausmaß automatisiert hergestellt. Ungefähr 95 % der Fertigung erfolgt in Handarbeit an sogenannten Formbrettern.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 36 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume Dimensionierung und Werkstoffauswahl  Die wichtigsten Aufgaben für den Kabelbaumentwickler sind: − Dimensionierung der Leitungsquerschnitte, − Werkstoffauswahl, − Auswahl geeigneter Steckverbinder, − Verlegen der Leitungen unter Berücksichtigung von Umgebungstemperatur, Motorbewegungen, Beschleunigungen und EMV-Einfluss, − Beachtung des Umfelds, in dem der Kabelbaum verlegt wird (Topologie, Montageschritte bei der Fahrzeugherstellung und Vorrichtungen am Montageband).

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 37 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume  1 Zündspulenmodul  2 Kanalabschaltung  3 Einspritzventile  4 Drosselvorrichtung DV-E  5 Öldruckschalter  6 Motortemperatursensor  7 Ansauglufttemperatursensor  8 Nockenwellensensor  9 Tankentlüftungsventil  10 Saugrohrdrucksensor  11 Ladestromkontrollleuchte  12 Lambda-Sonde hinter Kat  13 Drehzahlsensor  14 Klemme 50, Starterschalter  15 Klopfsensor  16 Motorsteuergerät  17 Motormasse  18 Trennstecker für Motor- und Getriebekabelbaum  19 Lambda-Sonde vor Kat  20 Abgasrückführventil Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 38 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume  Die häufigste Ursache für Fahrzeugbrände sind Kabelbrände. Deshalb müssen alle Leitungen so ausgelegt sein, dass sie sich auch bei teilweise sehr hohen Strömen nicht unzulässig erwärmen. Kurzschlüsse müssen durch Sicherungen (z.B. Schmelzsicherungen) verhindert werden.  Um eine unzulässige Erhitzung von Kabeln im normalen Betrieb zu verhindern, darf die zulässige Stromdichte S nicht überschritten werden. Aus dem Strom I und dem Leitungsquerschnitt A definiert sich S zu

𝐼𝐼 𝑆𝑆 = 𝐴𝐴

 Die zulässige Stromdichte hängt davon ab, ob es sich um einen Einzelleiter oder eine Litze handelt, vom Leitermaterial (praktisch nur Kupfer), außerdem von der Dicke und vom Material der Isolierung. Als grobe Richtwerte können zulässige Strom sich den von 5 A/mm² für den Dauerbetrieb und von 10 A/mm² für kurzzeitige Stromspitzen angenommen werden. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 39 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

2.d) Leitungssatz / Kabelbäume  Wird die zulässige Strom nicht überschritten, für die Verlustleistung PV in der Leitung zu Überhitzung und damit zum Schmelzen, zur Zersetzung oder zum Brennen des Isoliermaterials oder angrenzender Strukturen.  Die Verlustleistung PV beim Strom I ergibt sich zu mit

 Darin ist l die Länge der Leitung, ρ der spezifische Widerstand des Leiters (bei Kupfer 0,0185 Ωmm²/m).  Der Strom I kann aus der Leistung P des Verbrauchers und der anliegenden Spannung U bestimmt werden mit der Formel I Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 40 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

2.e) Leitungssatz / Kabelbäume Klemmbezeichnung  Die Verbindung von Teilkabelbäumen untereinander sowie zwischen einem Kabelbaum und den elektrischen Einrichtungen im Fahrzeug erfolgt lösbar über Steckverbinder (Ausnahme : hohe Ströme z. B. an der Batterie, am Starter, z. T. auch an Generatoren, dort werden aufgeschraubte Kabelschuhe oder andere Schraubverbindungen bevorzugt)  Steckverbinder im Auto müssen hinreichend fest schließen, um sich nicht durch Vibrationen zu lösen.  Außerhalb des Innenraumes muss mindestens Schutzklasse IP 67 erfüllt sein  Das in der Norm DIN 72552 für die elektrische Anlage im Fahrzeug festgelegte System der Klemmbezeichnungen soll ein möglichst fehlerfreies Anschließen aller Leitungen an den Geräten, vor allem bei Reparaturen und Ersatzeinbauten möglich machen.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 41 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

2.e) Leitungssatz / Kabelbäume Klemmbezeichnung

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 42 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

2.e) Leitungssatz / Kabelbäume Klemmbezeichnung

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 43 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

