1) Das Bordnetz - Fachhochschule Südwestfalen

Fachhochschule Südwestfalen
Wir geben Impulse
Automobil Elektrik / Elektronik
Bordnetze, Generator und
Starter
Veranstaltungsinhalte*
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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Folie 33 (09/2015)
Quelle: K. Reif, Automobilelektronik
2.d) Leitungssatz / Kabelbäume
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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.
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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.
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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).
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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..
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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
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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.
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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.
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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.
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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