Start/stopsystemen en energiemanagement

Moderne auto’s zijn voorzien van een start/stopsysteem en energiemanagement. De Europese wetgeving schrijft voor dat nieuwe personenauto’s tijdens de wettelijk vastgelegde rijcyclus gemiddeld niet meer dan 130 gram CO₂ per km mogen uitstoten. Dat geldt voor personenauto’s die vanaf 2012 op de markt zijn gekomen. Uiteraard staan er financiele sancties tegenover als de autofabrikant de voorgeschreven waarden niet haalt.

Start/stopsysteem

In de praktijk komt de werking er op neer dat als een auto bij een rood verkeerslicht stopt, de bestuurder op de rem trapt, het koppelingspedaal bedient en de versnellingshendel in de vrijstand zet, de motor uitschakelt. Dat de auto stilstaat wordt geregistreerd door de wieltoerentalsensor van het Anti Blokkeersysteem (ABS). Zodra het licht weer op groen springt, trapt de bestuurder het koppelingspedaal in om te schakelen. De startmotor gaat dan draaien en de verbrandingsmotor slaat aan. Daarvoor zijn een aantal technische voorzieningen noodzakelijk.

Er moet communicatie zijn tussen startmotor, stand van de versnellingshendel, motortoerentalsensor, ABS-wielsnelheidssensor en natuurlijk de accu en het laadsysteem.

Daarbij komt dat de conventionele accu (de startbatterij) niet aan de eis voldoet dat deze vele malen per rit voldoende startcapaciteit levert. Ook het laadsysteem zal in een korte tijd (steeds weer) de accu voldoende moeten kunnen bijladen. In principe worden aan reeds bestaande onderdelen, zoals accu en laadsysteem, hogere eisen gesteld.

De accu

Zoals al is vermeld wordt een gewone loodaccu bij een dergelijk systeem heel zwaar belast. Accu’s voor het start/stopsysteem zijn anders geconstrueerd dan de conventionele loodaccu’s. Er zijn voor het start-stopsysteem twee uitvoeringen accu beschikbaar:

• de accu met AGM technologie, en
• de accu met EFB technologie.

AGM technologie staat voor de technologie met de Absorbent Glass Mat. Het accuzuur zit in een glasvezel separator. Het elektrolyt kan niet vrij stromen. Het kan dus ook niet naar de bodem van de accu zakken. Dat is dus het probleem bij loodaccu’s waar dat wel gebeurt. Het gevolg is dat het zwavelzuur ook op de accubodem ligt. Het soortelijk gewicht van het elektrolyt is daar dan 1,30 of 1,31 kg/dm³.

Die concentratie van zwavelzuur op de bodem en de verhoging van het soortelijk gewicht heet stratificatie. Het gevolg is dat het plaatmateriaal sneller oxideert. De capaciteit en de levensduur van de accu verminderen heel snel. Daar heeft de accu met AGM technologie dus geen last van. Omdat een start-stopsysteem de accu en het laadsysteem zwaarder belasten is de toepassing van AGM-technologie noodzakelijk. Gebruik je een normale accu in een auto met een start-stopsysteem dan zal die het al heel snel begeven.

Afb. 1 VARTA_Silver_AGM_Dynamic ( � Varta Johnson Controls)

Het nadeel van de accu met AGM technologie is de hoge prijs. Als een autofabrikant een auto uit het lagere segment – zo heet in de autobranche een goedkopere auto – een start-stopsysteem wil inbouwen, dan moet de accu ook niet al te duur zijn. De oplossing is een accu met EFB technologie. EFB is de afkorting van Enhanced Flooded Battery. Dit type accu is een verbeterde conventionele accu. Conventioneel betekent hier ‘met de bekende technische specificaties’. Dus een loodaccu met platen. Maar platen die op een speciale manier in de accubak zijn gemonteerd. Dat zie je in de afbeelding.

Afb. 2 Bosch EFB accu ( � Bosch Media)

Battery Monitor System

Bij de minpool van de AGM-accu zit een microhybride. Dat is de sensor voor het Battery Monitor System (BMS). Die sensor zorgt er voor dat je de BEM-code kunt aanmelden bij het BMS. BEM staat voor Battery Energy Management. Het BMS maakt deel uit van het Energy Management System.

Afb. 3: Microhybride op minpool; batterijsensor (bron: Hella)

Het BMS houdt in de gaten:

• de temperatuur van de accu;
• de ladingstoestand (de SoC, ‘State of Charge’), en;
• het afgenomen vermogen.

De BMS moet daarvoor de specificaties (eigenschappen) van de accu kennen. En die zijn samengevat in de BEM-code.

Met een tester – bijvoorbeeld de VSSP van Varta of de apparatuur van Bosch – kan de code worden uitgelezen en daarmee kan je de accu ook aanmelden bij het BMS.