3.a) Batterien und ergänzende Energiespeicher Aufgaben  Die Starterbatterie ist im Bordnetz der Speicher für elektrische Energie. Ihre Aufgaben sind: − Bereitstellung elektrischer Energie für den Starter. − Deckung des Defizits zwischen Erzeugung und Verbrauch bei nicht ausreichender Energieversorgung des Bordnetzes durch den Generator (z. B. bei Leerlauf oder Motorstillstand). − Dämpfung von Spannungsspitzen der Bordnetzspannung zum Schutz empfindlicher elektronischer und elektrischer Bauteile (z. B. Glühlampen, Halbleiter) I

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 44 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

3.a) Batterien und ergänzende Energiespeicher Typen von Akkumulatoren (Werkstoff / Parameter)  Übung aus A6

A6

 Übersicht über einige Typen von Akkumulatoren (Auswahl). Die Energie- und Leistungsdichten können sich auch bei einem Batterietyp erheblich unterscheiden und hängen zudem von den Betriebsbedingungen (z. B. Temperatur) ab.  Die angegebenen Werte sind als Maximalwerte nach dem heutigen Stand zu verstehen

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 45 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

3.c) Batterien und ergänzende Energiespeicher Blei-Batterie: Chemische Vorgänge beim Laden/Entladen  Übung aus A6 und A7

A6

 Der Bleiakku kommt vor allem als Autobatterie zum Einsatz. Hier müssen kurzzeitig große Ströme erzeugt werden. Dafür sind große Elektrodenflächen nötig. Deshalb verwendet man im Bleiakku viele dünne Elektrodengitterplatten. Im geladenen Zustand Kathode (-): Blei (Pb) Anode (+): Bleidioxid (PbO2) Elektrolyt: verdünnte Schwefelsäure (H2SO4; 20%) Kathode/ Oxidation:

Pb

- 2e-

=>

Pb2+

Anode/ Reduktion:

PbO2 + 4H+

+ 2e-

=>

Pb2+ + 2H2O

Gesamtreaktion

Pb + PbO2 + 2H2SO4

=>

2PbSO4 + 2H2O

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 46 (09/2015) Quelle: http://www.cdrnet.net/kb/data/CH_BattAkku.asp, Grafik:

http://w3.restena.lu/ddnuc/Haus/zimmer/garage/bleiakku.htm

2e-

3.c) Batterien und ergänzende Energiespeicher Blei-Batterie: Chemische Vorgänge beim Laden/Entladen  Übung aus A6 und A7

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 47 (09/2015)

A6

3.d) Batterien und ergänzende Energiespeicher Batterieausführungen  Übung aus A7

A7

 Konventionelle Batterien werden heutzutage fast nicht mehr in Neufahrzeuge eingebaut, da sie nicht wartungsfrei sind und regelmäßig auf ihren Flüssigkeitsstand überprüft werden müssen.

 Wartungsarme Batterien bieten eine leichte Verbesserung. Durch den geringeren Wasserverbrauch (< 4 g/A ⋅ h) liegen die Wartungs-intervalle höher, wobei diese vom Betrieb und dem Einbauort der Batterie abhängen. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 48 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

3.d) Batterien und ergänzende Energiespeicher Kenngrößen der Batterie  Übung aus A7  Übung aus A7  Die europäische Norm EN 50 342 und nationale Normen legen Kenngrößen und Prüfmethoden für Starter-batterien fest. − Zellenspannung UZ − Nennspannung UN − Leerlauf und Ruhespannung − Innerer Widerstand Ri − Klemmspannung UK − Gasungsspannung − verfügbare Kapazität K − Nennkapazität K20 − Kälteprüfstrom ICC Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 49 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

A7

4.a) Fahrzeuggeneratoren Starter  Da ein Verbrennungsmotor im Gegensatz zu einem Elektromotor kein Drehmoment aus dem Stillstand entwickeln kann, sondern eine Mindestdrehzahl benötigt, um sich aus eigener Kraft zu drehen, muss diese Mindestdrehzahl mit Hilfe einer Startvorrichtung erzeugt werden.  Die Startdrehzahl heutiger PKW-Motoren liegt in der Größenordnung von 50 bis 200 Umdrehungen pro Minute.  Der Starter soll nur während des Anlassens mit dem Verbrennungsmotor verbunden sein. Sobald der Motor anspringt, soll er wieder getrennt werden  Durchgesetzt hat sich beim PKW und bei fast allen Nutzfahrzeugen ein Elektromotor als Anlasser. Er wird von der Batterie versorgt, die aus diesem Grunde Starterbatterie genannt wird.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 50 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

