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Beherrschbare Leistung
Die Drehstromgeneratoren heutiger Fahrzeuge müssen gegenüber den Ladeeinrichtungen früherer Generationen ein Mehrfaches leisten und beanspruchen dafür von den Verbrennungsmotoren ebenfalls deutlich mehr mechanische Energie. Damit diese Entwicklungen nicht mit Komforteinbussen erkauft werden müssen, waren Erweiterungen im Regelungsbereich erforderlich.
das Aussehen von Alternatoren hat sich in den vergangenen Jahrzehnten nicht allzu sehr verändert. (Regelungs-) Technisch ist aber einiges gegangen.
VON ANDREAS LERCH
Als in den 1960er-Jahren die Drehstromgeneratoren die Gleichstrom-Lichtmaschinen in den Autos zunehmend verdrängten, stellte dies einen Meilenstein in der Bordnetztechnologie dar. Durch das Ersetzen der mit dem Ladestrom belasteten Kommutatoren durch umfangmässig ungeteilte Schleifringe konnte das Übersetzungsverhältnis verändert werden. Die Drehstromgeneratoren erreichten dadurch bedeutend höhere Enddrehzahlen und konnten daher bereits bei Leerlaufdrehzahl elektrische Leistung abgeben. Andererseits musste durch den Wegfall der Kommutatoren die Gleichrichtung des Ladestromes durch Dioden übernommen werden.
Induktion
Unabhängig vom Antrieb wird der grösste Teil des elektrischen Stromes auf unserer Welt durch induktiv arbeitende Generatoren aus mechanischer Energie umgewandelt. Dazu braucht es eine Spule, ein Magnetfeld und eine Bewegung. Entweder bewegt sich die Spule im Magnetfeld oder das Magnetfeld in der Spule. Beim Alternator ist das Zweite der Fall. Die über die Schleifringe bestromte Spule im Rotor erzeugt ein Magnetfeld, welches axial verteilt den Nord- und den Südpol aufweist. Diese axialen Pole werden durch Polklauen an den Umfang des Rotors gebracht. Häufig führen 6 Polklauen den Nord- und 6 den Südpol in die Nähe der Ständerwicklung. Die Ständerwicklungen sind dreiteilig und in Stern- oder Dreickeckschaltung zusammengehängt.
Ladebeeinflussung
Um die Ladeleistung zu verändern, können die Wicklungszahl, die Magnetfeldstärke oder die Geschwindigkeit (= Drehzahl des Rotors) verändert werden. Bei den Alternatoren der Motorfahrzeuge schränken sich diese Möglichkeiten ein: Die Wicklungszahlen der Ständerwicklungen sind vom Konstrukteur vorgegeben und können nicht verändert werden, und die Rotordrehzahl hängt vom Gasfuss des Fahrers ab. Bei hohen Drehzahlen bewegt sich der Klauenpolläufer schnell und dadurch entsteht eine hohe Ladespannung. So muss die Ladespannung über das Magnetfeld geregelt werden, welches aus diesem Grund nicht aus einem Permanentmagneten bestehen darf, sondern elektrisch erzeugt werden muss. Die Magnetfeldstärke im Rotor ist wiederum von der Windungszahl (diesmal von der Erregerwickbelung auf dem Rotor), vom Weicheisen und von der Stromstärke abhängig. Windungszahl und Eisenmasse können während der Fahrt auch hier nicht verändert werden. Deshalb kann die Stärke der Induktion nur von der Stromstärke beeinflusst werden, welche über die Schleifringe durch die Erregerspule im Innern des Klauenpolläufers fliesst.
