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Elektrische Energieversorgung
Elektrische Energieversorgung Bordnetzkomponenten zur Energieerzeugung, Energiespeicherung, Leistungsverteilung
Aufgaben der elektrischen Energieversorgung Bereitstellen elektrischer Energie für: Startvorgang, Stromversorgung im Fahrbetrieb, zeitlich begrenzte Stromversorgung bei Motorstillstand die Verrichtung mechanischer Arbeit: Starter, Kraftstoffpumpe, ABS (Pumpe, Regelventile) Scheibenwischer, Gebläse, Leuchtweitenregulierung, Spiegelverstellung Fensterheber, Zentralverriegelung, Sitzverstellung zukünftig: Wasserpumpe, Lenkung, Bremse, Ventiltrieb, ... die Erzeugung von Licht Scheinwerfer, Begrenzungsleuchten, Blinker Kontroll-Leuchten, Innenbeleuchtung die Erzeugung von Wärme Zündkerzen, Glühkerzen, Scheibenheizung Spiegelheizung, Zusatzheizer den Betrieb von Sensoren Temperatur, Drehzahl, Öldruck Raddrehzahl, Gierrate, Beschleunigung, Lenkradwinkel den Betrieb von Elektronik Motorsteuerung, Zündung, Einspritzung ABS, ESP, Navigation, Unterhaltung, Kommunikation Weitere Anforderung: niedriges Aggregatgewicht Leichtbau, Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs
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Elektrische Energieversorgung Stromversorgung Einschaltdauer und Stromverbrauch elektrischer Verbraucher o Dauerverbraucher: Zündanlage, Kraftstoffeinspritzung o Langzeitverbraucher: Fahrzeugbeleuchtung, Heckscheibenheizung o Kurzzeitverbraucher: Bremslicht; Blinklicht heutige Bordnetzstrukturen Nennspannung 12V, Generatorspannung 14V Standart motorgetriebener Generator und Batterie als Energiespeicher Entwicklungstendenzen o neue Verbraucher mit neuen Anforderungen verbesserter Wirkungsgrad höhere Spannung neues Konzept für Komponenten mit übergeordneten Steuerungskonzepten o neue Sicherheitssysteme erfordern hochzuverlässige Bordnetze
Auslegung hinreichende Energieversorgung bei Nacht (Scheinwerfer, Innenraumbeleuchtung) im Winter (Zuheizer, Heckscheibenheizung) bei Kurzstreckenbetrieb (häufiges Starten, geringe Ladezeiten) im Stau (Motor im Leerlauf, geringe Drehzahlen Überdimensioniert bei Tag im Langstreckenbetrieb Zielkonflikt Gewicht Wirkungsgrad 2
Elektrische Energieversorgung Entwicklung der Leistungsaufnahme Beispiele für installierte Verbraucher unter Berücksichtigung der Einschaltzeit Verbraucher [Watt]
1995
2002
Leistungs- Mittlere Leistungs- Mittlere VerAufnahme Verbrauchsleistung aufnahme brauchsleistung
Zündung / 40 Motronic+Kraftstoffpumpe Abblendlicht 110
40
250
250
90
110
90
Heckscheibenheizung
80
34
200
60
Innenraumheizung
120
50
120
50
Scheibenwischer
30
5
50
10
Blinklicht
42
6
42
6
Kühlerventilator
60
25
120
30
Summe
710
330
1145
600
Trends – Zukunftsaussichten Reduzierung des Kraftstoffverbrauch, Komforterhöhung Verbesserung der aktiven und passive Sicherheit neue Funktionen Start-Stopp-Automatik , Bremsenergierückgewinnung, zusätzliche Verbraucher bedarfsgerechter elektrischer Antrieb von Nebenaggregaten Wasserpumpe, Lenkhilfenpumpe, elektromotorische Servolenkungen ( Fahrdynamikverbesserung) elektromechanische Bremsen elektrischer Leistungsbedarf wird steigen, heute: 2kW
Zukunft: 6-7,5kW
Kraftstoffverbrauchsanteil Bordnetz , heute: bis 1,7l/100km 3l/100km (Wirkungsgrad muss verbessert werden) sehr hohe Sicherheit durch x-by-wire-Systeme brake-by-wire, steer-by-wire Ausfall hat fatale Folge mit heutiger 14V-Technik nicht mehr handelbar ? da auch Ohmsche Verlustleistung bei der Übertragung großer Ströme stark steigt (Pverlust=I2 RZuleitung) Verbraucher mit 14V bleiben weiter relevant (Glühlampen, Lebensdauer nimmt mit steigender Spannung stark ab)
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Elektrische Energieversorgung Zweispannungsbordnetz – Konzepte - höhere Bordspannung einführen, bei gleicher elektrischer Leistung kann Stromstärke verringert werden - 14V-Netz muss erhalten bleiben 2 Spannungsnetze im Kfz - zusätzlich 42V (Halbleiterprozessen (Durchbruchspannung von 60- 70V) - gültige Norm für Berührspannung für Gleichspannungen < 60V - höhere Spannungen möglich, jedoch berührgeschützt - Bordspannung 14/42V, Batterienennspannung 36V bzw. 12V - Generator speist 42V-Batterie, DC/DC-Wandler versorgt 14V-Netz - jede Spannungsebene erhält separate Batterie - 36V-Batterie als Starterbatterie - Ruhestrom für Verbraucher aus 12V-Batterie Startsicherheit, Starterbatterie wird nicht mehr entladen
