Der moderne Generator im Kfz

Der moderne Generator im Kfz ist nicht nur ein Stromerzeuger, er entwickelt sich immer mehr zum Manager des Bordnetzes.

Seit Autos Strom benötigen, und das ist schon eine ganze Weile so, haben die Fahrzeuge kleine Kraftwerke an Bord. Anfangs reichte eine Batterie zur Stromlieferung, aber schon bald musste eine Lichtmaschine her, die analog zu den ständig steigenden Anforderungen des wachsenden Bordnetzes weiterentwickelt wurde. Aus dem inzwischen etwas irreführenden Namen Lichtmaschine wurde endlich die korrekte Bezeichnung Generator. Schließlich produziert der Generator kein Licht sondern Strom.

Kurze Geschichte des Genrators (Grafik Bosch)

Der Generator ist ein Energieumwandler

Die zahlreichen elektrischen Komponenten aktueller Autos wollen alle – manchmal sogar zeitgleich – mit Strom versorgt werden. Der früher übliche Gleichstromgenerator ist längst vom Markt verschwunden, wurde vom Klauenpolgenerator verdrängt. Der ist deutlich kleiner und leistungsfähiger und wurde durch die Siliziumdioden erst für die Großserie interessant. Heute wird die Bordspannung zumeist von riemengetriebenen Compact - Generatoren „produziert“, indem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Energie selber kann bekanntlich nicht erzeugt, sondern lediglich verlustbehaftet umgewandelt werden.

Bosch Compact - Generator in zerlegter Form: 1 Lagerschild, 2 Klauenpolläufer (Rotor) 3 Stator (Ständerwicklung) 4 Lagerschild hinten 5 Regler

Besondere Forderungen werden an die Generatoren von Luxusautos gestellt. So arbeitet im BMW 760i ein Stromerzeuger der 180 A Strom liefert. Aber es ist noch mehr drin: Die neueste Generatoren - Generation von Bosch weist eine Leistungsdichte von 1,43 Watt pro Kubikzentimeter auf, was Leistungen bis 3,8 kW bei 14 Volt - Generatoren ermöglicht. Damit liefert der stärkste wassergekühlte Stromerzeuger bis zu 270 Amperé. Der maximale Wirkungsgrad liegt bei dieser LI - X genannten Baureihe bei immerhin 76 Prozent, bei der EL-Baureihe bei 77% bei 210 A.

So viel Leistung ist inzwischen bei einigen Luxusfahrzeugen nötig. Es geht nicht nur darum die Batterie zu laden oder die Scheinwerfer zum Leuchten zu bringen, sondern es muss auch der Strom für immer aufwendigere elektronische Komfort-, Sicherheits- und Fahrerassistenz-Systeme mit einer großen Anzahl von Stellmotoren bereitgestellt werden. Der Leistungsbedarf bei solchen Vehikeln liegt momentan bei etwa 2,5 kW und soll bis 2010 auf 3,8 kW steigen.

Benötigte Leistung eines Pkw

• Grundlast für Zündung, Kraftstoffpumpe, Einspritzdüsen und Motor-Management zwischen 300 und 400 W

• Lüftung und Klimatisierung zwischen 100 und 500 W 

• Langzeitverbraucher wie Beleuchtung, Radio und Heizgebläse bis zu 1000 W.

Da ist die Leistungsfähigkeit so mancher herkömmlicher Generatoren bereits erreicht.

1 = Oberklasse, 2 = Mittelklasse - Entwicklung beim Generatorleistungsbedarf.

Kommen noch weitere Kurzzeitverbraucher wie Fensterheber, Scheiben - und Sitzheizungen hinzu, fällt die Ladebilanz vor allem im Kurzstreckenverkehr bereits negativ aus. Das bedeutet, dass mehr Strom für die Verbraucher benötigt wird, als der Generator zur Verfügung stellen kann und kein Strom zur Ladung der Batterie mehr übrig bleibt. Die Batterie wird also nicht geladen, sondern entladen.

