Der Klauenpolgenerator im KFZ-Bordnetz: Modellierung, Parameterbestimmung, experimentelle Validierung
Dmytro Bilyi
Europäische Abgasnormen und CO2-Normen werden immer strenger. Ab 2021 sollen neu gebaute Pkw durchschnittlich nur noch 95 Gramm CO2 pro Kilometer ausstoßen [WEB363], was allerdings den durchschnittlichen Verbrauch des Kraftstoffes und Effektivität bzw. Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten des Kraftfahrzeugs beeinflusst. Aus diesem Grund untersuchen die Automobilhersteller alle Möglichkeiten für eine Optimierung.
Aufgrund der Tatsache, dass moderne Pkw-Ottomotoren im günstigsten Arbeitspunkt einen Wirkungsgrad von ca. 40 % und die Dieselmotoren – 43 % erreichen [WEB81], was der Grund der enormen CO2-Ausstöße ausmacht, stellt die Elektrifizierung der KFZ eine attraktive Lösung dar.
Bei moderaten Kosten erlauben einige Elektrifizierungsformen eine CO2-Reduktion bis in den zweistelligen Prozentbereich, sowie zusätzliche elektrische Funktionen. Einige Elektrifizierungslösungen lassen sich besonders einfach und prinzipiell in allen Fahrzeugen integrieren. Dabei wird meistens das traditionelle 12 V Bordnetz durch eine 48 V Spannungslage mitsamt den zugehörigen elektrischen Komponenten ergänzt. Solche Elektrifizierungslösungen können Kraftstoffersparnisse von rund 13 % im NEFZ erzielen [WEB89]. Das neue Spannungsniveau von 48 V hat mehrere Vorteile. Der erste Vorteil ist, dass dieses Spannungsniveau keine Maßnahmen zum Berührungsschutz verlangt, da dieses betreffenden gesetzlichen Bestimmungen erst bei mehr als 60 V zutrifft [MIL200]. Die Spannungslage 48 V erlaubt bereits eine deutlich effizientere Rekuperation (Bremsenergierückgewinnung) als 12 V. Außerdem werden elektrische Verbraucher mit höherem Energiebedarf bei 48 V mit einer größeren Effizienz betrieben. Das ist besonders erforderlich, da das 12 V Bordnetz immer mehr an seine Leistungsgrenzen gelangt. Der Grund dafür ist die wachsende Zahl der elektrifizierten Funktionen im KFZ, wodurch die Gesamtbelastung des KFZ-Bordnetzes steigt [WEB89], [BOS4], [CHI115], [BUC162].
Das Objekt der Untersuchung dieser Arbeit sind der Generator (Lichtmaschine) und die dazugehörigen leistungselektronischen Einrichtungen (Gleichrichter), die im KFZ-Bordnetz die Energie erzeugen.
Zum Vergleich, Verständnis und Einschätzen der Ernsthaftigkeit des Problems soll an dieser Stelle die Tatsache erwähnt werden, dass z.B. noch im Jahr 1980 der Mittelwert der Generatorleistung in der Mittelklasse nur 0,5 kW und für die Oberklasse ca. 1 kW betrug. Anfang 2000 haben die Werte entsprechend bereits 2,2 und 3,5 kW jeweils für Mittel- und Oberklasse erreicht und die Tendenz steigt weiterhin an [BOS4]. Im Jahre 1993 hatten die größten Pkw-Generatoren den Nennstrom vom Wert weniger als 100 A (bei der Leistung ca. 1,4 kW). Im Jahre 1998 erreichten Generatoren – 150 A [MIL200]. Heutzutage erreichen die modernen Lichtmaschinen die Leistung bis 3,5 kW beim Strom 250 A.
Als Ergebnis einer Kombination von Design-Überlegungen, einschließlich Anforderungen an die Statorkühlung, Gewicht und Volumen der Maschine, das Eingangsdrehmoment und die Fertigungstoleranzen des Luftspalts, wird die praktische maximale Leistungsgrenze des Klauenpolgenerators in der Regel im Bereich bis 3-4 kW betrachtet [MIL200], [RAS73].
Es werden in naher Zukunft immer mehr Systeme erscheinen, die größere Ansprüche auf Spannungsniveau und Stromkonsum haben werden. Der Bedarf an der Gesamtleistung des KFZ-Bordnetzes wird die aktuelle Leistungsgrenze von 4 kW bald überschreiten.
In herkömmlichen KFZ-Klauenpolgeneratoren stellen die Kupferverluste im Stator und Durchlassverluste in der Leistungselektronik ein dominantes Teil der Verluste des Klauenpolgenerators dar [PER12]. Daher können KFZ-Klauenpolgeneratoren in dieser Hinsicht mittels alternativer Maschinentopologien und Leistungselektronik (evtl. aktive Gleichrichter) optimiert werden.
All diese Punkte müssen bei der Entwicklung alternativer Konzepte und Empfehlung für Optimierungen betrachtet und berücksichtigt werden.
Aus Sicht des Autors hat der Generator ein Potenzial zur Optimierung, was möglichst zeitnah herausgearbeitet und untersucht werden soll.
Ein fundamentales Grundprinzip für die Innovation und Optimierung des Systems ist zuerst eine ursprüngliche vollständige fundierte Untersuchung und Modellentwicklung des Objekts der Untersuchung. Mit anderen Worten soll zuerst der Stand der Technik im Detail analysiert werden.
Ein qualitatives Modell und daher zuerst eine genaue mathematische Beschreibung des Klauenpolgenerators sind in diesem Fall notwendig. Eine solide Modellentwicklung erfordert, in erster Linie, eine präzise Parameterbestimmung des Objekts der Modellierung. Trotz aller Nuancen und Details in der Modellierung, selbst wenn das Allerwichtigste berücksichtig worden ist, wird das entwickelte Modell nur dann wertvoll, wenn die Simulationsergebnisse mit den Messungen verifiziert sind. Dafür muss ein entsprechender Prüfstand entwickelt werden, der die Durchführung der erforderlichen Tests und Verifikation des Modells gewährleisten kann.
Demgemäß werden in der vorliegenden Dissertationsarbeit solche Fachgebiete wie die Parameterbestimmung und mathematische Beschreibung des Klauenpolgenerators, die Modellierung des KFZ-Bordnetzes in Simulink/MATLAB, die Auslegung und das Design des Klauenpolgenerators mit FEM und der neuartige Prüfstand für das Fahrzeugbordnetz untersucht.
Anschließend, aufgrund dieser Arbeit, können in der Zukunft geeignete Alternativkonzepte und Optimierungen vorgeschlagen werden.