Reglerarten
Als Regler kommt somit ein «Schalter» in Frage, welcher in rascher Folge den Erregerstrom in Abhängigkeit der anliegenden Ladespannung ein- und ausschalten kann. Es bietet sich ein Öffnerrelais an: Bei niedriger Spannung schliessen die Kontakte und der Erregerstrom durchströmt die Wicklung im Klauenpolläufer, das Magnetfeld baut sich auf und die Induktion funktioniert. Dadurch steigt die Alternatorspannung; im Relais werden die Kontakte angezogen und der Stromkreis geöffnet. Das Magnetfeld bricht zusammen und die Ladespannung sinkt. Elektromechanische Regler wurden mit Widerständen optimiert, bei transistorisierten Reglern konnten die Schaltfrequenzen bedeutend gesteigert werden, dadurch werden die Generatoren feinfühliger geregelt. In der Ladeanlage, welche durch einen transistorisierten Regler beeinflusst wird, arbeiten die Widerstände R1 und R2 als Spannungsteiler, die Z-Diode lässt die Spannung, welche nach den Erregerdioden am Emitter und der Basis des Transistors anliegt, ab einem bestimmten Wert durch und schaltet so den oberen Transistor ein. R3 bildet in diesem Moment den Lastwiderstand für den CEStrom des Transistors. Wenn der obere Transistor leitet, liegt an der Basis des zweiten Transistors ein Potenzial an, welches kleiner als 0.7 V ist, also sperrt dieser Transistor. Sinkt die Spannung und sperrt der erste Transistor, kommt der zweite zum Leiten. R3 wirkt in diesem Zustand als Basiswiderstand und die Diode D1 ist die Löschdiode für die Selbstinduktionsspannungsspitzen im Ausschaltmoment des Erregerstromes.
Neue Anforderungen
Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit der Bordspannung, welche von der Z-Diode gemessen wird. Sinkt die Bordspannung durch das Zuschalten eines Verbrauchers, merkt das die Z-Diode und erregt den Alternator stärker. Sie arbeitet jedoch auch temperaturabhängig, was in Anbetracht der Batterieladung eigentlich vorteilhaft ist, solange angenommen wird, dass die Reglertemperatur der Elektrolyttemperatur in der Batterie entspricht. Ist dies jedoch nicht der Fall, ergibt sich bezüglich der Batterielebensdauer eine Verbesserungsmöglichkeit. Beim Einschalten von grossen Verbrauchern (z.B. Frontscheibenheizung) macht der Alternator aufgrund des Spannungssprungs auch einen Leistungssprung, was vor allem im Motorleerlauf die Drehzahl komfortmindernd beeinflussen kann. Unter dem Ausdruck «Loadresponse-Control» wird für diesen Fall eine Regleranpassung vorgenommen, so dass dieser den Erregerstrom allmählich und nicht plötzlich ansteigen lässt (LRF=Load Response-Fahrt – Bild 7). Wird der elektronische Generatorregler digitalisiert, kann die Zeitdauer dieser Anpassung sogar vom Motorsteuergerät angeregt werden. Damit kann die Spannungsanpassung von der Motordrehzahl, der Motortemperatur usw. abhängig gemacht werden.
Multifunktionsregler
Multifunktionsregler werden häufig mit MOS-FET-Endstufen dargestellt, welche Schalttransistoren und Darlington-Endstufen verdrängen. Die Multifunktionsregler sind zu effektiven Steuergeräten herangewachsen und verfügen über verschiedene Eingänge, Verbindungen zum Motorsteuergerät und Leitungen zum Generator. Für viele Situationen benötigt der Regler die Generatordrehzahl. Während früher bei Dieselmotor- Drehzahlsignalen von einem WAbgriff gesprochen wurde, wird heute eine Abzweigung von der V-Wicklung vor der Brückenschaltung vorgesehen. Anhand dieses Impulssignals erkennt der Regler die Drehzahl. Durch die hohen Generatorleistungen werden die Verbrennungsmotoren gerade während dem Startvorgang und dem Hochlaufen durch einen voll erregten Alternator stark abgebremst. Dies kann den Startvorgang verzögern und fällt in den Abgasemissionen negativ auf. Um den Erregerstrom in dieser Situation zu vermindern, taktet der Regler den Feldeffekt-Transistor V3 so, dass der Generator während des Hochlaufs gerade so stark erregt wird, dass die Schwellspannungen der Gleichrichterdioden erreicht werden, dass sich also der Generator nicht mehr im Vorerregungszustand befindet. Diese Massnahme heisst gesteuerte Vorerregung oder Load-Response-Start.