Im normalen Einsatzbereich eines Autos dürfte so was allerdings gar nicht vorkommen. Allerdings fahren so manche Zeitgenossen bevorzugt von der Wohnung zum Bäcker oder zum Briefkasten, bringen den Nachwuchs zum Kindergarten und stauen sich samstags in die Innenstadt. Bei einem solchen Fahrprofil läuft der Motor selten und zu kurz in einem Drehzahlbereich, der ein sicheres Laden der Batterie gewährleistet. Zudem saugen im Kurzstreckenverkehr zahlreiche Stromverbraucher gierig an der Batterie. Als Folge bricht der nicht mehr ganz frische Akku beim Starten nach der ersten Frostnacht zusammen. Nichts geht mehr. So tauchen jährlich etwa 400.000 Autos wegen entladener Batterien in der ADAC - Pannenstatistik auf.  

Einerseits geht die Entwicklung des Generators weiter, gleichzeitig setzen die Ingenieure in Zukunft auf das 48 V Bordnetz. >Gleichzeitig sollen Batterie- bzw. Energiemanagementsysteme an Bord  dafür sorgen dafür, dass die Batterie nicht zu schwächeln beginnt. Die heutigen effizienten Generatoren weisen weitere Vorteile gegenüber ihren Vorgängern auf. Sie verursachen trotz gesteigerter Leistung im Extremfall bis zu 0,5 Liter weniger Kraftstoffverbrauch, sie sind leiser und benötigen weniger Platz im Motorraum.

Flüssigkeitsgekühlte Generatoren liefern den höchsten Strom

Generator Bauformen

Die Drehstromgeneratoren lassen sich in drei Bauformen einteilen; TopfgeneratorCompact-GeneratorWassergekühlte Generatoren

Generator Bauformen

Aufgrund der Klauenpolform des Läufers zählen Topfgeneratoren zu den Klauenpolgeneratoren. Sie sind relativ klein und leicht und haben zudem eine gute Leistungscharakteristik. Topfgeneratoren findet man noch in älteren Fahrzeugen und im Nutzfahrzeugbereich. Die meisten Autos werden heute mit Compact Generatoren ausgestattet, Luxusautos und zunehmend auch Oberklassefahrzeuge aufgrund des steigenden Strombedarfs mit wassergekühlten Elektrizitätswerken.

Funktion des Generators

Der prinzipielle Aufbau der drei Bauformen ist ähnlich und lässt sich am Topfgenerator sehr schön zeigen. Das physikalische Prinzip der Stromerzeugung im Generator beruht auf der elektromagnetischen Induktion. Bewegt sich ein elektrischer Leiter durch die Feldlinien in einem Magnetfeld, so wird in diesem Leiter eine elektrische Spannung erzeugt (induziert). Dabei ist es egal, welcher der Partner sich bewegt und welcher feststeht.

Prinzipieller Aufbau des Topfgenerators

Umgesetzt in den Generator bedeutet das: Die Erregerwicklung befindet sich auf dem Läufer, der wiederum auf der Welle, die vom Keilriemen angetrieben wird. Die Wicklungsenden sind mit den Schleifringen verbunden, zwei Klauenpole umschließen die Spule. Die Erregerwicklung baut im Betrieb mit den beiden Klauenpolen ein inneres Magnetfeld auf. Sobald der Läufer sich dreht, induziert er eine Spannung in der Ständerwicklung. Dazu baut die Erregerwicklung an ihren Enden einen Nord - und einen Südpol auf. Aufgrund der versetzten Anordnung der beiden Klauenpolhälften bilden sich abwechselnd Nord - und Südpole.

Ein Generator wird zu Demozwecken erregt. Dabei fließt Strom über D+ (Stecker links) durch die Erregerwicklung - kfztech.de

Die Anzahl der Windungen in der Wicklung und die Größe des fließenden Stroms bestimmen wie stark das Magnetfeld ist. Der Ständer bildet das äußere Magnetfeld. Er besteht aus gegeneinander isolierten, mit Nuten versehenen Blechen, die zu einem festen Blechpaket zusammengepresst sind. In den Nuten sind die Windungen der drei Ständerwicklungen eingebettet. Diese erzeugen einen dreiphasigen Wechselstrom, der Drehstrom oder Generatorstrom genannt wird. Die neuen Generatoren - Baureihe LI - X von Bosch hat eine besonders hohe Dichte der Kupferdrähte in der Ständerwicklung. Dadurch steigt die elektrische Leistung und gleichzeitig wird der Generator kompakter.

