Die Zukunft des Stromnetzes
Ein Startergenerator
ist wie der Name vermuten lässt Starter und
Generator in einem. Der Startergenerator ist in der Lage den Motor in
Sekundenbruchteilen anzuwerfen (Starter), den Motor evtl. zu beschleunigen
(Booster) und dann auch noch elektrischen Strom erzeugen (Generator). Heutige
leistungsstarke Startergeneratoren können, wenn sie in
Hybridelektrokraftfahrzeugen eingesetzt werden Energie sparen, indem sie beim
Abbremsen des Fahrzeugs elektrische Energie in die Fahrzeugbatterie
zurückspeisen (Rekuperation). Von Voll-Hybridfahrzeugen wie z.B. dem Toyota Prius
soll aber hier nicht die Rede sein.
Grundsätzlich unterscheidet man Systeme mit riemengetriebenem
Startergenerator, die man auch als Micro-Hybrid-Systeme
bezeichnet und Systeme, die direkt von der Kurbelwelle
angetrieben werden. So lange das 42 V Bordnetz aber nicht
umgesetzt wird, werden solche Systeme aber kaum auf den Markt
kommen.
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Continental forschte und
entwickelte an einem Kurbelwellen Starter Generator, der mit
dem Kürzel ISAD auf sich aufmerksam machte. Ein Serieneinsatz
kam aber nicht zustande.
ISAD
bedeutet Integrated Starter Alternator Damper.
Eine weitere gebrauchte Abkürzung ist z.B. auch ISG,
was Integrierter Starter Generator bedeutet. Bei ZF Sachs
verwendet man den Namen Dynastart.
An die Kurbelwelle oder an das Getriebe angeflanschte
Startergeneratoren benötigen eine
intelligente Steuerung. Viele Funktionen welche heute Starter
und Generator einzeln übernehmen werden in einem System
vereint. Zusätzlich wird der Funktionsumfang verbessert und
deutlich erweitert. |
Integrierter Starter Alternator Damper
(ISAD) von Continental |
Vorteile |
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Der Wirkungsgrad
ist sehr hoch, er liegt über 80% und die Generatorleistung kann
größer als 8 KW betragen.
Integrierte Startergeneratoren können
ihren Vorteil besonders in 42 V Systemen ausspielen.
Da kein
Ritzel beim Start einspuren muss, sind solche Systeme auch viel
schneller und leiser, als herkömmliche Starter. Startergeneratoren
können sowohl das Abgas und den Verbrauch reduzieren und auch noch
die Drehschwingungen des Motors dämpfen (Damper!).
Nach dem
Start des Motors kann der Startergenerator ein zusätzliches
elektromotorisches Drehmoments zur Anfahr-Unterstützung -
bereitstellen. Dies wird als sogenannte Boost-Funktion bezeichnet.
Und last but not least bietet so ein System auch eine
Start-/Stop Automatik. Dies sind alles Vorteile,
die sie für einen Hybridantrieb interessant machen.
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Dynastart - System von ZF Sachs |
Allein durch die
Start/Stopp-Funktion ließen sich
mehr als 5% Kraftstoff
sparen. In Kombination mit regenerativem
Bremsen wären mehr als 11% möglich.
Weiteres Kraftstoffeinsparpotential könnte sich durch die Booster
Funktion ergeben. Hier kann zum einen die Fahrdynamik eines Fahrzeuges
deutlich erhöht werden oder durch Verwendung eines hubraumschwächeren
Motors (Downsizing) in Verbindung mit einem ISAD-System würden die Kosten, bei gleichbleibender
Fahrzeugdynamik (Beschleunigungsverhalten), für Kraftstoff und
Fahrzeuganschaffung deutlich reduziert.
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Von Honda ist seit Jahren der
Honda
IMA
im Einsatz.
