Der elektrische Strom im Kfz

In einem Metall wie Kupfer sind einige Elektronen nicht fest an ihre Atome gebunden. Diese freien Elektronen bewegen sich normalerweise ungeordnet hin und her. Legt man eine Spannung an, bekommen sie eine gemeinsame Richtung: Es fließt ein elektrischer Strom.

Die Stromstärke gibt an, wie viel elektrische Ladung pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt fließt. Ihre Einheit ist das Ampere (A), benannt nach dem französischen Physiker André-Marie Ampère.

Strom fließt nur in einem geschlossenen Stromkreis: von der Spannungsquelle über die Leitung zum Verbraucher und wieder zurück zur Quelle. Wird der Kreis irgendwo unterbrochen, durch einen Schalter, eine durchgebrannte Sicherung oder einen Kabelbruch, fließt nirgendwo mehr Strom.

Im Fahrzeug spart man sich die Rückleitung meist: Der Minuspol der Batterie ist mit der Karosserie verbunden, und die Verbraucher sind an der Karosserie „an Masse gelegt“. Der Strom fließt über das Blech zurück. Deshalb sind saubere Masseverbindungen für die Funktion genauso wichtig wie die Plusleitungen.

Zwei Stromrichtungen

Als man die Elektrizität erforschte, wusste man noch nichts von Elektronen und legte fest: Strom fließt von Plus nach Minus. Diese technische Stromrichtung wird bis heute in Schaltplänen verwendet. Tatsächlich bewegen sich die Elektronen umgekehrt, von Minus nach Plus. Für Berechnungen und Schaltpläne spielt das keine Rolle, solange man eine Richtung konsequent verwendet.

Den Strom selbst kann man nicht sehen. Man erkennt ihn an seinen Wirkungen, und jede davon wird im Fahrzeug genutzt. Tippe auf eine Karte.

Beim Gleichstrom fließt der Strom immer in dieselbe Richtung. Das Bordnetz eines Fahrzeugs ist ein Gleichstromnetz, gespeist von Batterie und Generator.

Beim Wechselstrom ändert der Strom ständig seine Richtung, meist sinusförmig. Wie oft er das pro Sekunde tut, gibt die Frequenz in Hertz an. Im Fahrzeug kommt Wechselstrom an mehreren Stellen vor:

• Generator: erzeugt Drehstrom, also drei zeitlich versetzte Wechselströme. Eingebaute Dioden richten ihn in Gleichstrom für das Bordnetz um.
• Elektroantrieb: Ein Wechselrichter macht aus dem Gleichstrom der Hochvoltbatterie einen Drehstrom mit veränderlicher Frequenz für den Elektromotor.
• Induktive Sensoren: liefern eine Wechselspannung, deren Frequenz der Drehzahl entspricht.

Eine Mischform ist der pulsierende Gleichstrom, etwa bei der PWM-Ansteuerung von Lüftern oder Lampen: Der Strom fließt immer in dieselbe Richtung, wird aber sehr schnell ein- und ausgeschaltet.

Um einen Strom zu messen, muss er durch das Messgerät fließen. Das Amperemeter wird deshalb in Reihe in den Stromkreis geschaltet: Man trennt den Kreis auf und setzt das Messgerät in die Lücke.

1. Messbereich wählenDrehschalter auf Gleichstrom (A mit geradem Strich) stellen, im Zweifel mit dem größten Bereich beginnen.
2. Richtige BuchseRote Messleitung in die Strombuchse stecken, für große Ströme meist die mit 10 A oder 20 A beschriftete Buchse.
3. Kreis auftrennenZum Beispiel die Sicherung ziehen und das Messgerät mit einem Adapter an die beiden Kontakte der Sicherungsaufnahme anschließen.
4. Zeitlimit beachtenViele Messgeräte dürfen im 10-A-Bereich nur kurz messen, typisch einige Sekunden bis wenige Minuten.
5. Leitung zurücksteckenNach der Messung die Messleitung wieder in die Spannungsbuchse stecken. Sonst wird bei der nächsten Spannungsmessung ein Kurzschluss erzeugt.

Stromzange

Eine Stromzange wird einfach um eine Leitung gelegt und misst das Magnetfeld des Stroms. Der Stromkreis muss nicht aufgetrennt werden. Für Gleichstrom braucht man eine Zange mit Hall-Sensor, reine Wechselstromzangen zeigen bei Gleichstrom nichts an. Wichtig: Nur eine Ader umschließen, nicht die ganze Leitung mit Hin- und Rückleiter, sonst heben sich die Magnetfelder auf.

Fließt durch eine Leitung mehr Strom als vorgesehen, etwa durch einen Kurzschluss, wird sie heiß. Die Isolierung schmilzt, im schlimmsten Fall brennt das Fahrzeug. Die Sicherung schützt die Leitung: Sie enthält einen Schmelzleiter, der bei zu großem Strom durchbrennt und den Kreis unterbricht.

Für sehr hohe Ströme gibt es Streifen- und Schraubsicherungen, oft direkt am Batteriepol. In modernen Fahrzeugen übernehmen zunehmend elektronische Schalter in Steuergeräten die Aufgabe der Sicherung. Sie messen den Strom und schalten bei Überlast ab.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Die Elektronen im Leiter bewegen sich erstaunlich langsam. Ihre mittlere Geschwindigkeit in Stromrichtung, die Driftgeschwindigkeit, ergibt sich aus der Stromstärke, dem Querschnitt und der Dichte der freien Elektronen:

Stromdichte

Für die Erwärmung eines Leiters ist nicht die Stromstärke allein entscheidend, sondern der Strom pro Querschnittsfläche, die Stromdichte:

Dünne Leitungen vertragen deshalb nur kleine Ströme. Wie viel genau, hängt zusätzlich von Umgebungstemperatur, Isolierung und Bündelung ab: Eine Leitung im heißen Motorraum oder im dichten Kabelbaum kann die Wärme schlechter abgeben als eine frei verlegte.

