Moderne laadsystemen en 48 volt: wat je moet weten over slimme dynamo

Een generator van nu werkt heel anders dan een generator van een jaar of tien geleden. Ook kom je steeds meer 48 volt generatoren tegen. Theo Hagelaar van Valeo praatte leden van ATC Oost Brabant bij over de ontwikkelingen.
Delen:
Omdat de 48V iBSG als generator en elektromotor fungeert, verandert het krachtenspel in de aandrijfriem. Vandaar dat er twee spanrollen zijn, die op een schommelconstructie zijn geplaatst.

Veel mensen denken dat autofabrikanten enorm veel research- en ontwikkelingswerk verrichten. “Dat is maar ten dele waar”, laat Theo Hagelaar weten. “75 procent van de innovaties in de autotechniek zijn afkomstig van toeleveranciers als Valeo.” Dit van oorsprong Franse merk is OE-hofleverancier van bijna alle grote automerken en is ook een belangrijke speler op de universele vervangingsmarkt. Het bedrijf heeft wereldwijd inmiddels 55 R&D-centra en 184 fabrieken in 30 landen, met 15 distributiecentra. Daarvan staat er in het Brabantse Helmond.

Het portfolio van Valeo is aan het veranderen, van conventionele producten als generatoren, startmotoren, radiatoren, koplampen en koppelingen naar elektrificatie en ADAS, systemen die voorbodes zijn van zelfrijdende auto’s, zoals lange change systems, intersection management, motorbike detection, bike handling, traffic management, pedestrian handling en navigatie.

Daarbij wordt gebruik gemaakt van ultrasone sensoren, radar, lidar, laser, camera’s en van 3D deap learning technology. Er zijn nu zelfs systemen die naast vermoeidheid van de rijder ook de symptomen van Covid kunnen herkennen…

Slimme generator

De 48V iBSG is een generator die ook als elektromotor kan dienen. Doordat deze bijna hetzelfde formaat heeft als een gewone generator, kan deze gemakkelijk in het conventionele autoplatform worden geïntegreerd.

Een van de producten die ook ‘slimmer’ zijn geworden, is de generator – ook wel dynamo genoemd, al is dat volgens puristen niet juist. Dat is niet meer de generator van vroeger, die begon te laden als de motor liep en die daarmee doorging tot de batterij vol was.

“Sterker nog”, vertelt Theo, “in sommige gevallen laadt hij helemaal niet. Een monteur denkt dan al gauw dat de generator kapot is, maar dat is dan vaak niet zo. Wij hebben een eigen revisiefabriek, daar blijkt dat 40 procent van de geretourneerde generatoren niet kapot is!

Smart Charging System

Een moderne, efficiënte generator herken je aan de enkele stroomaansluiting en de LIN communicatiepoort.

De generator van ‘toen’ is dus geëvolueerd tot een smart charging system. Hij laadt alleen als de auto vindt dat dat nodig is, en niet altijd als de batterijspanning onder de 13,8 volt zakt.

Die evolutie heeft natuurlijk te maken met het milieu. Voertuigen vragen steeds meer elektriciteit voor allerlei randzaken zoals stoelverwarming, infotainment en computers. Daardoor is er behoefte aan efficiëntere machines, die helpen brandstof te besparen en emissies te verminderen.”

Meer invloed, minder brandstof

Een conventionele generator laadt altijd met 14 volt en aangezien die door de verbrandingsmotor wordt aangedreven, kost dat brandstof. “Een slim laadsysteem laadt tussen de 10 en 16 volt en wordt on demand in- of uitgeschakeld en bijgeregeld”, aldus Theo.

‘Een slim laadsysteem kan 2 gram CO2 per km besparen’

“De energievraag kan bovendien worden beïnvloed door het uitschakelen van verbruikers. Een efficiëntere generator kost minder energie en zorgt dus voor een lager brandstofverbruik. Hoe meer invloed je bovendien hebt op het laadproces, hoe meer brandstof je kunt besparen. Een slim laadsysteem kan 2 gram CO₂ per km besparen. De boete voor een autofabrikant is € 95 per gram te veel uitgestote CO₂. Dat is € 190 per auto, dus als VW 6 miljoen Golf 7’s bouwt, scheelt dat € 1,14 miljard. Da’s best veel.”

