Bordnetz

1. Startvorgang und Frontscheibenheizung
2. Sekundärluftpumpe
3. Heizung und Gebläse
4. Motormanagement etc.

• Versorgung aller Verbraucher mit Gleichspannung
• Konstante Ausgangsspannung über den gesamten Drehzahlbereich
• Spannung sollte unabhängig vom Lastzustand des Generators sein
• Schnelles Auf- und Nachladen der Batterie
• Robuster Aufbau (Temperaturen, Schwingungen, Feuchtigkeit, Verschmutzung)
• Lange Lebensdauer
• Klein
• Hoher Wirkungsgrad

• Bewegung einer Leiterschleife relativ zu den Feldlinien eines Magnetfeldes erzeugt induzierte Spannung: U_ind ~ |v x B|
• je größer die Geschwindigkeit und je höher der magnetische Fluss durch den Leiter desto größer die induzierte Spannung
• zur Erzeugung eines Wechselstromkreises kann Leiter sich in einem Feld eines Dauermagneten bewegen --> induzierte, sinusförmige Spannung
• bei Drehstromgeneratoren im KFZ befindet sich im Stator eine Drehstromwicklung mit 3 Wicklungen (räumlich um 120° versetzt) --> 120° phasenverschobene induzierte Spannung
• Magnetfeld wird im Läufer durch den über den Schleifer zugeführten Erregerstrom erzeugt

Funktionsbereiche:

1. Magnetkreis des Erregerfeldes
2. Spannungserzeugung in der Drehstromwicklung
3. Gleichrichtung der Dreiphasenwechselspannung
4. Einrichtung zur Festlegung des Sollwertes sowie zur Istwertbeeinflussung der Generatorausgangsspannung (Regelkreis)

• Läufer besteht aus zwei gegensätzlich gepolten Polradhölften --> wechselseitig Nord- und Südpol
• Erregerwicklung erhält Strom über Kohlebürsten
• Magnetischer Fluss: --> Polkern --> linke Polhälfte und deren Finger --> Luftspalt --> feststehender Ständerblechpaket und Ständerwicklung --> rechte Polhäfte --> Kern
• einfacher Wicklungsaufbau --> kostengünstig und robust
• Feldausnutzung nicht optimal
• Diodenbrücke und Regler im Ständer
• Antrieb üblicherweise über Keilriemen, selten über Zahnräder von der Kurbelwelle

1. Gehäuse
2. Antriebslagerschild
3. Ständer
4. Schleifringlagerschild
5. Magnetpol
6. elektrische Spannungsregler mit Bürstenhalter
7. Schleifringe
8. Gleichrichter
9. Lüfter
10. Erregerwicklung
11. Läuferwelle
12. Riemenscheibe

1. Einweggleichrichtung
   • Gleichrichterdiode
2. Drehstrombrückengleichrichtung

Erregerstromkreis

• bevor die Selbsterregung des Generators einsetzt, muss im Ständer eine Spannung induziert werden --> Fremderregung durch die Batterie (Vorerregerstromkreis)
• Selbsterregung, wenn Generatorspannung größer ist als der Spannungsabfall an den beiden Dioden (> 1,4 V im Erregerkreis)

Generatorstromkreis

• Spannungen der 3 Phasen werden durch die mit Leistungsdioden bestückte Brückenschaltung gleichgerichtet --> Weitergabe an Batterie und Verbraucher

• durch das Verhältnis der Einschaltdauer T_E zur Ausschaltdauer T_A wird maßgeblich der mittlere Erregerstrom I_m bestimmt
• Toleranzband der Generatorspannung U in Abhängigkeit der Generator-Ansaugtemperatur t_A

1. Bordnetzspannung möglichst konstant --> damit Batterie nicht über- oder entladen wird
2. bei konstantem Erregerstrom ist die Ausgangsspannung abhängig von Drehzahl und Last --> Spannung muss durch Regelung über gesamten Drehzahlband konstatnt gehalten werden
   • Höhe des Erregerstroms und damit Magnetfeld im Läufer wird geregelt (bei 12 V Batterie eine Spannungsregelung im 14 V Toleranzfeld angestrebt)
3. Reglerkennlinie ist den chem. Eigenschaften der Batterie angepasst (bei niedrigen Temperaturen --> Generatorspannung etwas höher)
4. Übersteigen des oberen Sollwertes schaltet Regler die Endstufe ab --> Erregerstrom über Freilaufdiode --> Generatorspannung sinkt
5. Unterschreiten des unteren Sollwertes schaltet der Regler den Erregerstrom wieder ein
6. Reglerzyklen im ms-Bereich --> Mittelwert der pannung kann sich gut auf Sollwert einstellen
7. hohe Drehzahlen --> kurze Einschaltdauer des Erregerstroms