Anschlüsse
Der Anschluss S liefert das Spannungssignal der Batteriespannung. DFM bedeutet DF-Monitor, ermöglicht also die Beobachtung (=Monitoring) des DF-Anschlusses am Regler. An diesem Anschluss kann das Tastverhältnis der Erregung abgenommen und kontrolliert werden. Der W-Ausgang am Regler entspricht im Prinzip dem V-Eingang, also einem nur einfach gleichgerichteten Signal, welches das Laufen des Generators bzw. auch seine Drehzahl angibt. L ist der Kontrolllampenanschluss und über die Anschlüsse 15 bzw. 30 wird der MultifunktionMultifunktionsregler mit Spannung versorgt.
Kommunikation
Multifunktionsregler steuern das Magnetfeld des Läufers mit PWM-Signalen (pulsweitenmodulierten Signalen). Das bedeutet, dass der Ausgangstransistor mit Rechtecksignalen angesteuert wird, welche bei konstanter Frequenz unterschiedlich lange High- bzw. Low-Pegel aufweisen. Immer mehr kommunizieren die Regler über spezielle Leitungen auch mit den Motorsteuergeräten. Dies geschieht häufig ebenfalls über pulsweitenmodulierte Signale. Das High-/Low-Verhältnis trägt in diesen Fällen die Information: Einerseits meldet der Multifunktionsregler dem Motorsteuergerät den Ladestatus, also wie er eigentlich Laden möchte, andererseits kann das Motorsteuergerät den «Setpoint» des Reglers, im Prinzip den spannungsmässigen Umschaltpunkt, beeinflussen. Durch diese Kommunikation können weitere Funktionen realisiert werden. Bei Belastungsspitzen während des Leerlaufbetriebs kann das Motorsteuergerät die Leelaufdrehzahl anheben bevor der Multifunktionsregler die erforderliche Belastung an den Generator weitergibt.
Digitale Kommunikation
Wird die Kommunikation über ein Bus-System abgewickelt, können neben dem direkten Austausch zwischen Motorsteuergerät und Multifunktionsregler weitere Steuergeräte- bzw. Sensorinformationen herangezogen und verarbeitet werden. Meist genügt dazu ein LIN-Bus. LIN heisst Local Interconnect Network und wurde als kostengünstige Busfunktionen für Autoanwendungen entwickelt. Er kommt dort zum Einsatz, wo die Bandbreite und Vielseitigkeit des CAN nicht unbedingt benötigt wird. Trotzdem muss der Informationstransfer relativ schnell vor sich gehen, um Informationen wie Load Response Control, Notregelungen, Überspannungsschutz rechtzeitig melden und umsetzen zu können.
Fehlererkennung
Wie andere Steuergeräte erkennt auch der Multifunktionsregler Funktionsstörungen. Das sind vorwiegend Unterbrüche und Fehlspannungen.
Zum Beispiel:
• Unterbrochene Endstufe
• Überspannung im Bordnetz
• Ladeleitung unterbrochen
• Batterieüberwachungsleitung unterbrochen
• Fehler im/am Generator (gerissener Antriebsriemen, Kurzschluss im Erregerkreis, ..)
Mit dieser Entwicklungsstufe hat sich der bekannte Alternator zeitgemäss verändert, weitere Anpassungen werden folgen: Soll er zum Start-Stopp-System beigezogen werden, muss die Gleichrichtung im Steuergerät erfolgen. Und schaltungsmässig sind in Personenwagen heute Generatoren bekannt, welche – wie in Bussen – zwei parallel geschaltete Ständerwicklungen in Stern- oder Dreieckschaltung aufweisen.
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