Alternatoren und Ihre Regelung
In diesem Bericht möchte ich euch die Batterieladung über den fahrzeugeigenen Generator etwas näher bringen, da dieser eine Hauptaufgabe der Ladung während der Fahrt übernimmt. Dazu gehört auch die Querschnittsberechnung der Ladeleitungen.
Es gibt bis zum heutigen Stand der Technik eigentlich drei, bzw. vier verschiedene Generatorenarten.
Die vierte und neuste Generatortechnik, der so genannte Start-Generator (wird im Schwungradbereich eingebaut), ist als Anlasser und zugleich als Generator verwendbar, den wir hier aber nicht behandeln.
Die erste Generatorart nennt man Gleichstromgeneratoren. Diese produzieren direkt ohne Umweg von Gleichrichtern eine verhältnismässig kleine Leistung.
Der Gleichstromgenerator ist nur noch selten in einigen Oldtimern zu finden und wird hier wegen der kleinen Leistung und nicht exakt zu bestimmenden Abläufe nicht näher behandelt. Diese Gleichstromgeneratoren finden seit Ende der 70er, Anfang der 80er Jahre keinen Serieneinsatz mehr in Kraftfahrzeugen.
Die zweite Generatorart nennt man kollektorlose Generatoren (Bosch Bezeichnung T1 Drehstromgenerator) oder in der Fachsprache Topfgenerator. (Bild 5.16)
Die abgegebene Leistung wird wie auch bei der Lichtmaschine induktiv erzeugt, d. h. ein mit einer regelbaren Spannung (Erregerspannung genannt) beaufschlagten Rotor dreht sich in einem Statorgehäuse.
Die Spannung für die Erregung wird von der Klemme 15 (Zündung ein) über eine Glühlampe (Generatorlampe) geführt, und dann über eine Drahtleitung dem Regler zugeführt. Dieser regelt dann die Leistung des Generators. In der Regel sind die Generatorlampen (im Armaturenbrett) auf eine Leistung von 2 Watt beim 12 Volt und 3 Watt beim 24 Volt-Generator ausgelegt. Wird eine Leuchtdiode (LED) verwendet, so muss ein Widerstand parallel zur LED verbaut werden, welcher die 2 oder 3 Watt Leistung erzeugt.
Die Generatorlampe leuchtet so lange bis die so genannte Angehdrehzahl des Generators erreicht wird (Spannung des Generators höher als Batteriespannung).
Der erzeugte Strom ist ein reiner Dreiphasen-Wechselstrom, der dann über Dioden gleichgerichtet wird. Der externe (frühere Bauart) oder interne Regler überwacht hier die Ladungsabgabe. Der Topfgenerator ist gut an seinem aussen liegenden einfachen Lüfterrad zu erkennen (spezielle Ausführungen, wie sie zum Teil an Luft gekühlten Motoren vorkommen, einmal abgesehen).
Die Vorteile zum Gleichstromgenerator sind erheblich grössere Leistungen und bessere Regelbarkeit in tiefen Drehzahlbereichen (z. B. Leerlauf).
Diese sind meist über normale Keilriemen angetrieben und haben eine Nenndrehzahl (Arbeitsbereich, wodurch die beste Leistung erzeugt wird) von ca. 2 – 4000 U/Min.
Da der Schleifring wegen der Bauart einen relativ grossen Durchmesser hat, sind grössere Drehzahlen nicht möglich. Die Umfangsgeschwindigkeit würde zu hoch, so dass die Kohlebürsten nicht mehr sauber aufliegen können. Folglich würde die Leistung durch die nicht korrekte Fremderregung massiv nach unten fallen.
Mit den Topfgeneratoren stiess man in der Entwicklung an eine Ladeleistung von 90 – 110 Amp. bei einer Spannung von 14.4 Volt. Um höhere Leistungen zu erzielen, wurden zwei Generatoren im gleichen Gehäuse verbaut, Bosch Bezeichnung DT 1 (Bild 5.17). Nachteile sind das hohe Gewicht und die Grösse.
Durch die Weiterentwicklung entstand der Compact-Generator, (Bosch Bezeichnung LI-E) und somit wären wir bei der dritten Art von Generatoren (Fachbezeichnung Compact-Generatoren) angelangt.
