Magnetische toepassingen in de motorvoertuigentechniek (4) E. Gernaat, ISBN 978-90-808907-3-2 1 Laadciruit 1.1 De loodbatterij De dynamo en de spanningsregelaar in relatie tot de batterij en de overige verbruikers vormen het laadcircuit van de auto. Het laadcircuit zorgt voor een gestabiliseerde spanning, dat wil zeggen een spanning die ongeacht de stroomafname en toerental van de dynamo gelijk blijft. Dit lukt natuurlijk alleen maar als de dynamo voldoende vermogen kan afgeven. De grootte van de afgeregelde spanning wordt bepaald door de batterij. De nominale spanning van een loodbatterij bedraagt 2 V per cel. De optimale celspanning is echter 2,4 V zodat bij een 12 V installatie de afgeregelde spanning 6 x 2,4 V = 14,4 V zal bedragen. Voor een bedrijfswagen is de afgeregelde spanning 12 x 2,4 = 28,8 V. Fig. 1 geeft de laadgrafiek van een loodbatterijcel weer. In het gebruiksge- 3 2,7V celspanning (V) 2 1,7V 2V nominale spanning 2,4V 1 sulfatering gebruiksgebied van de batterij gasvorming 0 0 20 40 60 80 100 ladingstoestand % Figuur 1: De laadgrafiek van een loodbatterijcel. Spanningen onder de 1,7 V en boven de 2,4 Volt moeten worden vermeden. bied bedraagt de spanning ongeveer 2 V (de nominale spanning) en variëert maar weinig. Onder de 1,7 V wordt de batterij door sulfatering beschadigd terwijl boven de 2,4 V een sterke gasvorming en warmteontwikkeling optreedt. 1
Spanningen beneden de 1,7 V en boven de 2,4 V moeten worden vermeden. Eerder genoemde spanningen zijn richtwaarden. Afhankelijk van het type accu kunnen deze spanningswaarden enigszins verschillen. Naast de klassieke loodbatterij met verdund zwalvelzuur in vloeistofvorm worden als loodaccu ook nog afwijkende constructies toegepast. We noemen de AGM- en de Gel-accu. 1.1.1 AGM-accu Een AGM-accu van 170 A heeft een gewicht van 58 kilo en is qua capaciteit te vergelijken met een 230 A conventionele accu met een gewicht van ongeveer 65 kilo. Deze winst wordt behaald door de toepassing van de AGM-accu technologie (Absorbed Glass Material), waarbij glasvezel doordrenkt met verdund zwavelzuur als isolator wordt gebruikt. Dunnere loodplaten dan in een conventionele accu worden toegepast, waardoor er meer platen in eenzelfde behuizing passen. Deze accu s bieden een bijzonder hoge energiedichtheid bij een brede temperatuurstoepassing. De AGM-accu kan diep ontladen worden en is in elke positie te monteren. De maximale laadspanning bedraagt 14,7 Volt. 1.1.2 Gel-accu In de gel-accu is het vloeibare zwavelzuur vervangen door een gel. De belangrijkste voordelen van gel-accu s zijn t.o.v. de conventionele zijn: geringere zelfontlading; diepere ontlading mogelijk; de accu kan vaker worden ontladen; onderhoudsvrij en gesloten bouwwijze; geen ventilatie noodzakelijk bij juiste lading; In het algemeen kan worden gezegd dat gel-accu s een veel langere levensduur hebben t.o.v. de conventionele-accu s. Er kleven echter ook wat nadelen aan de toepassing van gelaccu s, hoewel die door gebruik van een juiste laadinrichting geheel zijn te ondervangen: de laadinrichting (lader/dynamo) is gebonden aan een maximum spanning van 2,38 V per cel bij 20 0 C. De onderhoudslaadspanning wordt gesteld op 13,8 V; bij toename van de omgevingstemperatuur boven 20 0 C moet de laadspanning naar beneden toe worden afgeregeld, teneinde gasvorming in de batterij te voorkomen; als er te lang met een te hoge spanning wordt geladen droogt de gel in en verliest de accu zijn capaciteit. De gel-accu heeft een gesloten behuizing met een overdrukventiel in het deksel. De ruimte in de accu heeft een lichte overdruk t.o.v. de atmosfeer. Onder een laadspanning van 2,38 Volt per cel ventileren ze niet. Hierboven ontstaat 2