4.a) Fahrzeuggeneratoren Starter  Der Starter ist zwar nur kurzzeitig eingeschaltet, er hat aber die größte Leistungsaufnahme aller elektrischen Verbraucher (Pkw mit Ottomotor: 0,7...2,0 kW; Pkw mit Dieselmotor: 1,4...2,6 kW; Busse, Nfz: 2,3...9,0 kW).  Beim Startvorgang sinkt aufgrund des hohen Stroms die Batterieklemmenspannung.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 51 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik

4.a) Fahrzeuggeneratoren Starter (Aufbau)  zerlegter Schub-Schraubtriebstarter 1)

Gehäusekappen

2)

Freilauf mit Einspur-Schraubtrieb

3)

Läufer/Rotor

4)

Stator/Feldwicklung

5)

Rotor-Kohlenbürsten

6)

Schiebeanker zum axialen Verschieben der Freilauf-Ritzelkombination (2) und Betätigen des Anlasserschalter

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 52 (09/2015)

Quelle: Bosch

4.a) Fahrzeuggeneratoren Starter (Aufbau)  Moderne Starter sind Elektromotoren, deren Feldwicklung durch einen Permanentmagneten (Dauermagneten) ersetzt sein kann.  Wegen der hohen Drehzahl des Elektromotors und dem erforderlichen Drehmoment ist ein großes Übersetzungsverhältnis (10 bis 20 : 1) erforderlich. Dies wird durch ein kleines Ritzel am Anlasser und ein großes auf dem Schwungrad erreicht. Durch ein Planetengetriebe auf der Ankerwelle dreht diese höher und muss selbst weniger Drehmoment abgeben, um die gleiche Starterleistung zu erzeugen.  Beide (Ritzel des Starters und Zahnkranz )sind für leichtes Einspuren gradverzahnt..  Durch diese Maßnahmen kann das komplette System aus Batterie, Generator und Starter um 1/3 leichter ausgelegt werden. Animation 3D-Starter Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 53 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren Generator  Kraftfahrzeuge besitzen zur Energieversorgung der elektrischen Verbraucher wie Starter, Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte usw. einen Generator zur Stromerzeugung.  Erzeugt der Generator mehr Strom, als die Verbraucher benötigen, so lädt er die Batterie. Generatorleistung, Batteriekapazität und der Leistungsbedarf der elektrischen Verbraucher müssen aufeinander abgestimmt sein, um sicherzustellen, dass bei allen Betriebsbedingungen genügend Strom an das Bordnetz geliefert wird und die Batterie immer ausreichend geladen ist..

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 54 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Batterien, Bordnetze und Vernetzung

4.b) Fahrzeuggeneratoren Generator  Die Generatoren aller modernen Fahrzeuge sind Drehstromgeneratoren.  Die Verfügbarkeit kostengünstiger Leistungsdioden (seit etwa 1963) war die Voraussetzung für die Serieneinführung von Drehstromgeneratoren bei Bosch.  Durch seine höhere Ausnutzung (erzeugbare Energie pro Masse), seinen höheren Wirkungsgrad und durch seinen wesentlich größeren Drehzahlbereich im Vergleich zum Gleichstromgenerator ist der Drehstrom-Synchrongenerator in der Lage, bereits bei Leerlauf des Verbrennungsmotors Leistung abzugeben und den wachsenden Leistungsbedarf im Kraftfahrzeug zu decken.  Der Drehstromgenerator gibt schon bei der Leerlaufdrehzahl des Motors mindestens ein Drittel seiner Nennleistung ab.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 55 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren Generator (Grundprinzip)

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=7dh0Cue9Pws

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 56 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren Generator (Grundprinzip)

Spannungsinduktion  Das rotierende Polrad (Läufer mit Klauen) erzeugt ein Drehfeld. Dadurch wird in den drei um 120° räumlich versetzten Ständerwicklungen (Stränge) eine Wechselspannung mit der Frequenz f erzeugt f = n*p n = Drehzahl des Rotors p = Pohlpaarzahl (typisch 6 oder 8)

 Magnetfeld wird durch die Erregerspule verstärkt  Erregerstrom wird über Schleifringe übertragen 4 …6 A Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 57 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