Drie stadia

Het gedrag van de generator is in drie stadia te verdelen: bij stilstand draait de motor niet, maar veel elektrische systemen staan wel aan. De batterijbewaking, waarvan de sensor op de minpool van de batterij zit, controleert de conditie en het startvermogen van de batterij continu, het herkent de State of Health en de State of Charge. Als het ladingsniveau waarbij de startcapaciteit in gevaar komt nadert, worden er verbruikers uitgeschakeld.

Bij stationair toerental en deellast draait de motor en dus ook de generator. Die levert een laadspanning tussen de 10 en 16,5 volt, dat wil zeggen, als hij laadt. De generator blijft namelijk uitgeschakeld totdat de ECU deze activeert. Bij toerentallen hoger dan stationair wordt er geladen als dat nodig is, maar de ECU zal de generator pas volledig inschakelen wanneer er op de motor wordt afgeremd: de injectie wordt dan sowieso onderbroken en de motor en generator worden aangedreven door de kinetische energie van de auto. De batterij wordt dus zoveel mogelijk geladen zonder dat dit brandstof kost.

Bij vollast wordt de generator weer uitgeschakeld, zolang de batterij boven de kritische ladingstoestand blijft. Op die manier verliest de motor geen vermogen aan de aandrijving van de generator en wordt al het vermogen voor de aandrijving van de auto zelf gebruikt voor optimale acceleratie.

“40 procent van de generatoren die wij retour krijgen voor revisie blijkt niet kapot te zijn”, aldus Theo Hagelaar, technisch trainer van Valeo.

Regeling

De generator en de verbruikers worden aangestuurd via de Body Control Module en het CAN-bus-netwerk. De spanningsregelaar wordt via een enkele draad met een LIN-netwerk met de ECU verbonden. Er vindt dus eenrichtingscommunicatie van de regelaar naar de ECU plaats.

LIN staat voor Local Interconnect Network, een soort CAN-subbussysteem dat werkt op een serieel communicatieprotocol, dat niet is gestandaardiseerd. Dat betekent dat elke fabrikant er zijn eigen invulling aan kan geven. Het protocol werkt met frame-pakketjes, net als CAN-bus, met een startbit, een synchronisatie, een boodschap, controle en een eindframe.

Master en slave

Het maakt gebruik van het master/slave-model. De master (ECU) geeft commando’s. De slave, bijvoorbeeld een spanningsregelaar, reageert op die commando’s die voor hem bedoeld is. Elke node gebruikt alleen de boodschap die hij herkent als een voor hem bedoelde boodschap.

Het LIN-protocol is tijdgestuurd. Dat wil zeggen dat periodiek dezelfde reeks frames wordt uitgezonden. Bij elke reeks werken de master en de slave de verzonden en ontvangen data bij. Je herkent de ‘slimme’ generator aan de aansluitingen: een conventionele heeft een W, D+ B+ aansluiting, de slimme generator een Com/LIN-poort en een B+.

Een conventionele generator herken je aan de aansluitingen: B+, D+ en W.

Belangrijk is dat je een dergelijke generator niet zomaar kunt vervangen door een ander type of een exemplaar met een ander vermogen. De communicatietaal is anders. Je moet hetzelfde type gebruiken, of de nieuwe versie ervan. Ze zijn altijd upwards compatible, terug vaak niet.

Diagnose

Hoe weet je nu of je generator nog laadt, of dat je laadsysteem een ander probleem heeft? “Er zijn specialistische testapparaten, die LIN-regelaars kunnen testen. Die zijn prijzig en zijn niet altijd bruikbaar”, vindt Theo. “Maar het kan ook anders. Ga met je diagnosetool naar sectie ‘Generator Klem L’, sluit een voltmeter aan en start de test. Het voltage zal wijzigen, het loopt op.