een ongewenste gasontwikkeling. De aanschaf van de accu vraagt om een aangepaste laadregeling, die de laadspanning voor hogere temperatuur compenseert. Op de accu, wordt een temperatuursensor gemonteerd. IU-laadregelingen (spanning blijft constant, stroomsterkte neemt af) mogen voor gel-accu s niet worden gebruikt. 2 De drie-fasen wisselstroomdynamo De toegepaste dynamo is een drie-fasen wisselstroomdynamo. Dit houdt in dat de dynamo is opgebouwd uit drie statorspoelen en een rotor. De rotor produceert het gemeenschappelijke magnetisch veld. Elke statorspoel produceert een identieke wisselspanning. Omdat de statorspoelen onder een hoek van 120 0 t.o.v elkaar zijn gemonteerd zijn de opgewekte spanningen ook 120 0 in fase verschoven. De spanningen worden door een 6-tal dioden bij elkaar opgeteld en gelijkgericht. Er ontstaat tussen de B+ en de B- uitgang van de dynamo een gelijkspanning (fig. 2). De grootte van de (ongeregelde) opgewekte gelijkspan- Figuur 2: De principiële opbouw van een dynamo. Tussen de B+ en de B- uitgang ontstaat een gelijkspanning. ning hangt af van de dynamo-eigenschappen, het toerental van de dynamo en de sterkte van het magnetische veld. De sterkte van het magnetische veld hangt weer af van de grootte van de rotorstroom. In formulevorm: waarin: E = C x I x n E = de onbelaste dynamospanning; C = de eigenschappen van de dynamo; I = de grootte van de rotorstroom; n = het toerental. 3
De dynamospanning hangt dus sterk af van het motortoerental. Uit de formule blijkt dat we alleen maar de spanning kunnen regelen door de rotorstroom te vergroten of te verkleinen. Dit is de taak van de spanningsregelaar. Fig. 3 laat schematisch de opbouw van de dynamo zien met geïntegreerde regelaar. Behalve de reeds eerder genoemde zes gelijkrichtdioden zien we ook een drie- velddioden D+ controlelamp gelijkrichtdioden B+ v verbruikers statorspoelen sterpunt u rotor w W aansluiting DF Z T2 T1 regelaar Figuur 3: Schematisch overzicht van een laadcircuit met dynamo, spanningsregelaar, batterij en verbruikers. Ook zijn mogelijke extra aansluitingen als sterpunt, DF- en W-aansluiting weergegeven. tal velddioden. Deze zorgen voor de rotorstroom. De regelaar kan de rotorspoel al dan niet aan de massa leggen waardoor een duty-cycle (PWM) regeling ontstaat. In fig. 3 zijn ook extra aansluitingen getekend. Bij gesloten contactslot en niet draaiende dynamo zal de rotor voorbekrachtigd worden. De rotorstroom 4
loopt dan vanaf de batterij via het controlelampje door de rotor naar de massa. Dit is mogelijk omdat de zenerdiode Z spert en de basisstroom van T1, T1 in geleiding brengt. Zo gauw als de dynamo draait zal de rotorstroom via de velddioden overgenomen worden door de dynamo. Het controlelampje dooft. Komt de spanning boven de afgeregelde spanning dan gaat de zenerdiode Z in geleiding waardoor de basis van T1 door T2 aan de massa wordt gelegd. T1 spert, het magnetisch veld valt weg waardoor de dynamospanning daalt. Door het continu in- en uitschakelen van T1 ontstaat een afregeling van de spanning. Correctie van de