Benutzer:TheMechanist95/Startergeneratoren

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Ein Startergenerator vereint die Funktionen von Anlasser und Lichtmaschine in einer einzigen elektrischen Maschine. Er kann damit sowohl den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs beschleunigen (Startbetrieb), als auch bei laufendem Motor elektrischen Strom erzeugen (Generatorbetrieb). Startergeneratoren werden derzeit überwiegend bei Mildhybridfahrzeugen mit einem 48-Volt-Bordnetz eingesetzt.

Moderne, leistungsstarke Startergeneratoren können in Hybridelektrokraftfahrzeugen Energie sparen, indem sie beim Abbremsen des Fahrzeugs elektrische Energie in die Fahrzeugbatterie zurückspeisen und diese Energie später verwenden, um den Verbrennungsmotor zu entlasten oder zu unterstützen, wenn besonders viel Energie benötigt wird, beispielsweise beim Beschleunigen. Auch die elektrischen Antriebsmaschinen von vielen Plug-in-Hybriden können das Starten des Verbrennungsmotor übernehmen, da für diese das Starten allerdings nur eine Nebenfunktion wird dabei nicht von Startergenerator gesprochen.

Da Startergeneratoren ständig mit dem Verbrennungsmotor verbunden sind, entfällt das beim herkömmlichen Starter übliche laute Geräusch, das beim Einspuren des Starter-Ritzels und beim Drehen des Ritzels im Schwungrad des Verbrennungsmotors entsteht.

Historische Startergeneratoren

Dynastart Gleichstrom-Startergeneratoren

Startergeneratoren auf Basis von Gleichstrommotoren wurden ab 1935 unter der Markenbezeichnung Dynastart von Siba und nach 1959 (nachdem Siba von Bosch übernommen worden war) von Bosch in Serie gefertigt. Damals wurden Startergeneratoren auch als Lichtanlasser bezeichnet (von Lichtmaschine und Anlasser). Die Dynastart-Maschinen saßen ohne weiteres Getriebe direkt auf der Kurbelwelle der Motoren. Dynastart-Maschinen kamen zunächst bei DKW und später unter anderem im BMW 600, der Isetta, Heinkel Kabine, NSU Prinz, Goggomobil, Messerschmitt Kabinenroller, P70,Steyr-Puch 500 -650, Steyr-Puch Haflinger und seit 1969 in der Vespa 50 Elestart zum Einsatz.
Die bei Kleinfahrzeugen häufig eingesetzten Zweitaktmotoren haben die Eigenschaft, dass sie rückwärts laufen können, wenn sie in entsprechender Drehrichtung angelassen werden. Durch einfaches Umpolen des Startergenerators konnte daher ein Getriebe-Rückwärtsgang eingespart werden.

Heute wird der Markenname DynaStart von ZF Friedrichshafen für moderne Kurbelwellen-Startergeneratoren nach dem Prinzip der permanenterregten Synchronmaschine verwendet.

Moderne Startergeneratoren

Bei modernen Hybridelektrokraftfahrzeugen kommen zwei Arten von Startergeneratoren, riemengetriebene Startergeneratoren und integrierte Startergeneratoren zum Einsatz. Üblicherweise arbeiten sie nach dem Prinzip der Synchronmaschine oder Asynchronmaschine und erfordern einen Umrichter, um mit dem Gleichspannungs-Bordnetz und der Batterie verbunden zu werden.

Riemengetriebene Startergeneratoren

Riemengetriebene Startergeneratoren oder Riemenstartergeneratoren (RSG, englisch Belt-Driven Starter Generator (BSG), oder Belt-Driven Integrated Starter Generator (B-ISG)) werden, wie eine herkömmliche Lichtmaschine, mittels Riementrieb mit dem Verbrennungsmotor gekoppelt. Hierfür sind geringe mechanische Änderungen am Spannsystem des Riementriebs erforderlich, da im Betrieb Leer- und Lasttrum wechseln. Als elektrische Maschine können luft- oder wassergekühlte Synchronmaschinen, Asynchronmaschinen oder Geschaltete Reluktanzmaschinen zum Einsatz kommen. Die von einem Riemen bei vertretbaren Kosten und mechanischen Verlusten übertragbare Leistung ist jedoch begrenzt, so dass riemengetriebene Startergeneratoren nur für Mikro- und Mildhybride einsetzbar sind.

