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Der Lüfter

Der Lüfter sitzt vor dem Wasserkühler und sorgt für kühlende Luft falls der normale Fahrtwind nicht ausreicht. Es ist ein Elektromotor mit ca 35Watt Leistung.
Luefter

Der Lüfter wird über eine Elektronik kontrolliert die sich im Cockpit befindet. Ein Sensor im Wasserkreislauf liefert den Temperaturwert. Der Einschaltpunkt liegt bei ca 100°C, wieder abgeschaltet wird bei ca 90°C. Das zugehörige Schaltrelais befindet sich im linken Rahmendreieck nahe der Batterie.
Weitere Infos gibt es noch im Kapitel Wassertemperatursensor.

Nachteile/Besonderheiten

Eine typische Betriebssituation für den Lüfter ist in einem Stau. Das abrupte Einschalten bei 100°C führt dabei zu einigen, je nach Betrachtungsweise mehr oder weniger relevanten, Nachteilen:

- Die extrem heisse Abluft streicht an den Beinen vorbei und ist, besonders im Sommer, sehr unangenehm.

- Das Kühlsystem wird deutlich über die übliche Motor-Normaltemperatur von 80 .. 85°C erhitzt. Alle im Abluftstrom befindlichen Teile (Kunststoffe, Kühlleitungen, Vergaser, etc.) werden erheblich höher belastet als bei normaler Fahrt. Besonders bei Kunststoffen verkürzt das die Lebensdauer.

- Im Leerlauf liefert die Lichtmaschine keinen wesentlichen Beitrag zur Stromversorgung der Elektrik. Das abrupte Einschalten führt bei einer nicht mehr ganz frischen Batterie zu einem erheblichen Spannungseinbruch. Als Folge wird das Cockpit mit zu geringer Spannung versorgt und kann einen Reset machen. Dabei geht teilweise die Uhrzeit verloren und/oder der Tageskilometerzähler.

Die Nachteile sind alle nicht gravierend oder gar kritisch aber man kann sich ja mal Gedanken zur Abhilfe machen.

Die Idee

Das Hauptproblem ist der simple 100°C-Einschalt-Ansatz. Diese Lösung war Stand der Technik als das Konzept der Fazer festgelegt wurde (deutlich vor dem Jahr 2001). Sie ist robust und erfüllt ihren Zweck.

Eine elegantere Lösung wäre es den Lüfter variabel an den Kühlbedarf anzupassen. Als grobe Idee könnte der Lüfter bereits bei 80°C mit geringer Leistung einsetzen und ab 90°C auf volle Leistung schalten. Da solch eine Regelung sowieso im wesentlichen aus Software besteht könnte ohne wesentlichen Mehraufwand auch gleich ein "Sanftanlauf" zur Vermeidung hoher Einschaltströme mit eingebaut werden.

Ein Mikroprozessor ist das Kernstück der Regelung. Der Temperatursensor im Wasserkreislauf ist bereits vorhanden und muss nur angezapft werden. Als Leistungsschalter wird ein sog. High-Side-Switch eingesetzt um parallel zum vorhandenen Relais arbeiten zu können. Dadurch hat man, zumindest für die Testphase, immer noch die serienmässige Schaltung als Sicherheit.

Zur Regelung wird die Betriebsspannung des Lüfters mit einer PWM moduliert. Die hohe Induktivität des Motors führt zu einem sauberen Mittelwert der Ströme und somit der Motorleistung. Verluste in der Elektronik bleiben durch die PWM minimal.

Versuche

Serienmässig wird der Lüfter über ein Relais nach +12V geschaltet, die Masse-Seite ist fest verbunden. Die Regelelektronik ist parallel dazu geschaltet. Mein erster Versuchsaufbau sieht schematisch folgendermassen aus:

Luefter

Der Leistungsschalter ist ein BTS443, ein HighSide-MOSFET-Schalter, Strombelastbarkeit 25A, mit vielen eingebauten Schutzfunktionen. Damit wird die +12V-Spannung des Lüfters geschaltet. Vorgeschaltet ist eine simple Transistorstufe zur Pegelanpassung. An Stelle der Regelelektronik befindet sich ein (schnell "zusammengenagelter") Testgenerator bei dem man Frequenz und DutyCycle beliebig einstellen kann. An seine Stelle kommt später die Regelelektronik. Die Diode sorgt dafür dass der Motorstrom im Ausschaltmoment weiter fliessen kann und keine hohen Spannungsspitzen entstehen.
Zum Kennenlernen des Motorverhaltens habe ich ein paar Oszilloskopbilder geschossen.

Falls nichts abweichendes angegeben zeigt die obere Kurve die Spannung am Motor, die untere Kurve ist das Ansteuersignal des Schalters.

Luefter
Der Schalter ist periodisch für ca 0.3 Sekunden durchgeschaltet und legt Spannung an den Motor. Danach fällt die Motorspannung wieder langsam bis fast auf Null ab. Der Motor befindet sich in einem deutlich "stotterndem" Betrieb und fördert nur wenig Luft. Während der Phase in der die Motorspannung langsam sinkt arbeitet der Motor als Generator, bis sein Schwung aufgebraucht ist.

Luefter
In diesem Bild ist die Frequenz des Schalters deutlich höher eingestellt. Man sieht dass die Motorspannung in den Lücken praktisch konstant bleibt, dort fungiert der Motor als Generator und die Diode hält den Stromfluss aufrecht. Durch die mechanische Trägheit des Motors ergibt sich eine gleichmässige Drehung, und auch der gewünschte Regeleffekt der Motorleistung.
Die gewählten 30Hz scheinen ein geeigneter Wert für eine Regelung zu sein. Über das Puls/Pausen-Verhältnis kann die Leistung gut geregelt werden. Eine untere Grenze liegt bei 10% DutyCycle, bei kleineren Werten läuft der Motor nicht mehr an.
Bei sehr hohen Frequenzen (300 Hz oder höher) scheint der elektronische Schalter und die Diode langsam an ihre Grenzen zu kommen, die Verluste nehmen zu und die Bauteile heizen sich auf.

Luefter
Bei dieser Messung war zur Strommessung ein 1-Ohm Widerstand in die Masseleitung eingesetzt, die obere Kurve zeigt dessen Spannungsverlauf. Die Frequenz war extrem niedrig eingestellt (0.5 Hz) um das komplette Hochlaufverhalten zu sehen. Der Einschaltstrom liegt bei ca 2.8A, danach geht er auf ca 2.3A zurück. Die Spannung am Motor betrug in diesem Fall allerdings nur ca 10V wodurch sich geringere Ströme ergeben. Man erkennt aber das prinzipielle Verhalten mit einem Strom-Peak am Anfang.
Um den hohen Strombedarf beim Anlaufen zu minimieren könnte man versuchen mit kurzen, langsam länger werdenden Impulsen zu arbeiten, und sich verändernder Frequenz.

Ergebnisse

Zuviel Aufwand für den kleinen Vorteil. Weitere Versuche eingestellt.