• Generatoren müssen durch das konstante Übersetzungsverhältnis zum Verbrennungsmotor in einem weiten Drehzahlbereich arbeiten 0…18000 1/min
• Für PKW-Motoren liegen die Übersetzungen zwischen 1:2.2 bis 1:3
• hier dargestellte Volllastkennlinie bezieht sich auf eine konstante Generatorspannung bei konstanter Temperatur

Charakteristische Punkte

• Null-Ampere-Drehzahl n0: Drehzahl, bei der die Nennspannung erreicht wird, ohne Strom abzugeben
• Drehzahl bei Motorleerlauf nL : Der vom Generator erzeugte Strom iL muss mindestens zur Versorgung der dauernd eingeschalteten Verbraucher ausreichen
• Nenndrehzahl nN und Nennstrom IN: Als Nennstrom wird der Volllaststrom des Generators bezeichnet, den er bei Nenndrehzahl, Nennspannung und Umgebungstemperatur von 23°C besitzt. Aus der Antriebsleistung und der abgegebenen Leistung kann der Wirkungsgrad des Generators bestimmt werden

• aufgrund der Ummagnetisierung steigen mit höherer Drehzahl die Eisenverluste --> Wirkungsgrad sinkt mit höherer Drehzahl
• mechanische Reibung
• Kupferverluste im Ständer
• Eisen- und Zusatzverluste
• Gleichrichterverluste
• Erregerverluste

• Der maximale Wirkungsgrad eines luftgekühlten Generators liegt bei Volllast bei ca. 70 % 
• Im Teillastbereich kann ein Wirkungsgrad von bis zu 75 % erzielt werden
• Wirkungsgrad sinkt mit steigender Drehzahl
• Der bessere Wirkungsgrad eines stärkeren (schwereren) Generators kann ggf. das höhere Gewicht beim Kraftstoffverbrauch kompensieren --> Dabei ist das erhöhte Massenträgheitsmoment eines stärkeren Generators zu beachten
• Im Bild dargestellt sind zwei Generatoren K1, ausgelegt für 28 V mit unterschiedlichem Gewicht
• Optimierung zuerst nach Wirkungsgrad und dann nach Gewicht

• Start Verbrennungsmotor (3...10 kW)
• Elektromagnetischer Ventiltrieb (2 kW)
• Elektrisch beheizter Katalysator (3 kW)
• Start-Stop-Betrieb (1 kW)
• Rekuperatives Bremsen (8 kW)
• Boostbetrieb beim Mild-Hybrid (12 kW)
• Elektr. Klimaanlage (2 kW)
• Infotainment (<1 kW)

Blei

• + lange Erfahrung durch Großserie
• + Kostengünstig bei relativ hoher Energiedichte
• o Umweltverhalten kritisch, Recyclinginfrastruktur existiert
• - schlechte Zyklenfestigkeit (mehrere 100 bis 1000 Zyklen bei Blei-Gel-Technologie)

NiMH (Nickel-MetallHydrid)

• o In ersten Anwendungen in Hybridfahrzeugen in Serie
• + Energie- und Leistungsdichte ähnlich Bleibatterie
• + wesentlich bessere Zyklenfestigkeit (bis 15.000 Zyklen) als Bleibatterie
• - kritisch bezüglich des Temperaturverhaltens, Thermomanagement bei Laden- und Entladen
• - hohe Kosten
• - hohe Selbstentladung

Li-Ion (Lithium-Ionen)

• - Serienreife für Fahrzeuge noch nicht gegeben
• + Etwa dreifache Energiedichte (80Wh/kg) zu Bleibatterien bei vergleichbarer spezifischer Leistung
• - Zyklenfestigkeit: ca. 500…1500 Zyklen bei vollständiger Entladung
• - ca. 4000 Zyklen bei Teilentladung (60%)
• - hohe Kosten

