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Elektrik |
Integrierte
Starter-Generator-Systeme
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Die Zukunft des Stromnetzes im Auto
Ein Startergenerator
ist wie der Name vermuten
lässt Starter und Generator in einem. Der Startergenerator ist
in der Lage den Motor in Sekundenbruchteilen anzuwerfen (Starter),
den Motor evtl. zu beschleunigen (Booster)
und dann auch noch elektrischen Strom erzeugen (Generator).
Heutige leistungsstarke Startergeneratoren können, wenn sie in
Hybridelektrokraftfahrzeugen eingesetzt werden Energie sparen, indem
sie beim Abbremsen des Fahrzeugs elektrische Energie in die
Fahrzeugbatterie zurückspeisen (Rekuperation). Von
Voll-Hybridfahrzeugen
wie z.B. dem Toyota Prius
soll aber hier nicht die Rede sein.
Grundsätzlich unterscheidet man Systeme mit
riemengetriebenem
Startergenerator, die man auch als Micro-Hybrid-Systeme
bezeichnet und Systeme, die direkt von der Kurbelwelle angetrieben werden. So
lange das 42 V Bordnetz aber nicht umgesetzt wird, werden solche Systeme aber
kaum auf den Markt kommen.
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Continental forschte und
entwickelte an einem Kurbelwellen Starter Generator, der mit
dem Kürzel ISAD auf sich aufmerksam machte. Ein Serieneinsatz
kam aber nicht zustande.
ISAD
bedeutet Integrated Starter Alternator Damper.
Eine weitere gebrauchte Abkürzung ist z.B. auch ISG,
was Integrierter Starter Generator bedeutet. Bei ZF Sachs
verwendet man den Namen
Dynastart.
An die Kurbelwelle oder an das Getriebe
angeflanschte Startergeneratoren benötigen eine intelligente
Steuerung. Viele Funktionen welche heute Starter und Generator
einzeln übernehmen werden in einem System vereint. Zusätzlich
wird der Funktionsumfang verbessert und deutlich erweitert. |
Integrierter Starter Alternator Damper
(ISAD) von Continental |
Vorteile |
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Der Wirkungsgrad ist sehr
hoch, er liegt über 80% und die Generatorleistung kann größer als 8
KW betragen.
Integrierte
Startergeneratoren können ihren Vorteil besonders in 42 V Systemen
ausspielen.
Da kein Ritzel beim Start einspuren muss, sind
solche Systeme auch viel schneller und leiser, als herkömmliche
Starter. Startergeneratoren können sowohl das Abgas und den
Verbrauch reduzieren und auch noch die Drehschwingungen des Motors
dämpfen (Damper!).
Nach dem Start des Motors kann der
Startergenerator ein zusätzliches elektromotorisches Drehmoments zur
Anfahr-Unterstützung - bereitstellen. Dies wird als sogenannte
Boost-Funktion bezeichnet.
Und last but not least
bietet so ein System auch eine Start-/Stop Automatik. Dies sind
alles Vorteile, die sie für einen Hybridantrieb interessant machen.
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Dynastart - System von ZF Sachs |
Allein durch die
Start/Stopp-Funktion ließen sich mehr als 5% Kraftstoff
sparen. In Kombination mit
regenerativem
Bremsen wären mehr als
11% möglich. Weiteres Kraftstoffeinsparpotential
könnte sich durch die Booster Funktion ergeben. Hier
kann zum einen die Fahrdynamik eines Fahrzeuges
deutlich erhöht werden oder durch Verwendung eines
hubraumschwächeren Motors (Downsizing) in Verbindung
mit einem ISAD-System würden die Kosten, bei
gleichbleibender Fahrzeugdynamik
(Beschleunigungsverhalten), für Kraftstoff und
Fahrzeuganschaffung deutlich reduziert.
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Von
Honda ist seit Jahren der
Honda IMA
im Einsatz.
IMA steht für Integrated Motor Assist.
