Von der Lichtmaschine bis zur Boost Recuperation Machine
Der Generator hat sich in den letzten Jahren von einer einfachen Komponente zu einer hochintegrierten Boost-Rekuperationsmaschine (BRM) entwickelt. Doch wo liegen die Unterschiede und was ist gleich geblieben?
Als der Drehstromgenerator, umgangssprachlich auch Alternator genannt, nur für die Energieversorgung des Fahrzeugs zuständig war und komplexe Batteriemanagementsysteme noch in weiter Ferne lagen, war die Sache einfach: Blinkte die Ladekontrollleuchte, entweder die V- oder Der Riemen war gerissen oder die Lichtmaschine hatte keine Kohle mehr. Doch in der Zwischenzeit ist viel passiert. Allerdings werden an heutige Lichtmaschinen deutlich höhere Anforderungen gestellt: Einerseits sind die elektrischen Anforderungen an die Ladeleistung deutlich gestiegen, andererseits übernimmt das BRM zunehmend die Funktion des Starters, um den klassischen Verbrennungsmotor in Gang zu setzen Motor in einen Mild-Hybrid umwandeln. Um diesen Anforderungen Rechnung zu tragen, wurde der klassische Laderegler zu einem 48-Volt-Wechselrichter weiterentwickelt, der nun die Lithium-Ionen-Batterie laden kann. Um die entstehende Abwärme der Leistungselektronik effektiv abzuführen, wird die Elektronik in den meisten Anwendungen wassergekühlt und in den Kühlmittelkreislauf des Motors integriert. Auf der Riemenseite deutet die einfache Riemenscheibe auf einen „einfachen“ Riemen hin, um die Antriebsleistung im Hybridbetrieb übertragen zu können, sind jedoch ein Zehnrippenriemen und zwei BRM-nahe Spann- bzw. Umlenkrollen (Entkopplungsspanner) notwendig dass der Riemen die größtmögliche Einfassung der Riemenscheibe hat.
Elektrische Leistung
Heutzutage liefern herkömmliche Drehstromgeneratoren meist zwischen 90 und 140 Ampere. Je größer der Motor und je leistungsfähiger die elektrische Ausrüstung, desto leistungsfähiger müssen Generator und Batterie sein. Oberhalb von 140 Ampere wird die Luft jedoch dünn; Lediglich im Nutzfahrzeugbereich gibt es einzelne Modelle, die noch mehr Leistung liefern – die Kabelquerschnitte werden einfach zu groß. 140 Ampere bei 14,3 Ladespannung ergeben eine Gesamtleistung von rund 2 kW, die ein solcher Generator dauerhaft erbringen kann – der Wirkungsgrad liegt meist im Bereich von 67 Prozent, das heißt, zur Erzeugung von 2 kW sind rund 3 kW mechanische Energie nötig elektrische Energie zu erzeugen – Effizienzverluste durch den Riementrieb werden vernachlässigt.
Die Boost Recuperation Machine hebt die elektrische Leistung auf ein ganz neues Niveau: Zusätzlich zu einer vergleichbaren Ausgangsleistung von 2,2 kW auf der 12-Volt-Schiene liefern sie auch bis zu 16 kW Leistung auf der 48-Volt-Schiene ins Bord Netz, wenn das Fahrzeug rekuperiert. Auch der Gesamtwirkungsgrad ist deutlich höher: Mit 87 Prozent wird rund 20 Prozent mehr Energie in elektrischen Strom umgewandelt als bei einem herkömmlichen Drehstromgenerator. Möglich wird diese Einsparung neben einer optimierten Wicklung und einem mit Neodym-Magneten verstärkten Rotor durch den elektronischen Wechselrichter, der den Generator stets optimal betreiben kann. Zu diesem Zweck verfügt das BRM über einen Positionssensor ähnlich dem Kurbelwellensensor, so dass die Elektronik immer weiß, wie der Rotor positioniert ist und wie hoch die Drehzahl ist, um Rekuperation und Boost möglichst effektiv steuern zu können.
Der Wechselrichter ist nicht mehr nur eine passive Schaltung, sondern ein eigener, hochentwickelter Controller, der je nach Fahrzeughersteller und -modell mit einer spezifischen, optimal auf den Motor abgestimmten Lade-/Boost-Kurve programmiert wird. Ein großer Aufwand, der sich für Hersteller und Fahrer lohnt: Im Realbetrieb spart ein Mild-Hybrid durchschnittlich rund 0,2 Liter Kraftstoff pro 100 Kilometer; Für den Hersteller bedeutet das eine Einsparung von 1,4 Gramm CO² beim Flottenverbrauch.
Was im normalen Fahrbetrieb nur Vorteile zu bringen scheint, bietet im Werkstattalltag auch eine Reihe von Nachteilen: Der Riementrieb mit dem Entkopplungsspanner ist aufwändiger ausgelegt, und die Einbindung in den Kühlwasserkreislauf macht das bisher „schnelle“ Problem „Wechsel der Lichtmaschine“ in einen mittelgroßen Vorgang inklusive Entlüftung des Kühlmittelkreislaufs. Und: Im Gegensatz zur Lichtmaschine lässt sich das BRM nicht mehr viel reparieren. Die Kohlen können noch ausgetauscht werden – fertig! Theoretisch könnten die Kugellager ausgetauscht werden, doch im Weg steht der Positionssensor, der millimetergenau auf die Position des Rotors trainiert wird. Nach dem Ausbau muss die Software des Wechselrichters neu kalibriert werden, was nicht mit der Werkstattdiagnose, sondern nur mit den Werkzeugen des Herstellers möglich ist. Gleichzeitig sind durch die 48-V-Li-Ionen-Batterie und den DC/DC-Wechselrichter zusätzliche teure Komponenten im Fahrzeug verbaut, die zusätzliches Fehlerpotenzial bieten. Aber dass ein so hochentwickeltes Produkt nicht günstiger sein würde als sein einfacherer Vorgänger, hätte doch niemand erwartet, oder?
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