Beispiele für Fahrzeuge mit einem Riemenstartergenerator im 12-Volt-Bordnetz sind Fahrzeuge des PSA-Konzerns mit e-HDi-Motorisierung (ab 2010, z. B. Citroën C4, Citroën C5 oder Peugeot 308). In diesen Fahrzeugen kommt ein Startergenerator des französischen Zulieferers Valeo mit 2,2 kW Nennleistung zum Einsatz.[1][2] Auch die mhd-Modelle des Smart (Baureihe 451) verfügen über einen 12-Volt-Riemenstartergenerator von Valeo.

Seit 2016 sind Fahrzeuge mit einem Riemenstartergenerator auf 48-Volt-Ebene (Mildhybrid) im Serieneinsatz.[3] Durch die höhere Spannungsebene können elektrische Leistungen im Bereich 10 bis 15 kW realisiert werden. Derartige Systeme können im Zusammenspiel mit einer kleinen Lithium-Ionen-Batterie dazu beitragen, den Kraftstoffverbrauch durch längere Stopp-Start-Phasen, Segeln auf der Autobahn und mehr Rekuperation auf dem Prüfstand um 13 Prozent und im Stadtverkehr um mehr als 20 Prozent zu reduzieren.[4]

Nachfolgend eine Auswahl von den 2018 auf dem Markt erhältlichen 48-Volt-RSG.

Lieferant Max. Leistung (elektrisch, rekuperation) Max. Leistung (mechanisch, boost)
Robert Bosch GmbH[5] 11,5 kW 9,7 kW
Continental AG[6] 16 kW 14 kW
Valeo [7] 12 kW --

Integrierte Startergeneratoren

Bei stärkeren Mildhybridfahrzeugen kommen integrierte Startergeneratoren (ISG, auch Kurbelwellen-Startergenerator (KSG), englisch Crankshaft-Mounted Integrated Starter Generator (C-ISG)) zum Einsatz. Diese sitzen zwischen Verbrennungsmotor und Getriebe direkt auf der Kurbelwelle. Die übertragbare Leistung ist daher im Wesentlichen nur noch durch die Leistungsfähigkeit des Startergenerators oder des Umrichters begrenzt. Nachteilig ist, dass vergleichsweise erhebliche mechanische Änderungen an bestehenden Systemen erforderlich sind und die Montage auf der Kurbelwelle (koaxial) eine Verlängerung des Antriebsstrangs bewirkt. Neben der Integration koaxial zur Kurbelwelle kann zur Erhaltung der Baulänge der ISG auch achsparellel über eine Übersetzungsstufe integriert werden. Durch die Übersetzunsstufe kann der Elektromotor in seinem optimalen Drehzahlbereich betrieben werden, allerdings ethöt sich hier die Breite des Aggregates.

Wenn der Verbrennungsmotor über eine zusätzliche Kupplung abgekoppelt wird, können im Vergleich zum riemengetriebenen Startergenerator höhere elektrische Leistungen rekuperiert werden, da Verluste durch das Motorschleppmoment entfallen. Ebenso könnten Funktionen wie elektrisches Fahren ermöglicht werden.

Das erste Fahrzeug mit einem 48-Volt-ISG war 2017 die Mercedes-Benz S-Klasse (maximale mechanische Boostleistung: 16 kW)

Vorteile von Startergeneratoren

Startergeneratoren, die heute in der Regel als permanenterregte Synchronmaschinen gebaut werden, haben einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als Lichtmaschinen und eine große Leistungsdichte.

Startvorgang

Beim Startvorgang weisen Startergeneratoren viele Vorteile gegenüber konventionellen Systemen mit Anlassern auf. Ein herkömmliche Anlasser kann, beschleunigt nach dem einspuren die Kurbelwelle auf eine bestimmte Geschwindigkeit (um 250 U/min). Anschließend wird das erste Mal eingespritzt und der Verbrennungsmotor beschleunigt sich selbstständig auf über 1000 U/min. Dieser Vorgang dauert zum einen relativ lange und geht mit vielen störenden Vibrationen und Geräuschen einher. Ein 48-Volt-Startergenerator, bedingt durch die höhere Leistung und die permanente Verbindung mit der Kurbelwelle, kann die Kurbelwelle direkt auf 500 U/min (RSG) beziehungsweise 1000 U/min (ISG) beschleunigen, erst dann wird eingespritzt ("Hochdrehzahlstart"). Der Start mit einem Startergenerator ist deshalb für den Fahrer kaum wahnehmbar, was sich die Akzeptanz von Start-Stopp-Systemen positiv beeinflusst.