Afb. 4: Batterijtester Bosch

Laadstroom hoog

Bij een start-stopsysteem met een accu met AGM of EFB technologie zal de accu ook optimaal geladen moeten zijn. Het BMS (Battery Monitor System) heeft de gegevens over de ladingtoestand (SoC, ‘State of Charge’) en het vermogen dat door de elektrische installatie wordt gevraagd. Dat is natuurlijk niet alleen voor het start-stopsysteem, maar ook voor airco, audio-systeem, elektrische raambediening en nog meer van die leuke dingen. Daarmee is de generator ook extra belast. Belangrijk voor de werkplaats is de spanning van de aandrijfriemen. Deze mogen niet slippen. Maar ook de generator moet in topconditie zijn.

Laden en het laadsysteem

Het laadsysteem moet over voldoende capaciteit beschikken om de accu zodanig te laden dat deze genoeg startcapaciteit kan leveren. In dat opzichte wijken de accu’s van een auto met een start/stopsysteem niet af van de accu’s in een auto met een conventioneel start- en laadsysteem. Echter door het energiemanagement is de laadkarakteristiek van generatoren bij een auto met een start/stopsysteem anders dan die van een auto met een conventioneel systeem.

Een automotor draait met verschillende toerentallen. Dus door de constante overbrenging doet de generator (dynamo) dit ook. Dit heeft invloed op de stroom. Een fabrikant van generatoren houdt hier rekening mee en levert de autofabrikant een generator met een stroomkarakteristiek die op een bepaalde automotor en de in die auto gemonteerde stroomverbruikers is aangepast.

De stroom die door de rotor (wisselstroomdynamo) wordt geleverd, is geregeld door de velddioden.

Laadsysteem in het energiemanagement

De generator zoals die bijvoorbeeld door Bosch wordt geleverd, reageert met betrekking tot stroom- en spanningsvoorziening op de belasting. Er is een onderscheid tussen Load Response Start (LRS) en Load Response Fahrt (LRF).

De functie Load Response Start zorgt er voor dat de generator tijdens en vlak na het starten geen stroom levert. Omdat het veld van de generator dan niet wordt bekrachtigd, zal de rotor makkelijk draaien. Daardoor draait de verbrandingsmotor met een acceptabel starttoerental, waardoor deze ook sneller aanslaat. Dat is wel handig bij een start/stopsysteem met tijdens een rit vele startcycli.

De functie Load Response Fahrt zorgt voor het steeds iets verhogen van het afgegeven vermogen van de generator. Dit is belangrijk bij belastingswisselingen door het inschakelen van verbruikers.

Het energiemanagement past de spanning en laadstroom ook aan tijdens het rijden en de daarbij heersende arbeidsomstandigheden.

De start/stop DC/DC converter

DC staat voor direct current. Direct current is gelijkstroom. Een auto met een start/stopsysteem heeft een converter. Normaal hebben we het dan over een AC/DC converter; dus het omzetten van wisselstroom in gelijkstroom. Dat hier sprake is van een DC/DC converter heeft te maken met de aangesloten componenten, zoals elektronische systemen die op het comfort gericht zijn.

De converter – de omzetter – heeft tot doel de (gelijk-)spanning te stabiliseren. Tijdens het starten zal de boordspanning dalen. Als de auto in gebruik is en wil starten nadat het verkeerslicht weer op groen is gesprongen, is het vervelend dat het radiosignaal of navigatie even uitvallen. De omzetter zorgt er voor dat in die situatie de voedingsspanning voor comfortsystemen in stand blijft. Dit zelfs als de boordspanning tijdens het starten tot ongeveer 7,5 V daalt.

Afb. 5: DC/DC converter ( � Hella)

Het vervangen van de accu

De accu speelt een belangrijke rol in het start/stopsysteem. Zodra het starten van de motor niet vlot verloopt, moet de accu gecontroleerd worden. Beoordeel eerst de fysieke toestand van de accu. Is de accubak schoon en heeft deze geen verkleuringen, ligt er geen vocht onder de bak en is het geheel schoon? Hoe is de toestand van de accupolen?

De accu kan het beste getest worden – aanbeveling van Bosch – als deze ten minste 2 uur in rust is geweest. Bosch heeft voor het testen van de start/stopaccu’s de tester BAT 131. De spanning van een goed functionerende accu (bronspanning) moet >12,6 V zijn. Bij deze spanning controleren we ook de startcapaciteit. De startmotor laten we 15 seconden werken. Let op! De motor mag niet aanslaan. De gemeten waarden:

Bij 21 graden omgevingstemperatuur >9,6 V;

Bij 0 graden omgevingstemperatuur >9,0 V;

Bij -12 graden omgevingstemperatuur >8,7 V.

De ruststroom moet <50 mA bedragen.

Komt de accu voor wat de spanning betreft onder een bepaalde drempel, dan zal het start/stopsysteem worden uitgeschakeld.

