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Jun 24, 2023

Decken Sie alle Grundlagen moderner Ladesysteme ab

Um eine bekannte Situation zu zitieren: „Das Auto meines Kunden ist jetzt mit der dritten Lichtmaschine ausgestattet

Um eine bekannte Situation zu zitieren: „Das Auto meines Kunden hat jetzt die dritte Lichtmaschine in sechs Monaten und mein Jobber-Laden weigert sich, die Garantie für eine vierte zu übernehmen.“ Mit anderen Worten: Der Teilelieferant geht davon aus, dass ein zugrunde liegendes Problem zum Ausfall dieser Lichtmaschinen führt, und übernimmt daher keine Garantie für weitere Lichtmaschinen. Auch wenn es gelegentlich zu einer Reihe von Ausfällen kommt, die auf Probleme bei der Qualitätskontrolle zurückzuführen sind, liegt der Hauptgrund für die meisten Wiederholungsausfälle darin, dass der Techniker bei seiner Erstdiagnose möglicherweise einige wichtige Schritte übersehen hat. Um kostspielige Fehler zu vermeiden, ist es immer am besten, bei der Diagnose des Ladesystems „alle Grundlagen abzudecken“.

Moderne elektrische Systeme von Fahrzeugen benötigen eine elektrische Stromstärke von bis zu 20 Ampere, um das Motormanagement, die Kraftstoffzufuhr und die Zubehörsysteme mit Strom zu versorgen. Wenn zu dieser elektrischen Grundlast HVAC, Motorkühlung und Außenbeleuchtung hinzukommen, kann die Gesamtlast deutlich über die 50-Ampere-Marke ansteigen. Wenn die Batterie eine defekte Zelle hat oder aufgrund von übermäßigem parasitärem Stromverbrauch oder der Verwendung von Zubehörteilen stark entladen ist, lädt die Lichtmaschine nahezu ihre Nennkapazität auf, insbesondere unter schwierigen Fahrbedingungen.

Während moderne Lichtmaschinen möglicherweise eine Nennleistung von 100 Ampere oder mehr haben, sind die meisten kompakten Bauformen nicht dafür ausgelegt, über längere Zeiträume mit voller Leistung zu arbeiten, ohne zu überhitzen. Aufgrund zu hoher Laderaten kann es kurzfristig zum Ausfall der Ersatzlichtmaschine kommen.

Ein herkömmlicher Generator besteht aus vier grundlegenden elektrischen Teilen: 1) Rotor, 2) Kohlebürsten, 3) Stator und 4) Gleichrichterbrücke. Auf der einfachsten Ebene wird ein Wechselstrom (AC) erzeugt, wenn die durch den Stator des Generators gewickelten Kupferdrähte das vom Rotor des Generators erzeugte rotierende elektromagnetische Feld „schneiden“. Der „Feld“-Schaltkreis des Rotors wird über eine Batterie-Plus-Kohlebürste (B+) mit Strom versorgt, die auf einem Kupferschleifring sitzt, der auf der Rotorwelle montiert ist. Eine zweite Kohlebürste erdet den Feldstromkreis mit dem Generatorgehäuse und schließlich mit dem Minuspol der Batterie (B-).

Die Ausgangsstromstärke des Generators wird durch Erhöhen oder Verringern der durch die Kohlebürsten fließenden Feldstärke gesteuert, was wiederum die Stärke des rotierenden Magnetfelds erhöhen oder verringern kann.

Ein intern oder extern montierter Spannungsregler regelt die Feldstromstärke. Um die Ladespannung genau zu erfassen, muss der Spannungsregler an B+ angeschlossen und sein Sockel über das Lichtmaschinengehäuse an B- geerdet sein.

Je nach Anwendung kann der Spannungsregler auch extern in das Powertrain Control Module (PCM) integriert werden. In moderneren Anwendungen steuert das PCM einen internen Spannungsregler über ein Buskommunikationssystem oder ein Referenzspannungskabel, um den Lademodus entsprechend den Fahrbedingungen zu ändern.

Wie oben dargestellt, wird das vom Spannungsregler erzeugte rotierende Magnetfeld durch drei separate Schleifen aus Kupferdraht „geschnitten“, die durch eine Statorbaugruppe gewickelt sind, die den Feldrotor umgibt. Der Stator erzeugt Wechselstrom, und der durch jede Statorschleife fließende Wechselstrom wird durch eine positive und eine negative Diode in Gleichstrom (DC) gleichgerichtet.

Die sechs kombinierten Dioden sind im Allgemeinen auf einer Kühlkörperbaugruppe montiert, die als Diodenbrücke bezeichnet wird und die Dioden kühlt. Diese positiven und negativen Dioden wandeln nicht nur Wechselstrom in Gleichstrom um, sondern verhindern auch, dass der Stator die Batterie entlädt, wenn der Motor ausgeschaltet ist.