Der Start im Gesamten benötigt außerdem deutlich weniger Zeit. Während ein konventioneller Starter circa 0,8s benötigt, schaffen dies aktuell in Serie befindliche 48-Volt-Startergeneratoren in etwa 0,5s.

Bedingt durch den Einspurvorgang, kann ein Anlasser den Motor nur starten, wenn die Kurbelwelle steht. Somit ist ein Starten des Motors während der Fahrt problematisch und insbesondere in "Change-Of-Mind" Situationen sehr langsam. Aus diesem Grund wird Start/Stopp nur bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten aktiviert. Bei Startergeneratoren ist dies anders, diese sind permanent mit der Kurbelwelle verbunden und können so auch einen ausdrehenden Motor starten. Serienfahrzeuge mit Startergeneratoren aktivieren deshalb schon bei Geschwindigkeiten von 20 km/h die Start/Stopp-Funktion was sich positiv auf den Krafstoffverbrauch auswirkt. Ebenso kann in bestimmten Fahrsituationen der Motor komplett abgeschaltet werden, falls er für den Vortrieb nicht mehr benötigt wird (Segeln).

Weitere Vorteile

Außer zum reinen Anlassen des Motors bieten sie u. a. auch folgende Einsatzmöglichkeiten:

  • Booster-Funktion; beim Anfahren und Beschleunigen wirkt auch der Starter-Generator auf die Antriebswelle und sorgt somit für bessere Beschleunigung.
  • Rekuperation; beim Bremsen wirkt der Startergenerator als Generator und ein Teil der kinetischen Energie wird in der Batterie zwischengespeichert. Dies macht zwar auch eine herkömmliche Lichtmaschine, durch den erhöhten Wirkungsgrad des Startergenerators kann jedoch mehr Energie zurückgewonnen werden.
  • Schwingungsdämpfung im Antriebsstrang.
  • Start-Stopp-Funktion; beim Anhalten geht der Motor von alleine aus und startet wieder, wenn der Fuß von der Bremse genommen oder die Kupplung getreten wird.

Durch die beiden ersten Punkte wird insbesondere im Stadtbetrieb eine Kraftstoffersparnis von 10 bis 15 % erzielt.

Literatur

  • Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
  • Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2001, ISBN 3-528-13114-4
  • Kurt-Jürgen Berger, Michael Braunheim, Eckhard Brennecke: Technologie Kraftfahrzeugtechnik. 1. Auflage, Verlag Gehlen, Bad Homburg vor der Höhe, 2000, ISBN 3-441-92250-6
  • Timmann M., Renz M.: 48V at Mercedes-Benz – options for further applications. In: Bargende M., Reuss HC., Wiedemann J. (eds) 14. Internationales Stuttgarter Symposium. Proceedings, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2014, https://doi.org/10.1007/978-3-658-05130-3_45
  • Timmann, M., Renz, M. und Vollrath, O.: ATZ Automobiltechnische Zeitschrift Ausgabe 115 Nr. 3: Seite 216-220. https://doi.org/10.1007/s35148-013-0059-6

Einzelnachweise

  1. ↑ Mit e-HDI-Technologie zweite Start-Stopp-Generation. In: www.focus.de. 9. Juni 2010, abgerufen am 20. Oktober 2015.
  2. ↑ Chris: Peugeot e-HDi: Micro-Hybrid-Technologie sorgt bei 27 Modellen für geringen Verbrauch. In: www.grueneautos.com. 2. August 2011, abgerufen am 20. Oktober 2015.
  3. ↑ Hakvoort, H. & Olbrich, T. MTZ Motortechnische Zeitschrift (2017) Ausgabe 78, Nr. 9: 28.37. https://doi.org/10.1007/s35146-017-0087-y
  4. ↑ Tom Grünweg: Neue Spritspartechnologie: Hybrid für alle! SpiegelOnline, 19. Juni 2015, abgerufen am 31. Oktober 2016.
  5. ↑ Robert Bosch GmbH: Das Boost Recuperation-System: schneller beschleunigen mit mehr Komfort und weniger Verbrauch. Abgerufen am 3. September 2018.
  6. ↑ Continental AG: 48 Volt Riemen-Starter-Generator. Abgerufen am 3. September 2018.
  7. ↑ Schaub J., Frenken C., Holderbaum B., Griefnow P., Savelsberg R., Coppin O. (2017) FEV ECObrid – a 48V mild hybrid concept for passenger car Diesel engines. In: Liebl J., Beidl C. (eds) Internationaler Motorenkongress 2017. Proceedings. Springer Vieweg, Wiesbaden

Kategorie:Fahrzeugelektrik

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