Wesentlicher Unterschied und gut von aussen erkennbar sind die beiden innen im Gehäuse verbauten Lüfterräder (vor und hinter dem Stator angeordnet). Diese gewährleisten eine sehr effiziente Kühlung bei hoher Leistungsabgabe. Durch die geänderte Bauart (überlappende Klauenpole) konnte der Schleifring-Durchmesser gesenkt werden, was eine Nenn-Drehzahl dieser Alternatoren von ca. 7500 – 8000 U/Min. zulässt, und auch für die Leistung und Kühlung notwendig macht. So wird einerseits die Leistung bei langsam laufenden Dieselmotoren erheblich gesteigert. Allerdings lässt sich dieses Drehzahlübersetzungsverhältnis nicht mehr mit einem Keilriemenpulli erreichen. Für die kleinen Durchmesser wurde auf Keilrippenriemen umgestellt, die einen kleinen Durchmesser als Antrieb ohne merklichen Schlupf zulassen. Es ist jedoch darauf zu achten, dass das Pulli zur Hälfte umfasst wird.
Berechnungen der Drehzahlen erfolgen wie folgt:
Die Drehzahl des treibenden Pullis (als n1 bezeichnet) multipliziert mit dem Faktor aus Durchmesser d1 (Treiber) über Durchmesser d2 (Getriebenen). So erhält man Drehzahl n2.
Will man das Durchmesser-Verhältnis berechnen, sind n1 über n2 zu teilen. So erhält man das Verhältnis der beiden Durchmesser, die im Verhältnis zur benötigten Drehzahl am Generator stehen.
Die Leistungen dieser Compact-Alternatoren lagen bei 90 – 150 Amp. Die neue Reglertechnik erlaubt auch eine feinfühligere Regelung der Spannung und Ströme. Der Wirkungsgrad der Compact-Alternatoren wurde von 65 % (Topfgeneratoren) auf 74 % erhöht. Die Nennleistung stieg von 2.2 auf 2.8 kW (235 Amp.); wohlverstanden bei gleicher Baugrösse.
Die ganz neuen Alternatoren nennt man auch Compact-Alternatoren (Bosch Bezeichnung LI-X) mit noch verbessertem Leistungs- und Wirkungsgrad Potenzial. Die maximale Leistung liegt hier bei 3.8 kW (315 Amp.).
Um die Compact-Generatoren auf unsere Fahrzeuge aufzubauen, sind grössere Umbauten durchzuführen, da beim Antrieb auf Keilrippenriemen umgestellt werden muss. Dies zu bewerkstelligen ist allerdings möglich. Die Zubehörindustrie hat mittlerweile verschiedene Durchmesser und Rippenanzahl anzubieten. Auch Umlenkrollen sind in verschiedenen Varianten erhältlich.
Welche Leistung der Generator haben muss, hängt von den Verbrauchern und der Grösse der zu ladenden Batterien ab. Das heisst es sind alle Verbraucher, welche an diesem Netz angeschlossen und in Betrieb sein können, zu addieren plus noch ca. 15 % der Batteriekapazität.
Beispiel: Die Addierung der Verbraucher ergibt 36 Amp. und die Batteriekapazität beträgt 460 Ah, so sind 15 %, also 69 Amp., noch dazuzuzählen. Dies ergibt eine Generatorgrösse von mindestens 105 Amp., nächste Normgrösse 110 Amp.
Bei Betrieb von Wechselrichtern während der Fahrt z. B. um die Klimaanlage zu betreiben, ist die Leistung der Klimaanlage zu berücksichtigen. Das heisst, wenn das Typenschild am Klimagerät eine Leistungsaufnahme von 1’200 Watt aufweist, so ist der aufgenommene Strom des Wechselrichters im 12 Volt-Netz 1’200 Watt geteilt durch 12 Volt ergibt 100 Amp., den der Alternator zur Verfügung stellen muss um alleine die Klimaanlage zu betreiben. Bei Klimaanlagen ist allerdings noch die prozentuale Laufzeit des Kompressors pro Stunde zu berücksichtigen. Man rechnet bei Aussentemperaturen zwischen +25 bis +30 ° Celsius von einer Laufzeit von 40 – 60 %. Dies bedeutet wiederum: in den verbleibenden 40 %, wo der Kompressor nicht in Betrieb steht, die Batterien mit der annähernd vollen Leistung geladen werden. Allerdings sollte die maximale Generatorleistung nie tiefer sein als die gesamte Leistung der Klimaanlage, da ansonsten die Batterie stetig entladen wird.