(I err max =

4.b) Fahrzeuggeneratoren Generator (Grundprinzip)

Spannungsinduktion  Das rotierende Polrad (Läufer mit Klauen) erzeugt ein Drehfeld. Dadurch wird in den drei um 120° räumlich versetzten Ständerwicklungen (Stränge) eine Wechselspannung mit der Frequenz f erzeugt f = n*p n = Drehzahl des Rotors p = Pohlzahl (typisch 6 oder 8)

 Magnetfeld wird durch die Erregerspule verstärkt  Erregerstrom wird über Schleifringe übertragen (I err max = 4 …6 A Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 58 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren Generator (Aufbau)

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 59 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Gleichrichtung der erzeugten Wechselspannung)  Die vom Generator erzeugte Wechselspannung muss gleichgerichtet werden, da die Versorgung der Batterie und der Elektronik im Kfz-Bordnetz Gleichstrom erfordert.  Die in den drei Wicklungen des Drehstromgenerators erzeugten Wechselspannungen (Bild 5a) werden durch sechs Dioden in einer DrehstromBrückenschaltung gleichgerichtet. An jeden Strang sind zwei Leistungsdioden angeschlossen, eine Diode auf der Plusseite (Plusdiode an Klemme B+) und eine Diode auf der Minusseite (Minusdiode an Klemme B–).  Die positiven Halbwellen werden von den Dioden an der Plusseite durch-gelassen, die negativen Halbwellen von den Dioden an der Minusseite (Bild 5b).  Die Vollweggleichrichtung der drei Phasen mit der sogenannten B6-Brückenschaltung bewirkt die Addition der positiven und negativen Hüllkurven dieser Halbwellen zu einer gleichgerichteten, leicht gewellten Generatorspannung (Bild 5c).

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 60 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Gleichrichtung der erzeugten Wechselspannung)  Der Gleichstrom, den der Generator bei elektrischer Belastung über die Klemmen B+ und B– an das Bordnetz abgibt, ist nicht glatt, sondern leicht gewellt. Diese Welligkeit wird durch die zum Generator parallel liegende Batterie und ggf. durch im Bordnetz vorhandene Kondensatoren weiter geglättet.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 61 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Gleichrichtung der erzeugten Wechselspannung)

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 62 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

A8

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Spannungsregelung) Aufgabe der Spannungsregelung  Bei konstantem Erregerstrom ist die Generatorspannung abhängig von der Drehzahl und der Belastung des Generators.  Aufgabe der Spannungsregelung ist es, die Generatorspannung – und damit auch die Bordnetzspannung – über den gesamten Drehzahlbereich des Fahrzeugmotors konstant zu halten, unabhängig von der elektrischen Last. Dazu regelt der Spannungsregler die Höhe des Erregerstroms und damit die Größe des Magnetfelds im Läufer in Abhängigkeit von der im Generator erzeugten Spannung.  Damit hält der Regler die Bordnetzspannung konstant, schützt die Spannungsregelung und verhindert, dass die Batterie während des Fahrzeugbetriebs überladen oder entladen wird.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 63 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Spannungsregelung)  erzeugte Generatorspannung steigt der Drehzahl (und damit Höhe des IErr)  bei vollerregten, unbelasteten Generator ohne zugeschaltete Batterie steigt die ungeregelte Spannung mit steigender Drehzahl linear an – erreicht bei 10 000 min-1 ca. 140 V  Höhe des Erregerstroms und damit Größe des Magnetfeldes wird generatorspannungsabhängig geregelt  Generatorklemmenspannung UG, (zwischen Klemmen B+ und B-) wird bei wechselnder Drehzahlbelastung bis zum Maximalstrom hin konstant gehalten  Toleranzfeld 14-V-Bordnetze wird auf 14 V eingeregelt (24 auf 28 V, Gel-Batterie bis 30 V)  Generatorspannung sinkt ab, da Erregerspannung schwächer wird − Generatorspannung unterschreitet unteren Sollwert − Spannungsregler schaltet den Erregerstrom wieder ein − steigende Erregung  Anhebung der Generatorspannung  stufenlose selbsttätige Anpassung an unterschiedliche Drehzahlen Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 64 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Spannungsregelung)  Schaltung für einen Drehstromgenerator mit Spannungsregler in Hybridtechnik. Spannungsinduktion  Durch die drei kleineren (Erreger-)Dioden zapft der Regler die nötige Energie für die Erregerwicklung ab.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 65 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Spannungsregelung –Regelung wegen Drehzahl)  Anpassung an verschiedene Drehzahlen erfolgt selbsttätig und stufenlos  ausschlaggebend für die Größe des mittleren Erregerstroms Im ist das Verhältnis von Einschaltdauer TE und Ausschaltdauer TA Erregerstrom  niedrige Drehzahlen:  lange Einschaltzeiten, kurze Ausschaltzeiten (kurzzeitige Erregerstromunterbrechung)  Erregerstromanstieg: Kurve a (hoher Erregerstrom)