Beim Auslegen oder Reparieren von Leitungen müssen zwei Bedingungen erfüllt sein. Die Leitung darf sich nicht unzulässig erwärmen, und der Spannungsfall auf der Leitung muss so klein bleiben, dass der Verbraucher ausreichend Spannung bekommt.

Diese Werte sind Anhaltspunkte. Maßgeblich sind die Vorgaben des Herstellers und bei Nachrüstungen die Normen für Kfz-Leitungen. Bei Reparaturen gilt: gleicher oder größerer Querschnitt, gleiche Leitungsart und fachgerechte Verbindung durch Crimpen mit Schrumpfschlauch. Bei Datenleitungen wie CAN müssen zusätzlich Verdrillung und Länge erhalten bleiben.

An jedem Verzweigungspunkt eines Stromkreises gilt das 1. Kirchhoffsche Gesetz: Die Summe der zufließenden Ströme ist gleich der Summe der abfließenden Ströme. Ladung kann sich in einem Knoten weder ansammeln noch verschwinden.

In der Praxis nutzt man die Knotenregel bei der Fehlersuche: Misst man mit der Stromzange an der Batterieleitung einen höheren Strom als die Summe aller bekannten Verbraucher, gibt es einen weiteren, unbekannten Verbraucher, zum Beispiel einen Kriechstrom durch Feuchtigkeit.

Auch ein abgestelltes Fahrzeug verbraucht Strom: Uhr, Alarmanlage, Funkempfänger für den Schlüssel und Steuergeräte im Schlafmodus. Dieser Ruhestrom muss klein sein, sonst ist die Batterie nach einigen Tagen leer.

Richtige Ruhestrommessung

1. Fahrzeug vorbereitenAlle Verbraucher aus, Türen schließen bzw. Türkontakte überlisten, Motorhaube und Kofferraum wie vom Hersteller beschrieben behandeln, Schlüssel außer Reichweite.
2. Stromzange oder Messgerät einbauenAm besten mit einer empfindlichen Gleichstromzange an der Minusleitung, sonst mit Amperemeter in Reihe. Beim Auftrennen der Batterieleitung wachen die Steuergeräte auf, deshalb gibt es Adapter, die den Stromkreis beim Umstecken nicht unterbrechen.
3. Schlafmodus abwartenModerne Fahrzeuge brauchen je nach Hersteller mehrere Minuten bis über eine halbe Stunde, bis alle Steuergeräte und Busse eingeschlafen sind.
4. Messen und bewertenDen Wert mit der Herstellerangabe vergleichen. Typisch sind Werte im Bereich weniger zehn Milliampere.
5. Verursacher eingrenzenSicherungen einzeln ziehen oder den Spannungsfall über jeder Sicherung messen. Wo ein Spannungsfall messbar ist, fließt Strom.

Ein sinusförmiger Wechselstrom wird durch seinen Scheitelwert î, seine Frequenz f bzw. Periodendauer T und seinen Effektivwert I_eff beschrieben. Der Effektivwert ist der Gleichstrom, der in einem Widerstand dieselbe Wärme erzeugen würde:

Pulsweitenmodulation

Bei PWM-Signalen springt der Strom zwischen null und einem Maximalwert. Der arithmetische Mittelwert hängt vom Tastgrad ab, I_mittel = I_max · Tastgrad. Er bestimmt zum Beispiel die Drehzahl eines Lüfters. Für die Erwärmung von Leitungen zählt dagegen der Effektivwert, der bei PWM immer höher als der Mittelwert ist:

Einfache Multimeter zeigen bei solchen Signalen oft falsche Werte. Geräte mit der Kennzeichnung „True RMS“ messen den echten Effektivwert. Den genauen Verlauf zeigt nur das Oszilloskop mit Stromzange.

Wie gefährlich ein Strom für den Menschen ist, hängt von Stromstärke, Einwirkdauer, Stromweg durch den Körper und Stromart ab. Schon Wechselströme ab einigen zehn Milliampere können Herzkammerflimmern auslösen. Welcher Strom fließt, hängt von der Spannung und vom Körperwiderstand ab. Die 12-V-Bordnetzspannung gilt deshalb als ungefährlich für den Körper, auch wenn Kurzschlussströme Verbrennungen und Brände verursachen können.

Anders bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen: Deren Hochvoltsysteme arbeiten mit mehreren hundert Volt Gleichspannung. Als Hochvolt gelten im Fahrzeug Spannungen über 60 V Gleichspannung bzw. über 30 V Wechselspannung. Hochvoltleitungen sind orange gekennzeichnet.

Die fünf Sicherheitsregeln

1. FreischaltenDas Hochvoltsystem nach Herstellervorgabe spannungsfrei schalten, zum Beispiel über den Service-Trennstecker.
2. Gegen Wiedereinschalten sichernTrennstecker verwahren, Schlüssel entfernen, Arbeitsplatz kennzeichnen.
3. Spannungsfreiheit feststellenMit einem geeigneten, zuvor geprüften Messgerät an den vorgeschriebenen Messpunkten messen.
4. Erden und kurzschließenWird bei Fahrzeugen in der Regel nicht angewendet, sondern ist beim Freischalten nach Herstellerangabe berücksichtigt.
5. Benachbarte unter Spannung stehende Teile abdeckenWenn Teile nicht freigeschaltet werden können, abdecken oder abschranken.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.