Die Regelung der Ladespannung und Strom sind hier einer der wichtigsten Abläufe, die in einer Ladung zu berücksichtigen sind.
Der Laderegler des Alternators hat folgende Aufgaben:
– Die zugeschalteten Verbraucher mit Strom zu versorgen.
– Die Batterien zu laden.
Im Betrieb misst er konstant die Spannung am Ausgang des Alternators. Sinkt die Spannung durch einen zusätzlich eingeschalteten Verbraucher, so reagiert er sofort und der Strom wird nachgeregelt. Dieser Vorgang dauert so lange bis der Alternator an seine Nennleistungsgrenze (P max.) kommt. Sollte der Verbrauch immer noch steigen, fällt die Spannung zurück und die Batterien werden nicht mehr geladen oder sogar entladen. Aus preispolitischen Gründen der Fahrzeugbauer werden häufig die Verbindungen vom Alternator zur Batterie über die Anschlussklemmen des Anlassers geführt. Beim Altern der Fahrzeuge entstehen durch die Korrosion an den Anschlüssen ein mehr oder wenig grosser Widerstand (Widerstand bedeutet Spannungsverlust) der zu Falschmessung der Alternatorregelung führen kann. Somit wird eine vollständige Ladung der Batterien verunmöglicht.
Besser ist z. B. bei einem Umbau die Ladeleitung des Alternators direkt auf die Batterie zu führen und zwar Plus und Minus der Minuspol wird direkt mittels Schraube am Generator angebracht; mit dem zu berechnenden Querschnitt versteht sich von selbst. Auf die Querschnitts-Berechnung werde ich noch zurückkommen.
Wir lernen daraus, dass den Anschlüssen im Allgemeinen, insbesondere den Hauptstromanschlüssen viel Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte.
Wer z. B. Probleme mit der Batterieladung hat, sollte einmal mit einem Voltmeter die verschiedenen Teilspannungen messen. Dies geschieht folgendermassen: Die zwei Messleitungen des Voltmeters werden einerseits am Alternator Ausgang B+ (negative Messleitung) und am Batterie +Pol (positive Messleitung) angeschlossen.
Wenn der Motor nun gestartet wird und noch keine Verbraucher eingeschaltet sind, wird die direkt am Voltmeter ablesbare Verlustspannung relativ klein sein. Werden nun alle Verbraucher eingeschaltet, wird die Verlustspannung erheblich grösser sein. Dies kann bis zu 15 % oder mehr der Nennspannung (12 Volt Alternator = 14.4 Volt/24 Volt Alternator 28.8 Volt) des Alternators ausmachen.
Dem Masseband zwischen Motor/Getriebe zum Chassis ist sehr viel Aufmerksamkeit zu schenken. Wer Probleme mit Spannungsverlusten hat, sollte einmal das Masseband und die Anschlüsse überprüfen. Zwischen dem Masseband und der Karosserie oder am Motor/Getriebe darf keine Korrosion vorhanden sein. Wenn doch, muss diese Oxydschicht mit Schleifpapier gesäubert werden, danach mit leitendem Schutzfett behandelt werden und nach dem Montieren mit geeigneter Schutzschicht überzogen werden, z. B. mit Hohlraumwachs.
Diese Art der Messung kann auch für Drahtleitungen von Verbrauchern genutzt werden um Spannungsverluste zu messen. Jedoch muss wie oben beschrieben der Verbraucher eingeschaltet sein. (Ausgang Sicherungsanschluss negative Messleitung und am Anschluss Verbraucher positive Messleitung). Bei nicht eingeschaltetem Verbraucher wird eine nicht oder kaum messbare Verlustspannung vorhanden sein. Man nennt dies Leerlaufspannung.
Wie jeder weiss, gibt es verschiedene Querschnitte um Verbraucher mit Strom zu versorgen. Die Querschnittauswahl des elektrischen Leiters ist einer der häufigsten Fehler, welche nicht nur von Laien gemacht werden.