dynamospanning ten gevolge van variatie in het toerental en veranderingen in de elektrische belasting wordt dus verkregen door de rotorstroom aan te passen. Voorbeeld: Wanneer een extra verbruiker wordt ingeschakeld dan zal in eerste instantie de spanning dalen. Door de rotorstroom te vergroten wordt het spanningsverlies gecompenseerd. Bijzondere dynamo-aansluitingen zijn de DF-aansluiting, de sterpunt-aanluiting en de W- aansluiting. Deze treft men niet altijd aan. De DF-aansluiting gaat tegenwoordig vaak naar de motormanagement-computer. De sterpunt-aansluiting kan gebruikt worden voor het aansturen van bijv. een relais, terwijl de W-aansluiting vaak bij Dieselmotoren gebruikt wordt (werd) voor het aansturen van de toerenteller. Op het sterpunt meet men ongeveer de helft van de dynamospanning. 3 De spanningsregeling als regelkring Een regelaar moet er voor zorgen dat de spanning constant blijft. Er is sprake van een regelkring. De regelaar zelf vormt in de meeste gevallen een geïntegreerd onderdeel van de dynamo. Een dynamo-regelkring kan als fig. 4 worden voorgesteld. De (ingebouwde) regelaar meet de spanning (x) en ver- dynamo D+ U gewenst (w) = 14,4 V stuurwaarde y Df rotor e=w x y=f(e) E=CxIrxn batterij x (gemeten waarde) spanningsregelaar totaal aan verbruikers Figuur 4: De regelkring van de dynamo. De spanning (x) wordt gemeten en vergeleken met de gewenste waarde (w) van 14,4 V. 5
gelijkt de gemeten spanning met de gewenste spanning (w). Het verschil hiertussen, de fout e, moet worden weggeregeld. Dit gebeurt door het verschil om te zetten in een nieuwe rotorstroom. De stuurwaarde (y) van de regelaar is een pulsbreedte gemoduleerd signaal (PWM) dat de rotorstroom instelt. Een dutycycle van bijv. 20% geeft een kleine rotorstroom en een duty-cycle van 80% een grote. Het is de taak van de spanningsregelaar om de laadspanning constant te houden waardoor ook de batterij geladen wordt wanneer de batterijspanning onder de 14,4 V komt of bij een bedrijfswagen onder de 28,8 V. 4 De controle van het laadcircuit De laadcircuit moet worden gecontroleerd op: de juiste afgeregelde spanning; de spanningsrimpel; zo mogelijk de (maximaal) te leveren stroom; de correcte regeling. De afgeregelde spanning kan worden gecontroleerd met behulp van een voltmeter. De spanning bedraagt, afhankelijk van de opgave van de fabrikant, ongeveer 14,5 V. Veel fabrikanten passen een temperatuur-afhankelijk regeling toe. Bij het oplopen van de temperatuur gaat de laadspanning omlaag (fig. 5). De spanningsrimpel die overblijft na gelijkrichting mag niet meer bedragen dan Temperatuur compensatielijn 7 mv per graad Celsius spanning 20 graden Celsius temperatuur Figuur 5: De afgeregelde spanning is afhankelijk van de buitentemperatuur (Mazda). 500 mv. De spanningsrimpel is een storingsbron die door de computers weggefilterd moet worden. De filters zijn gebaseerd op een rimpel van ongeveer 500 mv. De spanningsrimpel wordt gecontroleerd met behulp van een oscilloscoop (fig. 6). De aansluiting DF van de dynamo s met ingebouwde regelaar gaat bij een aantal voertuigen naar het motormanagement-systeem. Op deze aansluiting staat het PWM-signaal van de regelaar. De motormanagement-computer herkent dan het door de dynamo opgenomen aandrijfkoppel en verhoogt bijv. 6