Die erzeugte Wechselspannung muss zur Versorgung von Batterie und Bordnetz noch in eine Gleichspannung umgewandelt werden. Dazu dient der Gleichrichter. Er besteht meist aus sechs Leistungsdioden, neuerdings auch aus Zenerdioden, die in Kühlbleche eingepresst sind. Ein Teil des danach zur Verfügung stehenden Gleichstroms fließt über Kohlebürsten und Schleifringe als Erregerstrom wieder zur sich drehenden Erregerwicklung.

Der Feldregler steuert den Strom in der Erregerwicklung. Er bestimmt dadurch die Höhe der Generatorspannung, die über den gesamten Drehzahlbereich des Motors konstant gehalten wird. Zusätzlich schützt er die elektrischen Komponenten vor Überspannung und verhindert ein Überladen der Batterie.

Vergleich Topf- / Compact-Generator

Topfgeneratoren kommen immer seltener zum Einsatz. Stattdessen sorgen leistungsfähigere Compact - Generatoren für ausreichend Strom.

Die Komponenten beider Bauarten sind im Wesentlichen gleich. Die Unterschiede liegen in der Anordnung der einzelnen Bauteile und in der Art der Kühlung.

Vergleich der zerlegten Elektrizitätswerke, oben ein Topfgenerator unten ein aktueller Compact - Generator

Der Compact - Generator wird wegen der höheren spezifischen Leistung – was auch mehr Wärme bedeutet - von zwei innen liegenden Lüftern gekühlt. Die beiden Luftströme treten axial durch Öffnungen im Antriebs - und Schleifringlagerschild ein und radial durch Öffnungen am Umfang des Gehäuses wieder aus.

Lüftungssysteme von Topfgenerator und Compact - Generator

 Wassergekühlter Generator

Verbesserte Kühlung durch eine größere Luftzirkulation bedeutet allerdings auch mehr Lärm. Deshalb ist die Leistung von Compact - Generatoren nicht beliebig zu steigern. Die Lösung ist allerdings längst am Markt: wassergekühlte Generatoren. Die kompakten Kraftwerke sind in den Kühlmittelhaushalt des Motors eingebunden, vollständig gekapselt und laufen deswegen praktisch geräuschlos.

Im Wesentlichen ist der wassergekühlte Generator so aufgebaut wie seine luftgekühlten Kollegen. Mit einem doch sehr wesentlichen Unterschied: Durch die höheren Betriebstemperaturen kann der induzierte Strom nicht mehr über Kohlebürsten und Schleifringe übertragen werden. Stattdessen dreht sich ein Leitstückläufer ohne Schleifringe im Magnetfeld zwischen der feststehenden Erregerwicklung und dem Ständerpaket. Das macht den Generator wartungsfrei und unempfindlich gegen Staub und Spritzwasser.

Generator Regler

Von einem modernen Generator wird inzwischen mehr erwartet als bloße Stromproduktion. Diagnose - und Managementeigenschaften sind gefragt. Dies bewerkstelligt der dazugehörige Regler. Aus dem guten alten und einfachen Spannungsregler ist inzwischen ein komplizierter Multifunktionsregler geworden, der - je nach Wunsch des Fahrzeugherstellers - mit Schnittstellen wie BSS, LIN oder RVC versehen werden kann.

Multifunktionsregler (MFR) - 1 Steckergehäuse für Kabelbaumstecker, 2 Kühlkörper, 3 Bohrungen für Reglerbefestigung am Generator; dient auch als Regler Masseverbindung, 4 Integrierter Kohlebürstenhalter, 5 Anschluss an Generator B+, zum Abgriff von Reglerspannung und für Erregerstrom, 6 Kohlebürsten, 7 Reglerbaustein, 8 Anschluss für Generatorphase V zur Erkennung "Generator dreht"

Bei diesen Reglern sind alle Funktionsbausteine auf einem Chip integriert, was eine Reihe von Vorteilen bietet:

• verbesserte Leistungsabgabe des Generators im niedrigen Drehzahlbereich

• höhere Generatorleistungen durch einen um mehr als 50% reduzierten internen Spannungsabfall