Um einen elektrischen Verbraucher störungsfrei mit Strom zu versorgen, sind immer und in jedem Fall zwei Leiter notwendig (Zuleitung und Ableitung). Die Masse sollte grundsätzlich nie auf der Karosserie angeschlossen werden (durch alternde und oxidierende Verbindungen entsteht hoher Übergangswiderstand). Im Gleichstrom (DC) bezeichnet man dies mit plus und minus, im Wechselstrom (AC) sind dies der Phasenleiter und der Neutralleiter.
Was muss nun beachtet werden, wenn Kleinspannungsverbraucher (< 50 Volt) mit Strom versorgt werden. Einerseits benötigt man Spannung (Volt) und anderseits aus dem resultierenden Widerstand (Ohm) des Verbrauchers den Strom (Amp.)
Wie berechnet man nun einen Querschnitt eines Verbrauchers korrekt. Bekannt muss die Spannung und der aufgenommene Strom des Verbrauchers sein, im Weiteren ist die Leitungslänge (Zu- und Ableitung) zu ermitteln.
Der Widerstand der Leitung setzt sich aus dem spezifischen Widerstand vom Kupferleiter Rho, dem Querschnitt in mm² und der erwähnten Länge in Meter zusammen.
Wir nehmen an ein Verbraucher hat 120 Watt angegebene Leistung. Der Strom wird aus der Leistung wie folgt berechnet: Watt geteilt durch die Spannung, also 120 geteilt durch 12 ergibt 10 Amp.
Der Verbraucher benötigt eine Spannung von 12 Volt. Die Leitungslänge beträgt 9 Meter (Zu- und Ableitung 2 x 9 Meter), ergibt eine Gesamtlänge von 18 Metern. Der zur Verfügung stehende Draht hat einen Querschnitt von 1 mm². Der spezifische Widerstand Rhobeträgt bei Kupfer 0.0175 Ω pro mm² pro Meter bei 20 ° Celsius.
Die Formel lautet nun Rhox2xl in unserem Fall rechnet man 0.0175 x 2 x 9 = 0.315
A 1
Der Spannungsverlust wird nun nach dem ohmschen Gesetz berechnet:
Uv (Spannungsverlust) = Widerstand der Leitung mal Strom des Verbrauchers, ergibt 0.315 x 10 Amp. = 3.15 Volt Spannungsverlust der Leitung. Die zur Verfügung stehende Restspannung am Verbraucher beträgt nun 12 minus 3.15 = 8.85 Volt.
Je nach Gerät wird diese schon nicht oder nur unzureichend funktionieren, bei einer Glüh- oder Halogenleuchte ist die volle Leuchtkraft nicht mehr vorhanden.
Die zweite und einfachere Formel ist folgendermassen. Man legt zum vorneherein den zulässigen Spannungsverlust fest z. B. 0.3 Volt und rechnet wie folgt:
2 x Drahtlänge (m) x Stromaufnahme (Amp.) = 18 x 10 = 180 = 10.71 mm²
56 x Spannungsverlust V 56 x 0.3 16.8
Wobei die Zahl 56 eine Konstante darstellt und dem Leitwert in Siemens pro Meter/mm² entspricht.
Der nächstpassende Normquerschnitt ist 10 oder 16.0 mm², wobei man in diesem Beispiel auf 10 mm² zurückgreifen würde.
Dieses Beispiel zeigt deutlich wie wichtig die Bestimmung des Querschnittes ist. Im Alltag werden natürlich nicht immer solche Berechnungen zugrunde gelegt. Es soll nur aufzeigen wie sich ein solcher Spannungsverlust aufbaut.
Es gibt heute Tabellen worin nach Stromverbrauch und Leitungslänge der Querschnitt abgelesen werden kann. In der Regel gelten bis drei Meter Gesamtlänge folgende Strom- und Querschnittswerte (DIN 72551):
1.0 mm² 3 Amp. 10 mm² 40 Amp. 70 mm² 150 Amp.
1.5 mm² 6 Amp. 16 mm² 50 Amp. 95 mm² 200 Amp.
2.5 mm² 15 Amp. 25 mm² 70 Amp.
