Kurzskriptum zur Lehrveranstaltung „Elektrische Bordnetze ...

1 Prof. Dr. G. Buch / Prof. Dr. M. Krug Stand: 08/2012 Hochschule M nchen Maschinenbau/Fahrzeugtechnik/Flugzeugtec hnik Labor f r Fahrzeugmechatronik Elektrische Bordnetze Kurzskriptum zur Lehrveranstaltung Elektrische Bordnetze im Studiengang Fahrzeugtechnik Prof. Dr. G. Buch/ Prof. Dr. M. Krug Stand: 08/2012 Hochschule M nchen Maschinenbau/Fahrzeugtechnik/Flugzeugtec hnik Labor f r Fahrzeugmechatronik Elektrische Bordnetze Vorwort Das klassische Bordnetz eines Automobils besteht aus der Stromversorgung (Generator und Batterie), der Startanlage, der Beleuchtung und der Verkabelung. Auch heute meint man oft noch diese Systeme, wenn man von einem Fahrzeugbordnetz spricht, wobei auch die Be-zeichnung Energiebordnetz gebr uchlich ist. Besonders in den letzten Jahren ist der Anteil der Elektronik im Fahrzeug exponentiell gestie-gen.

2 Dieser Trend ist bis heute ungebrochen. Ein modernes Oberklassenfahrzeug enth lt bis zu 100 elektronische Steuerger te und bis zu 100 Elektromotoren. Die elektronischen Syste-me sind untereinander durch Bussysteme vernetzt und tauschen gegenseitig ihre Daten aus. Der bekannteste Bus ist der CAN-Bus (Controller Area Network), der heute als Standard gilt. Neue, an den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Bussysteme (MOST, LIN, Flexray etc.) sind bereits konzipiert bzw. standardisiert. Ein leistungsf higes Eigendiagnosesystem erfasst Fehler in den einzelnen Systemen und Komponenten und tr gt diese in Fehlerspeicher ein. Dar ber hinaus werden abgasrelevante Funktionen durch die sogenannte Onboard-Diagnose (OBD) berwacht und Fehlfunktionen dem Fahrer angezeigt. Nat rlich kann sich eine Lehrveranstaltung Elektrische Bordnetze nicht auf die klassischen Komponenten beschr nken.

3 Andererseits ist es unm glich, in zwei Semesterwochenstunden alle elektronischen Systeme eines Kraftfahrzeugs umfassend zu behandeln. Deshalb werden einige ausgew hlte Systeme exemplarisch etwas ausf hrlicher behandelt, auf andere wird nur am Rande oder gar nicht eingegangen. Besonderer Wert wird auf die physikalischen Grundla-gen gelegt, es soll aber auch ein solider Grundstock an Pr senzwissen vermittelt werden. Zur Vertiefung der Kenntnisse dienen einige bungsaufgaben im Anhang . Die L sungen hierzu werden im Rahmen der Lehrveranstaltung erarbeitet, wobei gen gend Zeit f r eigene L sungsversuche gelassen wird. Es wird dringend empfohlen, diese Gelegenheit zum selb-st ndigen ben auch wahrzunehmen. M nchen, August 2012 Prof. Dr. G. Buch/ Prof. Dr. M. Krug Stand: 08/2012 Hochschule M nchen Maschinenbau/Fahrzeugtechnik/Flugzeugtec hnik Labor f r Fahrzeugmechatronik Elektrische Bordnetze Gliederung 1 Elementare Grundfunktionen.

4 Stromversorgung .. Generator .. Grundlagen .. Drehstromgenerator .. Regelung von Generatoren .. Batterie .. Grundlagen .. Kenngr en .. Starter .. Grundlagen .. Ausf hrungsformen .. Zusammenwirken von Verbrennungsmotor, Starter und Batterie .. 2 Bordnetzstrukturen .. Prinzipieller Aufbau .. Sensoren .. Drehzahlen und Geschwindigkeiten .. Temperaturen .. Luftmasse .. F llst nde .. Drehrate (Gierrate) .. Aktuatoren .. Bussysteme .. Allgemeines .. CAN-Bus .. Bustopologie .. Botschaften .. Buszugriffsteuerung .. Kabell ngen und Busterminierung (Abschlusswiderstand) .. Effektive FlexRay.

5 Bustopologie .. Botschaften .. Initialisierung des Busses .. Zeitsynchronisation .. Bus Guardian .. 3 Funktionsgruppen in Fahrzeugbordnetzen .. Motormangement .. Z ndung (Ottomotor) .. Einspritzung (Ottomotor) .. Kombinierte Z nd- und Einpritzsysteme .. Konzepte zur Verbrauchs- und Emissionsoptimierung .. Einspritzung (Dieselmotor) .. Elektronische Radschlupfregelung .. Antiblockiersystem ABS .. Antriebschlupfregelung ASR .. Fahrdynamikregelung ESP .. 4 Diagnose .. Fehlererkennung und lokalisierung .. Eigendiagnose .. Diagnose mit Diagnoseger ten .. Diagnosestrategie Fehlerbaum.