• hohe Zuverlässigkeit durch 1 - Chip - Lösung und verringerte Anzahl interner Bondverbindungen

• bessere Kriechstromfestigkeit

• hohe Schüttelfestigkeit bis zur 80 - fachen Erdbeschleunigung

• verbesserter Übertemperaturschutz durch Motorraumtemperatur

• großer Temperaturbereich von - 40°C bis 150°C

• hohe Temperaturwechselfestigkeit

• hohe Korrosionsfestigkeit

Das Reglerkonzept ist auf vielseitige Einsatzmöglichkeiten abgestimmt. So bieten der Regler zusätzliche Funktionen wie Batterieüberwachung, Fehlerdiagnose, gesteuerte Lastzuschaltung der elektrischen Verbraucher (Load - Response), Auslastungsüberwachung und Unterstützung des Motormanagements.

Reglerfunktionen

Zwischen B+ Generator und B+ Batterie besteht immer eine Spannungsdifferenz. Die Reglerelektronik misst nun die Spannung direkt an der Batterie, was deren Ladespannung optimiert. Bosch bezeichnet dies als Batterie - Sensing. Die Anschlussklemme ist mit „S“ gekennzeichnet.

Neu ist auch, dass der Vorerregerstrom, erforderlich für einen Magnetfeldaufbau im Generator, vom Regler selbst gesteuert wird und so die optimale Erregung des Generators sichert. Nach Einschalten des Fahrschalters taktet die Reglerendstufe. Das Tastverhältnis wird so gewählt, dass die jeweils minimal mögliche Angehdrehzahl des Generators sichergestellt ist. Der Regler erhält die Info rmation "Fahrschalter Ein" über den Anschluss "L". Durch Auswertung der Phasenspannung wird ab einem bestimmten Spannungspegel erkannt, dass sich der Generator dreht. Bei einem eventuellem Abfall des Steckers und somit fehlender Vorerregung, wird durch Notanlauf die Erregung des Generators sichergestellt.

Generatorschaltplan

Bei der gesteuerten Lastzuschaltung (Load - response) werden zwei Funktionen unterschieden. Bei Load - Response Start (LRS) wird verhindert, dass der Generator während und unmittelbar nach dem Start Strom abgibt, um den Startvorgang nicht durch das bremsende Moment des Generators zu erschweren. Bei Load - response Fahrt (LRF) wird bewirkt, dass elektrische Laständerungen, mit einem damit verbundenen steilen Drehmomentanstieg des Generators, nicht direkt an den Antriebsmotor weitergeleitet werden. Die Leistungsabgabe des Generators wird durch „weiche Lastzuschaltung“ kontinuierlich gesteigert.

Lastzuschaltung: Load - response Start (LRS) und Load - response Fahrt (LRF)

Auch die Diagnose wird jetzt vom Generator selbst übernommen. Der Anschluss "L" steuert je nach Betriebszustand des Generators und des Bordnetzes die Anzeige - Elemente bei gefundenen Fehlern über die Lampenendstufe oder die Zuschaltung von Verbrauchern (s. Load - response) über die Relaisendstufe während des fehlerfreien Generatorbetriebs. Je nach Betriebsart fließen über den Anschluss "L" Ströme in den Regler hinein oder heraus.

Während des gesamten Generatorbetriebs werden vom Regler ständig Signale ausgewertet und mögliche Fehler erkannt. Bei einem erkannten Fehler wird die Lampen - und die Relaisendstufe angesteuert (siehe Tabelle1). Die Lampenendstufe ist aktiv, wenn der Generator vorerregt ist oder ein Fehler erkannt wird. Die Ansteuerung der Verbraucher erfolgt über die Relaisendstufe. Diese ist aktiv, wenn im Betrieb die Lampenendstufe inaktiv ist.