4.0 mm² 20 Amp. 35 mm² 90 Amp.
6.0 mm² 25 Amp. 50 mm² 110 Amp.
Bei der Auswahl des Querschnittes sollte der maximale Spannungsverlust < 0.3 Volt liegen. Sind grössere Distanzen zu überwinden so ist der nächst oder übernächst höhere Querschnitt zu wählen und zur Kontrolle gemäss obigem Beispiel nachzurechnen.
Nehmen wir an wir möchten an einem 12 Meter langen Bus einen Alternator einbauen, der eine maximale Leistung von 140 Amp. bei 12 Volt erzeugt. Die Batterien befinden sich im vorderen Teil des Busses, die gesamte Kabellänge beträgt (2 x 8 m) 16 Meter. Um die Batterien möglichst effizient zu laden, sollte die Verlustspannung < 0.3 Volt sein. Gehen wir nach obiger Tabelle vor und berechnen den Spannungsverlust bei 140 Amp. mit 70 mm² und 16 Metern Länge, so ergibt dies einen Wert von 0.56 Volt d. h. wir müssten einen Querschnitt von 150 mm² verlegen um eine Batterie gerechte Spannung an den Polen zu erhalten.
Dies ist erstens vom Kabelpreis her sehr massiv und zweitens wird man feststellen, dass man einen Kabelschuh mit 150 mm² kaum am B+ des Generators anschliessen kann.
Daraus lernen wir, dass die Batterien immer möglichst nahe am Generator zu platzieren sind. Ansonsten entstehen hohe Kosten für die Leitung, und man muss eine kurze Querschnittsteilung vor dem Generator herstellen.
Die bessere Lösung wäre hier einen externen Generatorregler zu verwenden, so dass mit einem Querschnitt von 95 mm² gefahren werden kann.
Dieser externe Generatorregler hat mehrere Vorteile. Erstens kann mit einer I/O/U/W-Kennlinie geladen werden, zweitens erfolgt die Spannungsmessung direkt auf der Batterie, d. h. die Spannung wird immer automatisch auf den Sollwert der Kennlinie geregelt unabhängig vom Spannungsverlust der Leitung.
Bei dieser Variante sind drei Nachteile zu erwähnen:
- Es dürfen keine Verbraucher direkt vom Generator gespiesen werden, da die Ausgangsspannung am Alternator weit höher sein kann als die angegebene Nennspannung von 14.4 Volt.
- Die Verbindungsleitung zur Batterie kann sich bei voller Leistung des Alternators über längere Zeit leicht erwärmen.
- Ein Eingriff in den Alternator wird nötig, welcher je nach Typ des Reglers sehr aufwendig sein kann. Es muss nämlich das Feld (die beiden Kohlebürsten) massefrei herausgeführt werden. Die Regler, die ich einsetze, sind ausschliesslich aus dem Mastervolt-Programm, Typ alpha-Pro (www.mastervolt.com)
Bei Compact-Alternatoren der Baureihe LI-E ist der Regler noch relativ leicht abzuändern. Hingegen gestaltet sich dies bei der Baureihe LI-X sehr aufwendig.
Sollte Interesse an einem solchen Umbau mit Mastervolt-Regler vorhanden sein, könnt Ihr mir den ausgebauten Reglerteil (Kohlebürstenhalter) zusenden. Ich werde diesen gegen Rechnung mit Anschlusskabel versehen oder nach Angaben der Leitungslänge zwischen Batterie und Alternator einen kompletten Satz mit Steckern und Regler bereitstellen.
Am Generator stehen je nach Ausführung noch verschiedene Anschlüsse zur Verfügung. Es sind dies der Anschluss W um einen Drehzahlmesser anzusteuern, der übrigens praktisch jedem Generator, wenn nicht vorhanden, nachgerüstet werden kann. Es sind auch Anschlüsse für die Motorelektronik vorhanden, die bei einem Umbau nicht benötigt werden.