IMA steht für Integrated Motor Assist. Es
handelt sich um einen milden Hybriden mit einem Kurbelwellen-Startgenerator,
der erstmals im Honda
Insight eingebaut wurde und z.B. auch im Hinda Civic IMA erfolgreich
angeboten wird. |
Bei Honda als IMA schon lange im Einsatz |
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Riemengetriebener Startergenerator
Vom riemengetriebenen Startergenerator wurde oft
berichtet. Valeo hat ihn als
StARS in
mehreren Fahrzeugen bereits im Einsatz.
Valeos
Starter-Generator wurde erstmals 2004 im PSA Konzern eingebaut.
Der riemengetriebene Starter-Generator verbindet mit Hilfe einer
elektronischen Steuerung die Funktionen von Starter und Generator in
einer leicht einzubauenden Einheit.
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StARs von Valeo |
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Das
System ermöglicht eine Stopp-Start-Funktion,
die automatisch den Motor abschaltet, wenn
das Fahrzeug steht, und umgehend und lautlos wieder startet, wenn der Fahrer
einen Gang einlegt oder die Bremse löst.
Da das System die bestehenden Generator-Befestigungen nutzt,
ist das System eine flexible Aufsatz-Lösung, die nicht in das Design des
Antriebsstranges eingreift – ganz im Gegensatz zu integrierten
Starter-Generatoren, die zwischen Motor und Getriebe platziert werden und
folglich eine grundlegende Umgestaltung dieser Systeme erfordern.
Endverbraucher profitieren von bis zu 10 Prozent
Kraftstoffersparnis, geringerem Geräuschniveau beim Anlassen, Null Geräuschen
und Abgasen bei stehendem Fahrzeug sowie von einem niedrigeren
Kraftstoffverbrauch. Dem Umweltschutz wird Rechnung getragen aufgrund
der fehlenden Abgasproduktion im Stillstand - im überfüllten
Stadtverkehr stehen Autos unter Umständen mehr als 30 Prozent ihrer
Betriebszeit.
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Start-Stopp-Funktion |
i-StARS
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Bei der jüngsten Weiterentwicklung des Systems, dem i-StARS,
wurde die Steuerelektronik in die elektrische Maschine integriert, was die Integration
in ein vorhandenes System noch mehr erleichtert.
Das Micro-Hybrid-System schaltet den Motor automatisch aus, sobald das
Fahrzeug z.B. an einer Ampel oder in einem Stau zum Stillstand kommt, und lässt
ihn wieder an, wenn der Startimpuls gegeben wird; dadurch wird der CO2-Ausstoß
im Durchschnitt um 5 g/km und in dichtem Stadtverkehr um bis zu 15 % gesenkt.
Das i-StARS kann den Motor schon vor dem vollständigen Stillstand des
Fahrzeugs stoppen, d.h. sobald die Geschwindigkeit unter 8 km/h (im Fall eines
automatisierten Schaltgetriebes) und 20 km/h (im Fall eines handgeschalteten
Getriebes) abfällt. So wird die Kraftstoffeinsparung optimiert und das
Autofahren leichtgängiger gemacht. Der Motor wird unverzüglich (in 400 ms),
vollkommen lautlos und schwingungsfrei wieder angelassen, selbst wenn der Fahrer
während des Stillstands plötzlich umdisponiert. Außerdem werden die
Kraftstoffeinsparungen dadurch erhöht, dass die Stillstandphasen länger und
häufiger sind als bei anderen Systemen.
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PSA Peugeot-Citroën hat vor, i-StARS ab 2010 in großen Serien z.B. in
den e-HDi Dieselmodelle anzubieten. Ein anderer Automobilhersteller wird ebenfalls mit i-StARS in Serie gehen.
StARS+X
Einen Schritt weiter geht Valeo mit dem StARS+X, der die Rückgewinnung kinetischer Bremsenergie und, im Bedarfsfall, die Unterstützung des Verbrennungsmotors ermöglicht. In diesem Fall spricht man von Micro-Mild-Hybridfahrzeugen. Dank seiner Fähigkeit, höhere Spannungen zu bewältigen, bietet der StARS+X doppelte Leistung.