 hohe Drehzahlen  kurze Einschaltzeiten, lange Ausschaltzeiten (längere Erregerstromunterbrechung)  Erregerstromabfall: Kurve b (niedriger Erregerstrom) Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 66 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Spannungsregelung –Regelung wegen Belastung)  Anpassung an verschiedene Drehzahlen erfolgt selbsttätig und stufenlos  ausschlaggebend für die Größe des mittleren Erregerstroms Im ist das Verhältnis von Einschaltdauer TE und Ausschaltdauer TA Erregerstrom  niedrige Drehzahlen:  lange Einschaltzeiten, kurze Ausschaltzeiten (kurzzeitige Erregerstromunterbrechung)  Erregerstromanstieg: Kurve a (hoher Erregerstrom)

 hohe Drehzahlen  kurze Einschaltzeiten, lange Ausschaltzeiten (längere Erregerstromunterbrechung)  Erregerstromabfall: Kurve b (niedriger Erregerstrom) Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 67 (09/2015)

Quelle: K. Reif (Hrsg.), Bosch Autoelektrik und Autoelektronik

4.b) Fahrzeuggeneratoren

Generator (Beispiel A6)  Bisher wurden durchschnittliche Wirkungsgrade (nach VDA-Spezifikation) von 68 bis 70 % erreicht. Mit dem Generator für den A6 macht Audi einen großen Sprung nach vorne und setzt mit einem Generatorwirkungsgrad von nun 75 % den Maßstab in der Automobilindustrie

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 68 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.c) Fahrzeuggeneratoren Integrierter Starter Generator (ISG)  Künftig werden Anlasser und Generator von einem wahren Energiebündel ersetzt: dem Integrierten Starter-Generator (ISG)  Der ISG wird zwischen Motor und Getriebe montiert und ist ein Leistungswandler: Er wandelt mechanische Leistung in elektrische und umgekehrt.  Als Elektromotor startet er den Verbrennungsmotor fast lautlos und wesentlich schneller als jeder Anlasser.  In der Funktion als Generator erzeugt er Strom für alle anderen Verbraucher im Auto - mit höherem Wirkungsgrad als bisher.  Der ISG bietet noch weitere Vorteile: Überschüssiger Strom wird zum Laden der Batterie verwendet; auch wird beim Abbremsen Bewegungsenergie in elektrische Leistung umgewandelt (Rekuperation) und gespeichert.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke

Quelle: http://www.continental-

Prof. Dr. Karsten Müller corporation.com/www/presseportal_com_de/themen/pressemitteilungen/hidden/pr_2003_03_11_sicherheitsforum_isad_de.html Folie 69 (09/2015)

4.c) Fahrzeuggeneratoren Integrierter Starter Generator (ISG)  Bei Bedarf kann der ISG dann zusätzliche Power auf die Achsen bringen oder das Fahrzeug etwa im Stop-and-Go-Verkehr elektrisch antreiben. An der Ampel wird der Verbrennungsmotor abgestellt, solange der Fahrer auf der Bremse steht. Geht der Fahrer vom Bremspedal, dreht der Starter-Generator die Kurbelwelle in Sekundenbruchteilen auf die Leerlaufdrehzahl und die Motorsteuerung nimmt Einspritzung und Zündung wieder auf. Quelle: http://www.jenoptik.com/de_40161_sf233

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke

Quelle: http://www.continental-

Prof. Dr. Karsten Müller corporation.com/www/presseportal_com_de/themen/pressemitteilungen/hidden/pr_2003_03_11_sicherheitsforum_isad_de.html Folie 70 (09/2015)