Tabelle 1 Fehlerauswertung der Generatorsignale

Low = 0, 5 V – 1,5 V High = 8,0 V – 14 V

Erkannt werden folgende Fehler:

Generatorfehler:

• Keilriemenbruch

• Unterbrechung im Erregerkreis

• Kurzschluss oder Masseschluss der Erregerwicklung

Reglerfehler:

• Endstufe unterbrochen oder kurzgeschlossen

• Freilaufkreis unterbrochen

Bordnetzfehler:

• Überspannung im Bordnetz

• Unterbrechung der Sendeleitung

• Unterbrechung der Ladeleitung "B+" Generator / "B+" Batterie

 Auslastung Generator

Am Regleranschluss "DFM" (DF-Monitor) wird ein Signal ausgegeben, das den Auslastungsgrad des Generators wieder spiegelt. Diese Funktion ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Ladebilanz. Dabei wird der aktuelle Auslastungszustand des Generators erfasst. So kann zum Beispiel vom Motormanagement die Leerlaufdrehzahl angehoben oder vom Bordnetzsteuergerät die Leistung durch Abschalten unwichtiger Verbraucher reduziert werden. Droht also eine zu niedrige Bordnetzspannung, die ein sicheres Starten des Motors gefährden könnte, oder sicherheitsrelevante Verbraucher mit unzureichender Spannung versorgt, können Komfortverbraucher wie die heizbare Heckscheibe kurzzeitig abgeschaltet werden.

Das DFM-Signal zeigt das Tastverhältnis des Erregerstroms. Die Impulsweite ist abhängig vom Arbeitspunkt des Generators (Belastung, Drehzahl und Temperatur). Der Anschluss "DFM" liefert ein Abbild des Signalverlaufs von "DF".

Generator DFM Signal - kfztech.de

Bei den neuen Generatoren von Bosch (Efficency Line) werden mit MFR Reglern oder mit Reglern mit Kommunikationsschnittstelle ausgeliefert. Die Regler liefern besipielweise ein pulsweitenmoduliertes DFM-Signal oder können via LIN-Bus kommunizieren. Dadurch können die Ladebilanz, Rekuperation und Drehmomentmanagement verwirklicht werden.

Smart - Charge - System

Das Smart Charge - System kommt ohne zusätzliche Bauteile aus, hat im Motorsteuergerät eine Selbsttest - Funktion und ist diagnosefähig. Außerdem erhöht das Motorsteuergerät bei zu hoher Generatorbelastung die Leerlaufdrehzahl, um die Generatorleistung anzuheben.

Smart-Charge von Ford

Die Generatorspannung kann zwischen 12,5 V und 16,5 V liegen. Dies ist besonders zu beachten, wenn mit einem Multimeter die Batteriespannung gemessen werden soll. Das System arbeitet ausgehend von einem festgelegten Generatorspannungs - Sollwert, der optimal für die jeweilige Batterietemperatur ist.

Das Motorsteuergerät steuert das Motorlaufrelais an. Dadurch werden bestimmte Verbraucher mit hoher Stromaufnahme (z.B. beheizte Frontscheibe) nur dann mit Strom versorgt, wenn der Generator arbeitet.

Bei Motorstart oder niedrigen Drehzahlen wird der Smart Charge - Generator nicht aktiviert. Dadurch entsteht keine unnötige Drehmoment - Belastung für den Motor beim Starten. Der Generator bleibt so lange deaktiviert, bis das Steuergerät - Ausgangssignal aktiviert wird, was bei Drehzahlen außerhalb der Starter - oder Unterdrehzahl erfolgt.

Bei Volllast geht es hauptsächlich darum, die Beschleunigung zu optimieren. Die Drehmomentbelastung durch den Generator wird deshalb vom Motorsteuergerät durch Absenken des Spannungsregler - Sollwerts auf einen kleinstmöglichen Wert heruntergeregelt. Um eine Entladung der Batterie zu vermeiden, wird der Volllast - Modus zwischenzeitlich abgeschaltet (zum Smart Charge System siehe auch Technik Profi 9/06).

Lange Zeit fristete der auch heute noch häufig als Lichtmaschine bezeichnete Generator am Rande des Motors ein wenig beachtetes und kaum Veränderungen unterworfenes Dasein. Aber inzwischen haben die, durch die Elektronik überall im Automobil ausgelösten Veränderungen, auch den Generator erreicht. Was allerdings bei einigen Systemen als elektronische Spielereien abgetan werden kann, ist beim Generatormanagement äußerst sinnvoll und notwendig. Es gilt schließlich einerseits die erforderlichen Leistungen bereitzustellen und andererseits die Ausfallsicherheit des Autos zu erhöhen.

Bilder: Bosch, VW, Ford

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