Volvo (dit ter illustratie) geeft het volgende aan:

Let op!
Bij vervanging van de startaccu of hulpaccu, bij een auto met Start/Stop-systeem, moet u een accu van het juiste type monteren; EFB bij een auto met een handgeschakelde versnellingsbak en AGM bij een auto met een automatische versnellingsbak.
Bij vervangen van een hulpaccu moet u een accu van het type AGM monteren.
Notitie

• Hoe hoger de stroomafname in de auto (extra koeling/verwarming e.d.), hoe meer de accu’s moeten worden bijgeladen = hoe hoger het brandstofverbruik.
• Wanneer de capaciteit van de startaccu tot onder de ondergrens is gedaald, wordt het Start/Stop-systeem uitgeschakeld.

(Bron: Volvo)

Gezien dit voorbeeld kan bij het vervangen van de accu het beste ook de werkplaatsdocumentatie worden geraadpleegd. Uit dat tekstje van Volvo kan je opmaken dat er ook auto’s zijn met een ‘hulpaccu’.

Het aanmelden van de nieuwe accu

De nieuwe accu moet ‘passen’ bij de auto waarin deze gemonteerd zal worden. Natuurlijk of de auto een start/stopsysteem heeft, maar ook een energiemanagementsysteem. Bovendien zijn belangrijk het uitrustingsniveau van de auto en hoe deze wordt gebruikt.

Het energiemanagementsysteem is berekend op een bepaalde accucapaciteit. Een te kleine accu zal worden overladen met als gevolg gasvorming en sulfateren van de platen. Een accu met een te hoge capaciteit zal nooit volledig worden geladen. Het gevolg is dat de platen gaan sulfateren. De accu zal dan nooit de gewenste levensduur bereiken.

Elektronische Batterij Sensor (EBS)

De elektronische batterijsensor (EBS) maakt onderdeel uit van het energiemanagementsysteem. De hoofdtaak van die sensor is het bewaken van de ladingtoestand van de accu. Daardoor wordt een diepteontlading voorkomen en wordt het laadproces (in combinatie met de generator) optimaal uitgevoerd. De sensor houdt dus ook in de gaten of de accu voldoende capaciteit heeft om het start/stopsysteem te laten werken. Is de ladingtoestand te laag, dan wordt het start/stopsysteem niet geactiveerd.

Communicatie binnen het energiemanagement

De componenten die deel uitmaken van het energiemanagement moeten met elkaar communiceren om het start/stopsysteem te kunnen laten functioneren. Deze communicatie gebeurt van een netwerk (CAN-bussysteem, FlexRay, MOST, Byteflight, etc.) Ook kan dit met een eenvoudig systeem zoals een LIN-bus of rechtstreeks zonder netwerk.

CAN-bus

Het meest toegepast is het CAN-bussysteem. CAN is de afkorting van Controller Area Network. Het bestaat uit normaal koperdraad waar doorheen digitale boodschappen worden gestuurd. Op het netwerk zijn de verschillende elektronisch aan te sturen onderdelen aangesloten. Deze worden geactiveerd door de kleine spanning die vanuit een regelapparaat wordt afgestuurd. Om kort te gaan; dit is in de vorm van een gecodeerde boodschap. Het systeem geeft aan die boodschap ook een prioriteit mee. Zo worden veiligheidssystemen die op het netwerk zijn aangesloten als eerste bediend en de rij sluit met comfortsystemen. De snelheid van overdracht is ook verschillend als het om motorregel-/veiligheids- of comfortsystemen gaat.

Ter illustratie; als een start/stopsysteem de opdracht ontvangt om te gaan werken (het verkeerslicht springt op groen), dan moet dat ook onmiddellijk gebeuren. Als het hiervoor nodig is dat (bijvoorbeeld) de airconditioning uitgeschakeld wordt, dan moet dat maar. Dit is bij de meeste auto’s inmiddels ondervangen door de converter (zie ‘start/stop DC/DC converter’), maar is de boordspanning dusdanig laag, dan zal het start/stopsysteem worden uitgeschakeld (zie onder ‘Notitie’, de mededeling van Volvo). Dat wil zeggen dat bij een rood verkeerslicht als de bestuurder de versnelling in de vrij zet en de koppeling loslaat, ook de motor niet zal worden uitgeschakeld.

Het netwerk heeft dus aansluitingen naar motorregeleenheid, rempedaalschakelaar, transmissie, de batterijsensor (laadtoestand van de accu), converter, laadsysteem en natuurlijk het startsysteem.

Hoe de verschillende signalen worden verdeeld over de diverse componenten en deelsystemen gebeurt in principe met interfaces en gateways. Dit verder uit te diepen valt buiten het onderwerp van deze column.

Storingen

Storingen in het start- en laadsysteem kunnen over het algemeen te lijf worden gegaan met de conventionele storingsdiagnoses zoals die ook bij auto’s zonder start/stopsysteem worden toegepast.

Bij storingen in het start/stopsysteem is het zaak eerst aandacht te besteden aan de ladingtoestand van de accu(‘s). Biedt dit geen oplossing dan zal er een diagnose van het start/stopsysteem moeten plaatsvinden, inclusief dat van het netwerk. Hiervoor zal er een diagnosetester aan te pas moeten komen en wellicht een scoop.

Atte Roskam