Es handelt sich um einen milden Hybriden mit einem
Kurbelwellen-Startgenerator, der erstmals im Honda Insight
eingebaut wurde und z.B. auch im Hinda Civic IMA erfolgreich
angeboten wird. |
Bei Honda als IMA schon lange im Einsatz |
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Riemengetriebener Startergenerator
Vom riemengetriebenen
Startergenerator wurde oft berichtet.
Valeo hat ihn als
StARS
in mehreren Fahrzeugen bereits im Einsatz.
Valeos
Starter-Generator wurde erstmals 2004 im PSA Konzern eingebaut.
Der riemengetriebene Starter-Generator verbindet mit Hilfe einer
elektronischen Steuerung die Funktionen von Starter und Generator in
einer leicht einzubauenden Einheit.
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StARs von Valeo |
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Das System ermöglicht eine Stopp-Start-Funktion,
die automatisch den Motor abschaltet, wenn das Fahrzeug steht, und
umgehend und lautlos wieder startet, wenn der Fahrer einen Gang einlegt
oder die Bremse löst.
Da das System die bestehenden Generator-Befestigungen nutzt,
ist das System eine flexible Aufsatz-Lösung, die nicht in das Design des
Antriebsstranges eingreift – ganz im Gegensatz zu integrierten
Starter-Generatoren, die zwischen Motor und Getriebe platziert werden und
folglich eine grundlegende Umgestaltung dieser Systeme erfordern.
Endverbraucher profitieren von bis zu 10 Prozent
Kraftstoffersparnis, geringerem Geräuschniveau beim Anlassen, Null
Geräuschen und Abgasen bei stehendem Fahrzeug sowie von einem
niedrigeren Kraftstoffverbrauch. Dem Umweltschutz wird Rechnung getragen
aufgrund der fehlenden Abgasproduktion im Stillstand - im überfüllten
Stadtverkehr stehen Autos unter Umständen mehr als 30 Prozent ihrer
Betriebszeit.
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Start-Stopp-Funktion |
i-StARS
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Bei der jüngsten Weiterentwicklung des Systems, dem
i-StARS, wurde die Steuerelektronik in die
elektrische Maschine integriert, was die Integration in ein
vorhandenes System noch mehr erleichtert.
Das Micro-Hybrid-System schaltet den Motor automatisch aus,
sobald das Fahrzeug z.B. an einer Ampel oder in einem Stau
zum Stillstand kommt, und lässt ihn wieder an, wenn der
Startimpuls gegeben wird; dadurch wird der CO2-Ausstoß im
Durchschnitt um 5 g/km und in dichtem Stadtverkehr um bis zu
15 % gesenkt.
Das i-StARS kann den Motor schon vor dem vollständigen
Stillstand des Fahrzeugs stoppen, d.h. sobald die
Geschwindigkeit unter 8 km/h (im Fall eines automatisierten
Schaltgetriebes) und 20 km/h (im Fall eines handgeschalteten
Getriebes) abfällt. So wird die Kraftstoffeinsparung
optimiert und das Autofahren leichtgängiger gemacht. Der
Motor wird unverzüglich (in 400 ms), vollkommen lautlos und
schwingungsfrei wieder angelassen, selbst wenn der Fahrer
während des Stillstands plötzlich umdisponiert. Außerdem
werden die Kraftstoffeinsparungen dadurch erhöht, dass die
Stillstandphasen länger und häufiger sind als bei anderen
Systemen.
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PSA Peugeot-Citroën hat vor, i-StARS ab 2010 in großen Serien z.B. in
den e-HDi Dieselmodelle anzubieten. Ein anderer Automobilhersteller wird
ebenfalls mit i-StARS in Serie gehen.
StARS+X
Einen Schritt weiter geht Valeo mit dem StARS+X, der die Rückgewinnung
kinetischer Bremsenergie und, im Bedarfsfall, die Unterstützung des
Verbrennungsmotors ermöglicht. In diesem Fall spricht man von
Micro-Mild-Hybridfahrzeugen. Dank seiner Fähigkeit, höhere Spannungen zu
bewältigen, bietet der StARS+X doppelte Leistung.