Um Schäden an Batterie, Beleuchtung und Bordelektronik zu vermeiden, muss die Lichtmaschine die Spannungsabgabe an die Batterie begrenzen. Die Batterie spielt eine entscheidende Rolle bei der Spannungsregulierung, da sie als Kondensator fungiert, der im elektrischen System auftretende Spannungsspitzen dämpft. Die Batterie ermöglicht es dem Spannungsregler der Lichtmaschine auch, die Batteriespannung genauer zu erfassen, indem sie als Widerstand fungiert.

Bedenken Sie, dass die chemische Aktivität des Batterieelektrolyten in direktem Zusammenhang mit der Kerntemperatur der Batterie steht. Der Spannungsregler ist daher so ausgelegt, dass er die Ladespannung bei sehr kaltem Wetter auf etwa 15,2 Volt und bei sehr heißem Wetter auf etwa 13,8 Volt begrenzt.

Unter Berücksichtigung dieser Grundlagen liegt es auf der Hand, dass eine schwache Batterie die Lebensdauer der Lichtmaschine verkürzt. Zur Veranschaulichung umfasst die normale Laderate einer guten Batterie einen Lademodus mit hoher Stromstärke und niedriger Spannung (z. B. 40 Ampere bei 13,2 Volt), der als „Massenlademodus“ bezeichnet wird. Sobald die Batterieklemmenspannung 14,0 Volt erreicht, sinkt die Ladestromstärke, während die Spannung ansteigt (z. B. 5 Ampere, 14,2 Volt), was als „Sättigungsmodus“ bezeichnet wird.

Moderne computergesteuerte Ladesysteme können auch einen „Erhaltungslademodus“ von etwa 2 Ampere bei 13,4 Volt erzeugen, was anzeigt, dass die Batterie vollständig geladen ist und dass der Generatorausgang hauptsächlich die Betriebssysteme des Fahrzeugs versorgt. Während diese Stromstärken und Spannungen typisch für das sind, was wir in der Praxis sehen, hängen beide Werte weitgehend vom Alter und Zustand der Batterie ab.

Wenn der Akku durch Nichtgebrauch stark sulfatiert ist, erholt er sich schnell von einem vollständig entladenen Zustand in einen vollständig geladenen Zustand. Wenn die Batterie eine defekte Zelle aufweist oder allgemein verschlissen ist, führt dies zu einer Überlastung der Lichtmaschine, da an den Batteriepolen nie die volle Ladespannung erreicht wird.

Daher besteht der erste Schritt bei der Diagnose eines Problems mit der Ladegeschwindigkeit einer Lichtmaschine darin, den Ladezustand (SOC) und den Gesundheitszustand (SOH) der Batterie zu testen. Wenn die Batterie den SOC-Test nicht besteht, sollte sie mit einer Geschwindigkeit aufgeladen werden, die die Batterie nicht überhitzt. Beachten Sie, dass moderne AGM-Batterien (Absorbed Glass Mat) niedrigere Ladespannungen und Stromstärken erfordern, um eine Überhitzung der Batterie zu verhindern. Befolgen Sie in jedem Fall immer die Ladeempfehlungen des Herstellers oder verwenden Sie ein „intelligentes“ Batterieladegerät, das die Ladegeschwindigkeit auf den Batterietyp programmiert.

Schließlich beginnen die Batterien nach dem Einbau allmählich an Leistung zu verlieren. In vielen Fällen sind Batterien um bis zu 25 % unterbewertet, um der normalen Verschlechterung aus Garantiegründen Rechnung zu tragen. Um die Verschlechterung der Batterie zu kompensieren, haben einige neuere Fahrzeugmodelle eine adaptive Strategie in ihr Ladesystem integriert, die die Laderate der Lichtmaschine an den SOH der Batterie anpasst. Wenn die Batterie durch eine neue ersetzt wird, benötigt das Ladesystem einen Diagnose-Tester, um den SOH der neuen Batterie „neu zu lernen“.

Viele moderne Ladesysteme verfügen über „Entkoppler“-Riemenscheiben, die als Freilaufkupplungen fungieren und es der Lichtmaschine ermöglichen, weiter zu drehen, während der Motor abbremst. Dieser Entkopplungseffekt reduziert Belastungen und Vibrationen am Keilrippenriemen und an den Antriebsriemenscheiben. In manchen Fällen kann es zu einem Festfressen des Entkopplers kommen, was zu Riemenvibrationen führen kann. In anderen Fällen kann der Entkopplungsmechanismus vollständig ausfallen, was zu einem Zustand ohne Ladung führt.