Wanneer je de test stopt, zal het voltage op de actuele waarde stabiliseren. Is er geen communicatie, controleer dan alle aansluitingen, de zekeringen, de Spybat-sensor en de B+ en COM/LIN-aansluitingen op de generator op oxidatie en draadbreuk, check de massaverbinding van de motor. Controleer ook of de gemonteerde generator compatible is.”

Nog meer testen

Theo kent nog een aantal testen. : “Je kunt de Spybat-sensor losnemen. De generator gaat dan in noodloop en gaat maximaal laden. Doe dat niet meer dan 30 seconden, want dan wordt de generator veel te heet”, waarschuwt Theo.

Als de batterij kritisch wordt, gaat de generator laden

Een veiligere methode is om zoveel mogelijk zware verbruikers bij stationair toerental in te schakelen. “Als de batterij kritisch wordt, gaat de generator laden. Het zal even duren voor het effect meetbaar wordt.”

Praktijk

Theo weet nog een paar leuke voorbeelden: “Bij Ford wordt alles geregeld door de Power Command Module, met als parameters de motortemperatuur, de batterijtemperatuur en de elektriciteitsbehoefte.

Als de generator geen signaal van de PCM krijgt, licht het batterijlampje op. Dat is geen teken dat de generator niet laadt, maar dat er geen communicatie is. Kijk dan eerst of het juiste type batterij is gemonteerd. Is dit geen Silver Calcium, dan gaat het mis. Verder kun je met contact af de 3-pins PCM-plug losnemen. Controleer dan of de generator laadt, weer niet langer dan 30 seconden. Als hij laadt, is de generator okee. Vaak is de kabelboom doorgeschuurd bij deze auto’s.

Dynamo-diagnose Mercedes ML

Nog een voorbeeld: bij de Mercedes-Benz ML, type W164, krijg je foutcode P2266. Dat is een fout in het verzenden van het LIN-bericht. De generator was nieuw. Het bleek extreme corrosie van de hoofdstekker van de PCM. Er was water binnengedrongen als gevolg van eerdere schade. Dus: zorg altijd voor goede en deugdelijke verbindingen en ga zorgvuldig om met draden en connectoren.”

48 volt-architectuur

Sinds een paar jaar worden auto’s van Jaguar, Land Rover, Audi, VW, Hyundai en Kia al uitgerust met een Valeo 48V iBSG, oftewel Integrated Belt Driven Starter Generator. Inmiddels rijden er al een miljoen auto’s met deze riem-aangedreven starter/generator rond. De reden is dat dit een gemakkelijk integreerbare techniek is waarmee CO₂ kan worden bespaard in zogenaamde ‘mild hybrids’.

Bij mild hybrids wordt remenergie teruggewonnen, terwijl de e-motor de verbrandingsmotor ook lichte ondersteuning kan bieden en in beperkte mate kan aandrijven, met een vermogen tot 15 kW. Bij de Valeo iBSG gebeurt dat via een multiriem, maar er zijn meerdere constructies, zoals een off-centre module, een versnellingsbakmotor of een e-drive op de achteras.

Watt

Elektrisch vermogen is stroom maal spanning. Watt = volt x ampère dus. Als je veel vermogen nodig hebt, moet je bij een lage spanning hoge stromen laten lopen, of lage stromen bij een hoge spanning.

Het 12V-netwerk kan de stroomvraag niet meer aan.

Daar zit hem de crux: “Het 12V-netwerk kan de stroomvraag niet meer aan. De kabels worden heet, accu’s kunnen de remenergie niet snel genoeg opslaan. Bij 48V zijn er lagere stroomsterkten voor hetzelfde vermogen nodig. Dat maakt hybride oplossingen mogelijk. Een iBSG heeft het formaat van een 12V-generator en 48V is nog gewoon laagspanning, daardoor kan het eenvoudig worden geïntregreerd in de auto en heeft het geen invloed op het onderhoud.

48V biedt 70 tot 95 procent van de efficiëntie van een hoogspanningssysteem tegen 30 tot 60 procent van de kosten. Een basismotor die met 100 pk 140 gram CO₂ uitstoot, kan met een iBSG naar 80 pk en 100 gram CO₂. Dat scheelt veel voor weinig kosten.”

Componenten

Het 48V-boordnet bestaat uit een 48V-generator, een 48V lithium-ion batterij en een DC/DC-convertor, die de gateway naar het ook aanwezige 12V-boordnet is.

Auto’s met 48 volt hebben naast het 48V-boordnet ook nog een 12V-boordnet, zodat alle bestaande apparatuur ook kan worden gebruikt. De spanning tussen de beide netten wordt gecontroleerd door een DC/DC-omvormer, die zorgt dat de 48V lithium-ion batterij wordt opgeladen en dat ook de 12V-accu van het tweede boordnet geladen wordt.

De lithium-batterij is voorzien van luchtkoeling met een ventilator. Een auto met 48V iBSG start in eerste instantie op een conventionele 12V-startmotor. Het 12V-systeem maakt ook het 48V-systeem wakker: dat systeem is uitgeschakeld en wordt door het 12V-systeem ‘aangesloten’.

Is de motor eenmaal gestart, dan start hij daarna op de iBSG. Die kan dat sneller en stiller. Hij kan de motor bij een hoger toerental uit- en inschakelen: “Als je bij 2.000 tpm het gas loslaat, slaat de motor af en wordt de transmissie ontkoppeld, geef je gas dan start de motor weer en merk je niet eens dat hij uit is geweest”, aldus Theo.

De iBSG ondersteunt de motor verder ook, bij vol gas zorgt hij voor een koppelvergroting en als je bergaf coast, dan remt de auto af op de iBSG. Je kunt er bij lage snelheid ook een klein stukje elektrisch op rijden.

Constructie

Het verschil tussen de eerste en de tweede generatie iBSG is dat de eerste versie een aparte regelaar had en dat de elektronica bij de nieuwste versie in de iBSG is geïntegreerd. Hij heeft een eigen plus- en min-aansluiting, plus een COM-poort.

De powermodule werkt met mosfet-transistoren: “Daarmee kun je honderden ampères tot 1.000 volt doorsturen, met heel weinig verlies. Met diodes verlies je 98W, met mosfet maar 2W. Ook dat bespaart weer”. Omdat de generator niet alleen wordt aangedreven, maar zelf ook aandrijft, wordt de riem wisselend belast. De iBSG is daarom voorzien van twee op vaste afstand gemonteerde spanners, die als een geveerde schommel rond de poelie zitten.

Supercharger

Een 48V-architectuur maakt ook een elektrisch aangedreven supercharger mogelijk.

Een 48V-systeem biedt meer opties dan de mild-hybrid-functie alleen: het maakt ook de toepassing van een eveneens door Valeo ontworpen, elektrisch aangedreven supercharger mogelijk. Zo’n charger kun je vanaf stilstand vol laten blazen, zodat je al vanaf laag toerental optimale trekkracht hebt.

Deze kan dan als aanvulling dienen op de gewone turbo, die de drukvulling dan overneemt zodra hij op toeren is: “De elektrische charger is niet bedoeld voor continu gebruik”, stelt Theo, “maar als opvulling van het turbogat bij lage toeren en bij plotseling optrekken, bijvoorbeeld bij een inhaalpoging.

Auto’s krijgen steeds meer assistentiesystemen en andere elektrische componenten. Het stroomverbruik - en daarmee de vraag naar efficiënte generatoren - neemt daardoor toe.

Verder biedt 48 volt de mogelijkheid om andere aggregaten van de krukas af te halen, zoals de stuurbekrachtiging, of om andere functies te elektrificeren, zoals anti-rollbars, schokdempers en heaters in emissiesystemen.

Er is nog van alles mogelijk! Zo zien we bijvoorbeeld dat 48 volt ook voor nieuwe mobility wordt gebruikt. Voor stadsauto’s zoals de Opel Rock E, e-scooters, de e-rickshaw en e-bikes, die Valeo ook heeft ontwikkeld. Deze heeft zeven in de motor geïntegreerde, automatisch schakelende versnellingen en een koppel van 130 Nm.”