In Phasen der Geschwindigkeitsabnahme wirkt das System wie eine elektrische Bremse auf den Motor. Dabei wird die zurückgewonnene Energie in Elektrizität umgewandelt und anschließend in
Ultrakondensatoren gespeichert.
Dieser Strom wird über einen Spannungswandler dem Bordnetz zugeführt oder aber vom Starter-Generator genutzt, um den Motor im Rahmen der Stopp-Start-Funktion
neu anzulassen oder auch um bei hoher Leistungsanforderung eine
Antriebsunterstützung bereitzustellen. In jedem Fall bringt das System spürbare
Kraftstoffeinsparungen, die im Standard-MVEG-Standardzyklus auf 10 bis 12 %
geschätzt werden.
Startergenerator in der 2. Generation
Als momentan einziger Ausrüster bietet Valeo zwei alternative Konzepte der Stopp-Start-Funktion an, nämlich ein System mit verstärktem Starter und einen Starter-Generator.
Der verstärkte Starter von Valeo bringt eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs durch die Stopp-Start-Funktion um ca. 4 -6% im europäischen MVEG-Standardzyklus. Da das System keine Veränderung der Fahrzeugarchitektur erfordert, kann es sehr schnell integriert werden. Volvo bietet es als Ausrüstung seines umweltfreundlichen Modells S-40 1.6D DRIVe an, das vor kurzem von der britischen Fachzeitschrift „What car?“
aufgrund seines geringen Kraftstoffverbrauchs und CO2-Ausstoßes zum
„grünen Auto“ des Jahres 2009 gekürt wurde.
Das Microhybrid-System StARS wird seit 2004 in Fahrzeugen der Gruppe PSA Peugeot Citroën (C2 und C3) und seit 2008 als Ausrüstung der Mercedes A- und B-Klasse sowie des Smart vertrieben.
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A-Klasse mi Micro-Hybrid-System von Valeo |
Ausblick
Mit leistungsfähigeren elektrischen Maschinen soll es künftig möglich sein, eine höhere Antriebsunterstützung zur Verfügung zu stellen, so dass die Leistung und folglich der Hubraum des Verbrennungsmotors erheblich reduziert werden können (Downsizing).
Ein entscheidender Vorteil des Konzepts besteht darin, dass die relative Schwäche von Verbrennungsmotoren mit geringem Hubraum im Fall von Beschleunigungen bei niedrigen Drehzahlen durch das sofort bereitgestellte, starke Drehmoment der elektrischen Maschine ausgeglichen wird. So macht das System das Autofahren zugleich komfortabler, leichtgängiger und wirtschaftlicher. Mehrere, von Valeo und unabhängigen Laboren durchgeführte Untersuchungen ergaben, dass die Elektromotorleistung zwischen 10 und 15 kW
liegen muss, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Fahrkomfort,
Kraftstoffverbrauch und Gesamtkosten des Systems zu erzielen. Ein
Mild-Hybrid-Modell erzeugt 15 bis 20 % weniger CO2-Emissionen als ein
herkömmliches Fahrzeug mit vergleichbaren Leistungen. Das Valeo-System für Mild-Hybridfahrzeuge ist mit Benzin- und Dieselmotoren kompatibel. Es wird 2013 auf den Markt kommen.
Übrigens
Ein wichtiger Grund warum immer mehr Hersteller
über Startergeneratoren mit Stopp-Start-Funktion nachdenken und
einführen wollen, ist die Verpflichtung die CO2-Werte und damit den
Verbrauch senken zu müssen. Ein Grenzwert von 140 g/km z.B.
entspricht einem mittleren Verbrauch von ca. 5,7 l/100km für
Benziner und 5,1 l/100km für Diesel. Bei 120g/km sind es
gerade einmal 4,9 l/100 km für Ottos und 4,4 l/100km für
Selbstzünder.
 CBT
(Computer Based Training) zur Start-Stopp-Funktion
Christiani Partner von kfztech.de
Mein Dank geht an ContiTeves,
mot, Siemens/VDO, Valeo und Bosch
Johannes
Wiesinger
bearbeitet:
02.10.2010
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