Versorgung über einen Generator (42V, Spannungswandler für 14V) jedes Teilnetz mit eigener Batterie speisen besonders energieintensiver Verbraucher aus 42V-Teilnetz Weiterverwendung konventioneller 14V-Komponenten (preisgünstig) el. Energie-Management (EEM) koordiniert Zusammenspiel beider Teilnetze
Zweibatterien-Bordnetz
Hochstrom-Teilnetz liefert kurzzeitig hohe Leistung für den Startvorgang Versorgungsnetz speist alle übrigen Verbraucher Vermeiden von Spannungseinbrüchen durch Unterteilung in zwei 14V-Teilnetze 4
Elektrische Energieversorgung Zukünftige Anforderungen elektrischer Leistungsbedarf wird steigen heute: 2kW Zukunft: 6-7,5kW Kraftstoffverbrauchsanteil Bordnetz heute: bis 1,7l/100km 3l/100km (Wirkungsgrad muss verbessert werden) sehr hohe Sicherheit durch x-by-wire-Systeme brake-by-wire, steer-by-wire Ausfall hat fatale Folgen mit heutiger 14V-Technik nicht mehr handelbar da auch Ohmsche Verlustleistung bei der Übertragung großer Ströme stark 2
steigt (P
verlust
=I R
)
Zuleitung
Verbraucher mit 14V bleiben weiter relevant (Glühlampen, Lebensdauer nimmt mit steigender Spannung stark ab)
Erforderliche Leitungsquerschnitte Nennquerschnitt nach DIN 150 6722 Teil 3 festgelegt ungefähre Anzahl der Einzeldrähte maximaler Leiterwiderstand je Meter bei +20°C Nennwanddicke der Isolation im Leiter zulässiger Dauerstrom Richtwert bei +30°C und +50°C Umgebungstemperatur nach DIN VDE 0298 Teil 4
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Elektrische Energieversorgung Leitungsquerschnitt, Leitungsberechnung -
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Faktoren - Preis, Erwärmung, Spannungsabfall - Wenn möglich Nennquerschnitt nicht unter 1 mm2 geringe mechanische Festigkeit Preis verwendeter Kabel spielt bei Neukonstruktionen große Rolle - im Nachrüstfall (Anschluss neuer Verbraucher an bestehendes Kabel) muss Kabelquerschnitt geprüft werden zu hoher Stromfluss kann zu Überhitzung und Kabelbrand führen Extremfall: Fahrzeugbrand jeder Querschnitt darf nur mit bestimmten Nennstrom belastet werden, Faustregel: - 6 mm2 – Dauerstrom 9A - 10-35 mm2 – Dauerstrom 4,5A - 50-120 mm2 – Dauerstrom 3 A - kurzzeitige Ströme bis 30A je mm2-Querschnitt bei +30°C Umgebungstemperatur nach DIN sind zulässige Spannungsabfälle festgelegt (Vogel S168) - Berechnung des verwendeten Kabelquerschnittes je Spannungsabfall - Größen für Leiterberechnung Tab 3.6 Vogel 169
Nennquerschnitt nach DIN 150 6722 Teil 3 festgelegt - ungefähre Anzahl der Einzeldrähte - maximaler Leiterwiderstand je Meter bei +20°C - Nennwanddicke der Isolation - im Leiter zulässiger Dauerstrom (Richtwert bei +30°C und +50°C Umgebungstemperatur) nach DIN VDE 0298 Teil 4 ( nachfolg Tab 3.4 Vogel 167) - jeder Querschnitt darf nur mit bestimmten Nennstrom belastet werden, Für Mindestquerschnittberechnung elektrischer Leitungen muss der Spannungsabfall und die Stromdichte (Erwärmung) berücksichtigt werden. Der größere beider Rechenwerte ist der Mindestquerschnitt Amin
Leitungsquerschnitt bei zulässigem Spannungsabfall U U (2.1) I Iρl = (2.3) Ua
nach dem Ohmschen Gesetz gilt : R = (2.1)=(2.2)
U ρl = I A
Amin
und R =
ρl A
(2.2)
S – Stromdichte [A/mm2] Ua – Spannungsabfall [V] I – Strom [A] Tabellenwerte für zulässige 2 Spannungen (Cu) TB S. 86 Ωmm ρ − spez. el. Widerstand zulässigen m Spannungsabfall TB S.86 l – Leiterlänge [m] A Leiterquerschnitt [mm2] - Tabellenwerte für zulässige Spannungen gelten für +-Leitungen - Masseleitungen werden nicht berücksichtigt 6
Elektrische Energieversorgung Bei Kunststoffkarosserie muss gesonderte Masseleitung vom Verbraucher zur Batterie verlegt werden. Dabei darf Spannungsabfall für +- und MasseLeitung nicht höher als der Spannungsabfall für die Plusleitung sein
Leitungsquerschnitt bei zulässiger Stromdichte S Stromdichte S ist der Strom I, der je mm2 Leitungsquerschnittsfläche A fließt. S=
I A
Amin =
(2.4)
I S
(2.5)
zulässige Stromdichte für Haupt- und Steuerleitungen bei kurzfristiger Belastung: S ≤ 30 A/mm2
Quelle 25
Leiterquerschnitt [mm*]
Widerstand je m bei 20°C [mm/m]
Wanddicke Isolation [mm]
Zulässiger Dauerstrom bei 50°C [A]
1 2.5 4 6
18,5 7,6 4,71 3,14
0.6 0,7 0,8 0,3
13,5 227 29,8 38,3
10 16
1,82 1,16
1,0 1,0
51,8 69,6
25 50 70 120
0,74 0,37 0,20 0,15
1,3 1,5 1,5 1,6
91,6 140 174 244 7