In Phasen der Geschwindigkeitsabnahme wirkt das System wie eine elektrische
Bremse auf den Motor. Dabei wird die zurückgewonnene Energie in Elektrizität
umgewandelt und anschließend in
Ultrakondensatoren gespeichert. Dieser Strom wird über einen
Spannungswandler dem Bordnetz zugeführt oder aber vom Starter-Generator genutzt,
um den Motor im Rahmen der Stopp-Start-Funktion neu anzulassen oder auch um bei
hoher Leistungsanforderung eine Antriebsunterstützung bereitzustellen. In jedem
Fall bringt das System spürbare Kraftstoffeinsparungen, die im
Standard-MVEG-Standardzyklus auf 10 bis 12 % geschätzt werden.
Startergenerator in der 2. Generation
Als momentan einziger Ausrüster bietet Valeo zwei alternative Konzepte
der Stopp-Start-Funktion an, nämlich ein System mit verstärktem Starter
und einen Starter-Generator. Der verstärkte Starter von Valeo bringt
eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs durch die Stopp-Start-Funktion
um ca. 4 -6% im europäischen MVEG-Standardzyklus. Da das System keine
Veränderung der Fahrzeugarchitektur erfordert, kann es sehr schnell
integriert werden. Volvo bietet es als Ausrüstung seines
umweltfreundlichen Modells S-40 1.6D DRIVe an, das vor kurzem von der
britischen Fachzeitschrift „What car?“ aufgrund seines geringen
Kraftstoffverbrauchs und CO2-Ausstoßes zum „grünen Auto“ des Jahres 2009
gekürt wurde.
Das Microhybrid-System StARS wird seit 2004 in
Fahrzeugen der Gruppe PSA Peugeot Citroën (C2 und C3) und seit 2008 als
Ausrüstung der Mercedes A- und B-Klasse sowie des Smart vertrieben.
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A-Klasse mi Micro-Hybrid-System von Valeo |
Ausblick
Mit leistungsfähigeren elektrischen
Maschinen soll es künftig möglich sein, eine höhere Antriebsunterstützung zur
Verfügung zu stellen, so dass die Leistung und folglich der Hubraum des
Verbrennungsmotors erheblich reduziert werden können (Downsizing). Ein
entscheidender Vorteil des Konzepts besteht darin, dass die relative Schwäche
von Verbrennungsmotoren mit geringem Hubraum im Fall von Beschleunigungen bei
niedrigen Drehzahlen durch das sofort bereitgestellte, starke Drehmoment der
elektrischen Maschine ausgeglichen wird. So macht das System das Autofahren
zugleich komfortabler, leichtgängiger und wirtschaftlicher. Mehrere, von Valeo
und unabhängigen Laboren durchgeführte Untersuchungen ergaben, dass die
Elektromotorleistung zwischen 10 und 15 kW liegen muss, um ein optimales
Gleichgewicht zwischen Fahrkomfort, Kraftstoffverbrauch und Gesamtkosten des
Systems zu erzielen. Ein Mild-Hybrid-Modell erzeugt 15 bis 20 % weniger
CO2-Emissionen als ein herkömmliches Fahrzeug mit vergleichbaren Leistungen. Das
Valeo-System für Mild-Hybridfahrzeuge ist mit Benzin- und Dieselmotoren
kompatibel. Es wird 2013 auf den Markt kommen.
Übrigens
Ein wichtiger Grund warum immer mehr Hersteller
über Startergeneratoren mit Stopp-Start-Funktion nachdenken und
einführen wollen, ist die Verpflichtung die CO2-Werte und damit den
Verbrauch senken zu müssen. Ein Grenzwert von 140 g/km z.B.
entspricht einem mittleren Verbrauch von ca. 5,7 l/100km für
Benziner und 5,1 l/100km für Diesel. Bei 120g/km sind es
gerade einmal 4,9 l/100 km für Ottos und 4,4 l/100km für
Selbstzünder.
Mein Dank geht an ContiTeves, mot, Siemens/VDO,
Valeo und Bosch
Johannes Wiesinger
bearbeitet:
30.01.2024
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