4.c) Fahrzeuggeneratoren Integrierter Starter Generator (ISG)  Ein Vorteil einer derartigen Kombination ist das Drehzahl-Drehmoment-Verhalten beider Motorarten. Während ein Elektromotor bereits im unteren Drehzahlbereich sein maximales Drehmoment entwickeln kann, hat ein Verbrennungsmotor im mittleren und oberen Bereich seine Maximalwerte.  Mit einem ISG spart ein Auto bis zu 15 Prozent Treibstoff ein.  Mehr Fahrspaß verspricht die deutliche Erhöhung des Drehmoments beim Anfahren.  Beim Bremsen bietet sich die Energierückgewinnung an (Rekuperation). Deshalb werden Fahrzeuge, in denen dieser Maschinensatz eingesetzt wird, auch als Hybridfahrzeuge bezeichnet.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 71 (09/2015)

Quelle: Continental 11.3.2003

4.c) Fahrzeuggeneratoren Integrierter Starter Generator (ISG)  Einteilung der Hybridfahrzeuge in unterschiedliche Kategorien. Die Zahlenwerte beziehen

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 72 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

4.c) Fahrzeuggeneratoren Integrierter Starter Generator (ISG)  Startergenerator zwischen Verbrennungsmotor und Kupplung für Mild Hybrid

Startergenerator zwischen Verbrennungsmotor und Kupplung [Bi1]: 1 Verbrennungsmotor, 2 Steuer-, Regel- und Leistungselektronik, 3 Verbindung zu den Gleichspannungsebenen, 4 Drehstromnetz und Steuerleitungen, 5 Getriebe, 6 Kupplung, 7 Läufer des Startergenerators, 8 Ständer des Startergenerators Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 73 (09/2015)

Aufbau einer 12-poligen Synchronmaschine (Honda). Zwölf Pole entsprechen sechs Polpaaren: 1 Achtzehn Einzelpolspulen der Ständerdrehstromwicklung, 2 Läufer mit sechs Permanentmagnet-Polpaaren, 3 Ständerblechpaket Verbaut im Honda Civic IMA

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

4.d) Elektrisches Energiemanagement Fahrzustände und Leistungsbilanz  Für die kontinuierlich steigende Anzahl der elektrischen Verbraucher steht nach wie vor nur die Batterie als passiver Energiespeicher zur Verfügung. Sie muss zur Stromversorgung aller elektronischen Aggregate beitragen.  Weitere Innovationen wie Stop-Start-Betrieb und Rekuperation führen zu einem weiter erhöhten Energieumsatz und beanspruchen die Batterie zusätzlich.  Trotz gestiegener Qualität der Starterbatterien gehören entladene Batterien zu den häufigsten Ausfallursachen in Kraftfahrzeugen. Bei diesen Fahrzeugen sind Laden und Stromentnahme nicht im Gleichgewicht, so dass die Batterien sukzessive entladen werden.  Das Energiemanagement bilanziert die von den Verbrauchern angeforderte elektrische Energie mit der durch den Generator und die Batterie lieferbaren Energie. Das Energiemanagement sorgt so für einen Ausgleich zwischen erzeugter, gespeicherter und benötigter Energie.  Ein wichtiges Ziel ist, die Startfähigkeit des Fahrzeugs jederzeit gewährleisten zu können.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 74 (09/2015)