Während der in modernen Keilrippenriemen verwendete EPDM-Gummi normalerweise nicht reißt und ausfranst, wenn er altert, kann er sich so weit abnutzen, dass die Rippen der Antriebsriemenscheiben aus Stahl auf den Rippen des Riemens aufliegen. In vielen Fällen kann diese Art von Verschleiß dazu führen, dass der Riemen bei hoher Ladebelastung durchrutscht, ohne dass es zu einem normalen Riemenquietschen kommt. Die meisten Riemenhersteller bieten einfache Rippenverschleißmessgeräte an und einige bieten sogar Smartphone-Apps an, mit denen der Riemenverschleiß mithilfe der Kamerafunktion des Telefons sofort beurteilt werden kann.

Da die Ladesysteme vieler moderner Fahrzeuge computergesteuert sind, empfehle ich den Anschluss eines Diagnosegeräts für die Erstdiagnose eines Ladesystemausfalls. Wenn das Ladesystem vom PCM gesteuert wird, wird wahrscheinlich ein entsprechender Fehlercode gespeichert. Wenn Sie mit dem PCM-gesteuerten Ladesystem des Fahrzeugs nicht vertraut sind, konsultieren Sie Ihre Serviceinformationen für detailliertere Informationen.

Bestätigen Sie immer die angezeigten Spannungsparameterdaten des Ladesystems, indem Sie das System laden, indem Sie das Zubehör und die Außenbeleuchtung aktivieren und dann die Spannung an der Batterie prüfen. Wenn die Spannung schwankt, ist möglicherweise die Verkabelung des Ladesystems oder das PCM selbst defekt.

Während Sie Ihr Voltmeter in der Hand haben, prüfen Sie, ob ein Spannungsabfall im Erdungssystem vorliegt, indem Sie es zwischen Batterie B- und dem Generatorgehäuse oder einer Motormasse anschließen. Und wenn Sie schon dabei sind, führen Sie den gleichen Test zwischen B- und Karosserie-/Fahrgestellmasse durch. Überprüfen Sie auf ähnliche Weise den Spannungsabfall von der Batterie B+ zum Generator B+. Bei beiden Tests sollte ein Spannungsabfall von weniger als 0,5 Volt angezeigt werden.

Wenn der oben genannte B+-Test einen offenen Stromkreis anzeigt, überprüfen Sie den Durchgang der Maxi-Sicherung des Ladesystems, die sich im Sicherungskasten unter der Motorhaube befindet. Diese Sicherung hat eine Kapazität von mindestens 100 Ampere. Frühere Lichtmaschinen waren als Stromkreisschutz über eine Schmelzsicherung mit der Batterie verbunden. Ein einfacher Test besteht darin, an der Silikonisolierung des Schmelzlots zu ziehen. Wenn sich die Isolierung ausdehnt, brennt der innere niedrigschmelzende Draht in zwei Teile.

Wenn die Lichtmaschine nicht lädt, testen Sie zunächst die Sicherung des Spannungsreglers der Lichtmaschine. In einigen Anwendungen versorgt diese Sicherung den Spannungsregler, während sie in anderen Anwendungen direkt den Feldstromkreis des Generators mit Strom versorgt. Um temperaturbedingte Ausfälle zu erkennen, lassen Sie die Lichtmaschine stets auf Betriebstemperatur erwärmen, indem Sie den Motor mit voller Beleuchtungs- und Zubehörlast laufen lassen. Wenn die Sicherung des Spannungsreglers einen offenen Stromkreis testet, kann es zu einem Kurzschluss am Spannungsregler, in der Verkabelung oder in manchen Fällen auch im Feldstromkreis im Rotor des Generators kommen. Wiederholte Ausfälle des Spannungsreglers werden im Allgemeinen durch einen Masseschluss im Generatorrotor selbst verursacht.

Die meisten Lichtmaschinentests werden im heißen Zustand bei einer Motordrehzahl von 2.500 U/min durchgeführt. Wenn die Lichtmaschine unter diesen Bedingungen die Nennlast nicht tragen kann, kann ein rutschender Antriebsriemen oder eine defekte Lichtmaschinendiode vermutet werden. Wenn die Lichtmaschine einen intermittierenden Ladezustand erzeugt, vermuten Sie fehlerhafte Kabelverbindungen oder, was häufiger vorkommt, verschlissene oder festsitzende Kohlebürsten.

Bei computergesteuerten Systemen ist darauf zu achten, dass die Lichtmaschine für den Einsatzzweck absolut geeignet ist. Selbst wenn der Kabelbaumstecker an den Spannungsregler der Lichtmaschine angeschlossen würde, könnte es sein, dass die PCM-Software den Spannungsregler nicht erkennt oder nicht mit ihm kommunizieren kann.

Und vergessen Sie nicht, dass bei jeder routinemäßigen Wartung eines Fahrzeugs der SOC und der SOH der Batterie getestet werden sollten, um sicherzustellen, dass die Batterie in gutem Zustand ist. Eine Batterie, die sich in einem schlechten Zustand befindet, sollte nicht nur ausgetauscht werden, um die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs wiederherzustellen, sondern auch, um die Belastung des Ladesystems zu verringern.