Figuur 6: De spanningsrimpel van een dynamo gemeten met een oscilloscoop. De rimpel mag maximaal 500 mv bedragen. Instelling oscillocoop: Ingangskoppeling AC, Time/div. 1 ms, Volt/div. 100 mv. het stationair toerental. Nieuwe ontwikkelingen betreffen voertuigen waarbij de spanningsregeling geheel door het motormanagement-systeem wordt overgenomen. Tijdens maximale acceleratie kan de dynamobelasting worden verminderd en bij het afremmen op de motor kan de dynamo maximaal worden belast. Wanneer de dynamo een externe DF-aansluiting heeft, kan met behulp van de oscilloscoop het PWM-signaal naar de rotor worden gecontroleerd. Wanneer vervolgens enige gebruikers worden ingeschakeld kan aan de hand van de verandering van de duty-cycle een indruk worden gekregen omtrent de geleverde dynamostroom (fig. 7). Door alle verbruikers in te schakelen kunnen we motormanagement computer D+ Df G B hoge belasting lage belasting Figuur 7: Het PWM-signaal voor de regeling van de rotorstroom (VAG). 7
met behulp van een ampèretang meten hoeveel stroom de dynamo levert. Fig. 8 toont ons het verloop van de maximale dynamostroom ten opzichte van het dynamotoerental. De spanning is constant gehouden. We zien in de grafiek dat Figuur 8: De stroomgrafiek van een dynamo bij stationair draaien van de motor (n L ) er al een stroom van zo n 30 A kan worden geleverd (I L ). De nominale stroom (I N ) wordt meestal op het typeplaatje van de dynamo weergegeven en dient groter te zijn dan het totaal aan verbruikers. I max is de stroom die bereikt wordt bij het maximum toelaatbaar dynamotoerental (n max ). Dit toerental ligt tussen de 10.000 en 15.000 t/min. Het benodigde aandrijfvermogen wordt door de onderbroken lijn P weergegeven. 5 Een intelligent laadcircuit Op een aantal Toyota-modellen wordt een intelligent laadsysteem toegepast. Het laadsysteem past de laadspanning aan, aan de rijomstandigheden van de auto. De afgeregelde spanning wordt lager gedurende het stationair draaien 8
en het rijden met constante snelheid. De laadspanning wordt verhoogd tijdens het afremmen op de motor. Dit systeem verhoogt het rijcomfort en verlaagt het brandstofverbruik. Fig. 9 geeft een overzicht van het systeem. De rijconditie dynamo slipkoppeling gaspedaalsensor variabel geregelde spanning regelaar aanstuursignaal motormanagement vaststelling batterij conditie (ont)laadstroom spanning temperatuur stroomsensor belasting krukaspositiesensor snelheidssensor rijconditie batterij stoplichtschakelaar temperatuursensor Figuur 9: Overzicht van het intelligente laadcircuit van Toyota wordt door de motormanagement-computer met behulp van de gebruikelijke sensoren vastgesteld. Voor het vaststellen van de batterij-conditie wordt de batterijspanning, de batterij (ont)laadstroom en de batterijtemperatuur gemeten en naar de motormanagement-computer geleid. Uit deze gegevens kan de gewenste laadspanning t.o.v. de rijconditie worden vastgesteld. Het motormanagementsysteem bepaalt hieruit het stuursignaal en zendt dit naar de regelaar van de dynamo. Fig. 10 laat zien dat de laadspanning geregeld wordt tussen een minimum en een maximum waarde en dat bijv. tijdens het rijden met constante snelheid de laadspanning zich aanpast aan de batterij-conditie spanning rijsnelheid stationair acceleratie constante snelheid deceleratie geregelde spanning geregelde spanning hoog laag stationar geregelde spanning Figuur 10: De laadspanning is afhankeljk van de rijcondities. 9
6 Vragen Zie boek 10