6 Diagnosestrategie Wissensbasierte Diagnose .. Diagnosestrategie Modellbasierte Diagnose .. Onboard-Diagnose (OBD) .. Anhang bungsaufgaben .. A1 Prof. Dr. G. Buch / Prof. Dr. M. Krug Stand: 08/2012 Hochschule M nchen Maschinenbau/Fahrzeugtechnik/Flugzeugtec hnik Labor f r Fahrzeugmechatronik Elektrische Bordnetze 1 Elementare Grundfunktionen Stromversorgung Generator Grundlagen Im Generator wird mechanische Energie (vom Verbrennungsmotor) in elektrische gewandelt. Die Grundlage hierzu bildet das Induktionsgesetz: .dt (t)dNu ( ) Das Prinzip des Generators ist in Abbildung aufgezeigt: L t man eine Spule im Magnet-feld rotieren, ndert sich der magnetische Flu durch die Spule. Abb. : Grundprinzip eines Generators An den Klemmen der Spule wird eine Wechselspannung erzeugt.

7 Diese Wechselspannung kann mechanisch (mit Hilfe eines Kommutator) oder elektrisch gleichgerichtet werden. Abbildung zeigt das Prinzip der mechanischen Gleichrichtung: Durch eine Umpolung der Anschlussklemmen wird aus einer Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung er-zeugt. Prof. Dr. G. Buch / Prof. Dr. M. Krug Stand: 08/2012 Hochschule M nchen Maschinenbau/Fahrzeugtechnik/Flugzeugtec hnik Labor f r Fahrzeugmechatronik Elektrische Bordnetze Abb. : Prinzip der mechanischen Gleichrichtung einer Wechselspannung In der Praxis l sst man entweder eine Spule in einem Magnetfeld oder einem Magneten im Eisenkern einer Spule rotieren l sst. Daraus resultieren zwei Formen elektrischer Generato-ren: Abb. : Bauprinzipien elektrischer Maschinen Auf den ersten Blick scheint die Innenpolmaschine konstruktive Vorteile zu bieten, da die Wicklung nicht mit rotiert und deshalb keine Schleifringe zur Abnahme des Stromes n tig sind.

8 Tats chlich sind auch alle modernen Drehstromgeneratoren in Fahrzeugen Innenpolma-schinen. Die fr heren Gleichstromgeneratoren waren aber Au enpolmaschinen, da der er-zeugte Wechselstrom durch einen mechanischen Polwender (Kommutator oder Kollektor ge-nannt) gleichgerichtet werden musste. Erst als die Elektronik so weit fortgeschritten war, dass eine elektronische Gleichrichtung m glich war, setzte sich die Innenpolmaschine durch. Die Erzeugung des Magnetfeldes (Erregerfeld) nennt man Erregung. Dies kann, wie in Abb. gezeichnet, durch Permanentmagnete erfolgen. Solche Generatoren k nnen aber nicht geregelt werden. Deshalb wird vorzugsweise das Erregerfeld durch Elektromagnete erzeugt. Dies f hrt bei der Innenpolmaschine dazu, dass man doch wieder Schleifringe zur Zufuhr des Erregerstroms ben tigt.

9 Allerdings ist dieser Erregerstrom wesentlich kleiner als der Last-strom. NSSNu(t)u(t)Au enpolmaschineInnenpolmaschine Prof. Dr. G. Buch / Prof. Dr. M. Krug Stand: 08/2012 Hochschule M nchen Maschinenbau/Fahrzeugtechnik/Flugzeugtec hnik Labor f r Fahrzeugmechatronik Elektrische Bordnetze Je nach der Schaltung der Erregerwicklung unterscheidet man verschiedene Erregungsarten (Abb. ). Permanentmagnete Elektromagnete (nicht regelbar!) Selbsterregung Fremderregung Nebenschluss Reihenschluss Abb. : Erregungsarten von Generatoren Im Kfz findet man eine Mischung aus Fremderregung (aus der Batterie beim Motorstart) und Selbsterregung im Nebenschluss (bei Motorlauf).

10 Schaltbilder: Abb. : Schaltbilder verschiedener Generatorarten Die Lastkennlinien der Generatoren h ngen sehr stark von der Erregung ab. Dies soll am Bei-spiel des fremderregten und des Nebenschlussgenerators gezeigt werden. Fremderregter Generator: Bei allen Generatoren ist der Fluss wegen der Drehbewegung ann hernd sinusf rmig: ).sin()(maxtt ( ) Da nach dem Induktionsgesetz (Gleichung ) die Spannung proportional zur Ableitung des Flusses nach der Zeit ist, wird wegen des Nachdifferenzierens der Sinusfunktion die induzier-te Spannung u proportional zur Kreisfrequenz . Dies gilt auch nach dem Gleichrichten f r die induzierte Quellenspannung: cn 2 c Uq . ( ) GGGGP ermanenterregtFremderregtNebenschlussRei henschluss Prof. Dr.