Quelle: K. Reif, Automobilelektronik

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau  Der intelligente Betrieb von Klima- und Heizsystemen, die bedarfsgerechte Anpassung der Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors und nicht zuletzt die Rekuperationsfunktion sind dabei wesentliche Energiemanagementfunktionen. Beispiel Audi  Audi hat das Energiemanagement erstmals 2002 im A8 als integrales Steuergerät in den Markt eingeführt. Basierend auf diesem System wurde mittlerweile für alle Fahrzeugprojekte bei Audi eine effiziente, ganzheitliche Lösung entwickelt: Das eigenständige Steuergerät (Integralsystem) wurde aufgeteilt in ein Batteriedatenmodul (BDM) und in verteilte Softwarefunktionen, (1) Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 75 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau  Die Energiemanagementfunktionen, die im Gateway-Steuergerät beheimatet sind, lassen sich dabei im Wesentlichen in drei Funktionsmodule untergliedern: − Ruhestrommanagement − Das Ruhestrommanagement hat die Aufgabe, die konträren Anforderungen „Verfügbarkeit von Komfort-/Heizsystemen“ und „Mindestladezustand der Batterie“ für die Erhaltung der Motorstartfähigkeit gegeneinander abzuwägen. Weil es genaue Kenntnisse über den Batterieladezustand generiert, stehen dem Kunden Funktionen wie die Standklimatisierung oder die Infotainmentsysteme auch bei stehendem Fahrzeug lange zur Verfügung. (ggf. Abschaltungen) − Dynamisches Management − Energienetzdiagnose. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 76 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau  Die Energiemanagementfunktionen, die im Gateway-Steuergerät beheimatet sind, lassen sich dabei im Wesentlichen in drei Funktionsmodule untergliedern: − Ruhestrommanagement − Dynamisches Management − Sobald der Audi gestartet wird, übernimmt das Dynamische Management die bedarfsgerechte Verteilung der durch den Generator erzeugten Energie auf die einzelnen Verbrauchssysteme. Dies ist vor allem im Winterbetrieb erforderlich, wenn durch die gleichzeitige Anforderung von Glühkerzen-, PTC-, Heckscheiben- oder Sitzheizung die elektrische Leistungsfähigkeit des Generators nicht mehr ausreicht, um den Energiebedarf zu decken. − Energienetzdiagnose.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 77 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau (Management der Verbraucher)  Bei eingeschalteter Zündung oder aktivem Generator (laufender Motor) wird das Bordnetz vom Bordnetzsteuergerät als sehr kritisch eingestuft, wenn die Spannung der Bordnetzbatterie für eine bestimmte, verbraucherabhängige Zeitspanne unter 12,2 Volt liegt.  Als Folge werden Komfortverbraucher nach Priorität von ihrem Steuergerät abgeschaltet. Ist ein Verbraucher nicht eingeschaltet, wird er übersprungen und der nächste abgeschaltet.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 78 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau (Management der Verbraucher)  Bei eingeschalteter Zündung oder aktivem Generator (laufender Motor) wird das Bordnetz vom Bordnetzsteuergerät als sehr kritisch eingestuft, wenn die

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 79 (09/2015)

Quelle: VW AG; 240.2810.91.00 Technischer Stand 03/02

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau (Stufe 2 : Management der Leerlaufdrehzahl)  Auf Grundlage der genauen Kenntnis des elektrischen Leistungsbedarfs im Fahrzeug kann das Dynamische Management durch Einflussnahme auf die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors die Generatorleistung anpassen  Bleibt der Bordnetzzustand nach dem Abschalten der Komfortverbraucher weiterhin sehr kritisch, wird eine zweite Stufe der Leerlaufdrehzahlanhebung eingeleitet.  Verbessert sich der Bordnetzzustand dadurch nicht, wird auch die Klimaanlage abgeschaltet.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 80 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau  Unter Rekuperation versteht man im Allgemeinen die Nutzung der Bewegungsenergie beim Verzögern des Fahrzeugs: In den Brems- und Schubphasen wird Energie zurückgewonnen und in der Batterie zwischengespeichert.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 81 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Funktionaler Aufbau  Die Energiemanagementfunktionen, die im Gateway-Steuergerät beheimatet sind, lassen sich dabei im Wesentlichen in drei Funktionsmodule untergliedern: − Ruhestrommanagement − Dynamisches Management − Energienetzdiagnose. − Neben dem aktiven Eingriff in das Energiemanagement durch Dynamisches Management und Ruhestrommanagement sorgt die Energienetzdiagnose über eine kontinuierliche Überwachung des Energienetzes für einen stabilen Betrieb der Energieversorgung im Fahrzeug. Dabei werden zum Beispiel die Funktion des Generators und der Ladezustand der Batterie permanent überwacht; eventuell auftretende Störungen werden rechtzeitig erkannt und entsprechend im Steuergerät als Historien oder Fehlerspeichereinträge dokumentiert. Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 82 (09/2015)

Quelle: ATZextra Januar 2011 Audi A6

4.d) Elektrisches Energiemanagement Energiemanagement-Steuergerät

Zentralelektrik mit einigen Sicherungen Fremdstarter-Bolzen, der bei Starthilfe anstelle des Batterie Minus-Pol zu verwenden ist, damit das Steuergerät den Fremdstart registriert und bei seinen Berechnungen berücksichtigt

Relais das bei einem schweren Unfall (Signal vom AirbagSteuergerät) das Bordnetz spannungsfrei schaltet.

Prof. Dr.-Ing. R. Kolke Prof. Dr. Karsten Müller Folie 83 (09/2015)

Quelle: K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik