Lader (Elektrotechnik)

Ein Laderegler oder eine Ladeschaltung hat die Aufgabe, das Ladeverfahren zum Aufladen von Akkumulatoren technisch umzusetzen. Diese Verfahren sind zum Teil genormt.

Aufbau und Funktion

Die verschiedenen Akkumulatortypen benötigen auch verschiedene Ladeverfahren. Dies wird in aktuellen Konzepten durch Leistungselektronik erreicht, während ältere Laderegler in Kraftfahrzeugen mit Gleichstromlichtmaschine auch elektromechanisch arbeiteten. Sie hatten Schaltspulen, ähnlich wie Relais, außerdem Schaltkontakte, von denen einer den Akku bei stehender Lichtmaschine trennte (Rückstromschalter) und der andere durch laufendes Ein- und Ausschalten den Erregerstrom der Lichtmaschine steuerte.

Aufgaben des Ladereglers bzw. einer Ladeschaltung sind:

• Verhindern des Überladens, beispielsweise beim Bleiakku und beim Lithium-Ionen-Akkumulator durch die Begrenzung der Ladespannung
• Begrenzung des Ladestromes, teilweise abhängig vom Ladezustand und/oder der Temperatur

Aufwändigere Laderegler benutzen teilweise mehrere Parameter zur Ladungssteuerung:

• Temperatur
• Spannung
• Kapazität
• Zeit
• Ladestrom

Komplexe Laderegler lassen sich mit einem Mikroprozessor oder einem speziellen Lade-IC realisieren. Jene Ladeschaltkreise beinhalten alle Steuer- und Schutzfunktionen, die für den jeweiligen Akkumulatortyp erforderlich sind, teilweise benötigen sie keine externen leistungselektronischen Bauelemente. Sie besitzen teilweise Eingänge zur Auswertung von zum Beispiel in Lithiumakkus eingebauten Temperatursensoren. Solche Regler sind z. B. in der Lage, den angeschlossen Akku zu erkennen, eventuelle Fehler zu diagnostizieren und die Lade-Parameter dementsprechend anzupassen. So kann beispielsweise nach dem Ende des eigentlichen Aufladevorganges in einen Erhaltungsladungsmodus umgeschaltet werden, um die Selbstentladung des angeschlossenen Akkus auszugleichen und so eine Lagerung ohne Ladungsverlust zu ermöglichen.

Laderegler in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor

Laderegler (geöffnet, Dickschicht-Schaltkreis), wie er heute an Drehstromlichtmaschinen von KFZ gebräuchlich ist

Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor besitzen üblicherweise einen Bleiakkumulator (Starterbatterie), der im Konstantspannungs-Verfahren geladen wird. Die Ausgangsspannung des Generators hängt stark von dessen Antriebsdrehzahl und der angeschlossenen Last ab; daher ist es notwendig, zur Vermeidung von zu hoher oder zu niedriger Spannung einen Laderegler einzusetzen.

Der Regler steuert dabei über die Erregerspannung den Strom und damit die magnetische Feldstärke in der Erregungswicklung so, dass bei beispielsweise steigender Last oder fallender Drehzahl der Erregerstrom erhöht und somit die Ausgangsspannung konstant gehalten wird.

Der Laderegler hat somit folgende Aufgaben

• Regelung der von der Lichtmaschine erzeugten Spannung
• Schutz vor Überlastung durch zu hohen Ausgangsstrom
• Schutz vor Rückstrom

Regelung des Erreger-Magnetfeldes

Bei Generatoren mit elektromagnetischer Erregung hängt der Ausgangsstrom außer von der Drehzahl und der angeschlossenen Last auch direkt vom Strom in der Erregerwicklung ab. Bei dieser Generator-Bauart lässt sich die Laderegelung durch Beeinflussung des Erregerstroms realisieren.

Diese Ausführung ist am gebräuchlichsten.

Elektromechanischer Laderegler

Die Regelung erfolgt durch einen elektromagnetisch arbeitenden Lichtmaschinenregler. Die Beeinflussung des Erregerstroms wird durch ständiges Öffnen und Schließen eines die Erregerspule speisenden Kontaktes erreicht. Wie bei einem Schaltregler glättet die Erregerspule aufgrund ihrer Induktivität den Erregerstrom. Wenn der Gleichstromgenerator aufgrund zu geringer Drehzahl eine kleinere Spannung erzeugt als diejenige der Fahrzeugbatterie, trennt der Rückstromschalter durch einen Schaltkontakt die Verbindung des Generatorausgangs zur Batterie. Ausreichend belastbare Halbleiterdioden als Ersatz für den Rückstromschalter standen im Zeitalter der Gleichstromlichtmaschine noch nicht zur Verfügung. Mechanische Regler verursachen Störungen durch Schaltfunken, sind störanfällig und reagieren langsam, weswegen seit den frühen 1970er Jahren in Neufahrzeugen elektronische Regler verbaut werden.

Elektronische Laderegler

Blick auf den Laderegler (Pfeil) an einer Lichtmaschine

Bei Drehstrom-Lichtmaschinen wird das elektrisch erzeugte Erregerfeld des Lichtmaschinen-Rotors durch einen angebauten elektronischen Laderegler beeinflusst. Dieser bildet eine Einheit mit der Halterung der Kohlebürsten, die den Erregerstrom auf die Schleifringe des Rotors übertragen.

Der Regler vergleicht die gleichgerichtete Ist-Spannung des Generators mit einer reglerinternen stabilen Referenzspannung und passt die Stärke des Erregerfeldes (Erregerstrom) durch mehr oder weniger starken Stromfluss (PWM, Schaltregler) so an, dass die Ist-Spannung des Generators last- und drehzahlunabhängig konstant bleibt. Dabei wird lediglich die Spannung des Rotor-Elektromagneten geregelt, der zugehörige Generatorstrom ergibt sich direkt durch den konstruktionsbedingten Innenwiderstand der Statorspulen nach dem Ohm'schen Gesetz.

Eine thermische Überwachung begrenzt den Strom für den Fall ungenügender Kühlung.

Material- und konstruktionsbedingt ist die magnetische Flussdichte des Rotors begrenzt. Daher wird im Regler als Kenngröße die Höhe der zulässigen Magnetisierspannung bei der Herstellung hinterlegt. Zweck ist, die Sättigungsmagnetisierung des Rotor-Elektromagneten nicht zu überschreiten, welche sonst ohne Mehrleistung lediglich zum unnötigen aufheizen des Elektromagneten führen würde.

Regelung des induzierten Stroms

Bei Wechselstrom- oder Drehstrom-Generatoren mit Permanentmagnet-Erregung wird der Ausgangsstrom des Generators so geregelt, dass sich die gewünschte Ladespannung am Akku einstellt.

Dies geschieht üblicherweise durch Thyristoren, die den Ladestrom je nach Ladereglerkonzept entweder zeitweise unterbrechen oder die den Generator zeitweise kurzschließen, um den (mittleren) Ladestrom zur Batterie zu regeln. Die Thyristoren sind dabei gleichzeitig Bestandteil des Gleichrichters, der für die nötige Umwandlung des Wechsel- oder Drehstroms am Ausgang des Generators in Gleichstrom sorgt. Diese Ausführung ist häufiger bei Krafträdern vorzufinden.

Die Statorspulen sind dreiphasig verschaltet und nur 3 Leitungen führen aus dem Gehäuse heraus. Der Regler ist extern verbaut. In der Praxis wird die erzeugte Spannung von der speziellen Ausführung des "Reglers" kurzgeschlossen, wenn sie die Ladespannung des Bleiakkus erreicht hat. Dieser Kurzschluss der überschüssigen Leistung wird z.T. im Regler, hauptsächlich jedoch in den Statorspulen selbst in Wärme gewandelt. Um die Wärme abzuführen, werden diese üblicherweise in einem Ölbad betrieben. Trotzdem können Spulen durch Überhitzung ausfallen, weil der Isolierlack zerstört wird. Energetisch ist diese Bauform ungünstig, da permanent die volle Leistung erzeugt und - falls nicht abgenommen - dann verheizt wird. Je nach Ausführung bis zu 400 Watt. Die hier eingesetzten "Regler" sind - technisch betrachtet - Überspannungskurzschliesser.

Fachliteratur

Fachbücher

• Norbert Adolph, Autoelektronik / Grundlagen und Bauvorschläge, Verlagsgesellschaft Schulfernsehen, Köln, ISBN 3-8025-1128-X
• Dipl. Ing. Jürgen Kasedorf / Richard Koch, Service-Fibel für die Kfz-Elektrik, Vogel Buchverlag, ISBN 3-8023-1881-1

Fachbroschüren

• Bosch Technische Unterrichtung Generatoren, Robert Bosch GmbH Stuttgart, VDT-UBE 301/1 De (1.80)

Siehe auch

• Ladegerät
• Balancer