Kathode

• elektrochemische Reduktion
• Elektronen werden am elektrischen Pol aufgenommen
• entweder Anionen an den Elektrolyten abgegeben bzw. Kationen aufgenommen

Anode

• elektrochem. Oxidation
• Elektronen an den elektr. Pol abgegeben
• Kationen an den Elektrolyten abgegeben bzw. Anionen aufgenommen

Elektrolyten

• durch ihm fließt elektrischer Strom, aber nicht durch Elektronen sondern durch Ionen
• stellt Anionen oder Kationen für die elektrochem. Reaktion bereit und verändert sich
• oder leitet lediglich die Ionen zwischen den Elektroden und verändert sich nicht

Seperator

• ist für Ionen durchlässig, aber lässt Elektronen nicht durch den Elektrolyten

1. bestehen aus zwei Elektroden (Metalle oder Metalloxide) die über einen Elektrolyten (Salzlösung) verbunden sind
2. Halbzellenreaktionen an Anode oder Kathode --> Energie wird freigesetzt oder aufgenommen
3. Galvanische Element
   • Primärelement --> Reaktion läuft nur einmal ab bis zur Entladung
   • Sekundärelement --> Reaktion läuft entgegengesetzt ab
   • Metallsalzlösung (innerer Stromkreis) und Verbraucher (äußerer Stromkreis)
   • einzelne System Metall/Elektrolyt = Halbelement
   • als Folge von Berührung von Metall und Flüssigkeit entsteht Galvani-Spannung
   • zwischen den Halbelementen entsteht Spannungdifferenz --> Zellspannung
   • werden die Elektroden leitend miteinander verbunden fließt durch diesen äußeren Leiter Strom und Elektronen werden ausgetauscht
   • Anode: gehen Metallionen in die Lösung --> löst sich auf: Me→Meⁿ⁺ + ne^-
   • Kathode: scheiden sich Metallionen aus der Lösung als Metall ab: Meⁿ⁺ + ne^- → Me
   • Metallauswahl für Anode und Kathode aus elektrochem. Spannungsreihe --> das jeweils unedlere Metall geht in Lösung

1. geladene Zelle
   • Schwefelsäure hoher Dichte
2. Entladen
   • Anschluss eines Verbrauchers --> Elektronenstrom von - nach +
   • es entsteht Bleisulfat PbSO₄
   • Schwefelsäure wird verdünnt
3. entladene Zelle
   • Entladevorgang beendet wenn chem. in elektrische Energie umgewandelt wurde
   • Schwefelsäure niedriger Dichte --> Maß für Ladezustand
4. Laden einer Zelle
   • elektri. Energie wird der Zelle zugeführt und in chem. ugewandelt
   • aus der Pluselektrode werden Elektronen entzogen
   • Bleisulfat wird elektrochem. gespalten
   • Ladespannung zwingt der Minuselektrode Elektronen auf
   • Schwefelsäure wird neu gebildet --> Dichte des Elektrolyt nimmt zu

Zellspannung von ca. 2 V --> Mehrere Zellen zusammenfügen um auf erforderliche Spannung zu kommen

Nennspannung

• Anzahl Zellen x Zellennennspannung (6/12/24/36 V)

Nennkapazität

• Stromzeitprodukt in Ah (bei 25 ° C und konstantem Endladestrom über 20h im Neuzustand --> Endladeschlussspannung muss noch 10,5 V bei 12 V Nennspannung betragen
• Abhängigkeit von Entladestrom, Dichte und Temperatur des Elektrolyts, Zeitlicher Verlauf der Entladung, Alter der Batterie, Grad der Säureschichtung der Batterie

Kälteprüfstrom

• Maß für Verhalten beim Motorstart bei -18° C

Gasungsspannung

• bei Ladung oberhalb dieser Spannung entsteht Knallgas --> Wasserverlust (Generatorregelung)

1. A: 20 stündige Entladung
2. B: Zündung und Beleuchtung
3. C: Gebläse, Scheibenheizung, Nebellicht, Wischer, Radio
4. D: mittlerer Starterstrom