Bei Fahrzeugen wie bei unseren Bussen, ist einerseits das 24 Volt-Netz für Fahrbeleuchtung, Anlasser und diverse Verbraucher vorhanden. Einige verwenden nun auch das 24 Volt-Netz des Fahrzeuges für den Wohnraum. Dies hat einige Vorteile (halber Querschnitt, kein separates 12 Volt-Netz). Aber leider auch überwiegende Nachteile. Die Geräte in 24 Volt-Ausführung sind überwiegend teurer oder zum Teil gar nicht in 24 Volt erhältlich. Das Entladen des 24 Volt-Fahrzeug-Netzes kann auch Tücken mit sich bringen. Unter anderem kann man den Motor nicht mehr starten. Was dies bei unseren schweren Fahrzeugen heisst, muss hier wohl nicht erwähnt werden.
Die elektrische Anlage sollte also immer auf zwei verschiedenen Netzen aufgebaut werden. Ob dies nun 2 x 24 Volt oder einmal 24 und 12 Volt geschieht, wird jedem selbst überlassen. In jedem Fall sollten aber für beide Netze je ein Alternator vorhanden sein um die Batterien vollständig und richtig zu laden.
Es gibt mittlerweile Geräte (DC/DC-Wandler oder Trenndioden), die es zulassen zwei verschieden Batteriebänke mit einem Alternator zu laden. Jedoch sind erstens die Leistungen der Geräte massiv beschränkt, z. B. WAECO DC/DC Wandler 40 Amp. Zweitens, wer aufgepasst hat, sind die unterschiedlichen Spannungen der Batteriebänke für den Regler nicht korrekt messbar. Das heisst die Starterbatterien werden in kurzer Zeit als geladen betrachtet und der Regler nimmt den Strom (Amp.) zurück. Somit wird eine vollständige Ladung während der Fahrt verunmöglicht. Was es heisst, nach langer Fahrt an einem wunderschönen Ort anzukommen und die Versorgungsbatterien sind leer, weiss wohl jeder.
Als letzter Teil wird noch die Batterie-Zusammenschaltung etwas näher betrachtet. Und zwar die Parallelschaltung von zwei oder mehreren Batterien. Also nicht die Serieschaltung um mehr Spannung bei gleicher Kapazität zu erhalten, sondern um mehr Kapazität bei gleicher Spannung zu erhalten.
Bei Parallelschaltungen von zwei oder mehreren Batterien darf der Last- und Ladeanschluss nie nur auf den Polen der ersten Batterie erfolgen; d. h. der Plus-Anschluss (für Ladung und Entnahme) muss bei der ersten Batterie erfolgen. Der Minus-Anschluss (für Ladung und Entnahme) muss an der letzten Batterie erfolgen (siehe CAD Schema).
Wenn die Anschlüsse bei Parallelschaltung nur auf einer Batterie erfolgen, so wird die erste Batterie, an welcher die Last und Ladeanschlüsse aufgeschaltet sind, mehr entladen als die weiteren Batterien. Dies hat beim Laden den gleichen Effekt, d. h. es wird auch nur die erste Batterie richtig geladen. Dadurch kommt es zu einem schnellen Kapazitätsverlust der ganzen Batteriebank. Denn wir wissen aus dem ersten Teil (Batterie-ABC), dass nur richtig geladene Batterien auch die volle Kapazität leisten können. Die oben beschriebene Parallelschaltung ist auch sehr wichtig beim Betrieb von Wechselrichtern mit grossen nachgeschalteten Verbrauchern (Kaffeemaschinen/Klimaanlagen usw.), da sonst die erste Batterie über Gebühr belastet wird und nach kurzer Zeit keine Leistung mehr hat.
Nun noch zum Thema Batteriehauptschalter. Dieser sollte in keiner Installation fehlen, denn er kann bei einem eventuell auftretenden Kurzschluss Schlimmeres verhindern. Der Hauptschalter muss immer dem gesamten Stromfluss (alle Verbraucher in Ampere addiert) gewachsen sein und sollte in der Regel immer in der Masseleitung eingebaut sein. Ob dies nun ein Knebelschalter oder ein elektrisch zu betätigender Hauptschalter ist, spielt nur eine untergeordnete Rolle.
Verfasser : PWE Plüss Wohnmobilelektronik
Plüss Bernhard
Dipl. Fahrzeugelektriker/Elektroniker/Diagnostiker
Gummweg 112
CH-3612 Steffisburg
Mail: pluess.wt@bluewin.ch