Leitfaden Gleichstromversorgung für Sportboote, Wochenendhäuser und Wohnmobile, ...


VORWORT:
Dieser Leitfaden wendet sich an alle Betreiber kleiner autonomer Gleichstrom-Energieversorgungen. Ausgehend von uns häufig gestellten Fragen und den Gegebenheiten der Praxis, soll dieser Leitfaden helfen, die passende regenerative Energiequelle auszuwählen, technische Grundlagen zu vermitteln und zur Lösung praktischer Probleme beizutragen.

gemeinsame Herausgeber :

Silentwind Deutschland, Timmermannallee 16, 27580 Bremerhaven, www.silentwind.de

Solarlink GmbH, Vogteiweg 14, 79244 Münstertal,  www.solarlink.de


© 2011    Silentwind Deutschland & Solarlink GmbH , Vervielfältigungen mit Hinweis auf die Quelle  sind erwünscht !  Autor: Burkhard Linke, Yachtelektrik Sachverständiger  

 

Inhaltsverzeichnis:

1. Allgemeines
1.1 12 oder 24 Volt Gleichspannung
1.2 Landanschluß 220 Volt Wechselspannung
1.2.1 FI-Schalter, Trenntransformator
1.3 Batteriegröße, Wattinventur
1.4 Kabelquerschnitte, Absicherung

2. Motorelektrik
2.1 Anlasser
2.2 Lichtmaschine
2.3 Regler
2.4 Ladekontrolleuchte

3. zyklenfeste Batterien
3.1 Naßbatterien, LF-Technik
3.2. Gelbatterien
3.3 Qualitätsmerkmale Gel- bzw. Naßbatterie
3.4 Starter- und Verbraucherbatterien

4. Batterielademöglichkeiten
4.1 Drehstromgenerator
4.2 Batterieladegerät, Kennlinien und Ladekurven  (siehe auch Artikel im Palstek 4/2011, Autor B.Linke)
4.3 Schlepp- und Wellengenerator
4.4 Regenerative Energiequellen
4.4.1 Solarenergie (siehe Artikel im PALSTEK 5/2011, Autor B.Linke)
4.4.2 Windenergie

4..4.3 NEU: E-Mobilität durch regenerative Hybrid-Ladequellen

4.4.3 NEU: Lade-Booster in Arbeit (siehe aber schon Artikel im PALSTEK 1/2012, Autor B.Linke)

5. Batterieladung
5.1 Batteriebänke
5.2 Entkopplung
5.2.1 Trenndioden, Relais oder Wahlschalter
5.3 Spannungsüberwachung
5.3.1 Meßgeräte, Meßtechniken (siehe auch Artikel im PALSTEK 1/2011, Autor B.Linke)
5.4 Batteriepflege
5.4.1 Winterlager

6. Spannungsverteilung
6.1 Schaltpanel (siehe auch Artikel im PALSTEK 2/2012, Autor B.Linke)
6.1.2 Sicherungstechnik, Schmelzsich.,Automaten
6.1.3 UKW-Absicherung
6.2 Beleuchtung
6.2.1 Glühbirne, Halogenleuchte, Energiesparlampe
6.3 Verbraucher
6.3.4 "Stromfresser",Pumpen,Kühlschrank,.Ankerwinsch
7. Selbsthilfe

1 Allgemeines:

Gleichstromversorgung ist für viele Inselanlagenbetreiber ein Buch mit sieben Siegeln. Wenn Sie einige Grundregeln bei der Installation oder Pflege der Anlagen-Elektrik beachten, werden Sie keine unangenehmen Überraschungen erleben. Hierbei soll Ihnen dieser kleine Leitfaden helfen und Sie in die Lage versetzen, Fehler zu finden oder kleine Reparaturen selbst durchzuführen.

1.1 12 oder 24 Volt Bordspannung:

In den meisten Fällen beträgt die Systemspannung in mobilen Anlagen (Wohnmobil oder Boot) 12 Volt Gleichstrom. Diese Systemspannung ist bis zu einer Batteriekapazität von etwa 400 Ampérestunden und einem maximalen Stromverbrauch von etwa 150 Ampére (z.B. Ankerwinsch) problemlos verwendbar. Wer durch Neubau oder Refit vor der Wahl der Systemspannung 12 oder 24 Volt steht, sollte sich bei einem grösseren Projekt (z.B. Betrieb eines Wechselrichters mit mehr als 1500Watt Dauerleistung) für eine 24 Volt Systemspannung entscheiden. Bei gleicher Verbraucherleistung fließt im Vergleich zum 12 Volt Bordnetz nur der halbe Strom. Man spart durch die Verwendung dünnerer, billigerer Kabel Gewicht, hat weniger Leitungsverluste und der Anlagen-Wirkungsgrad steigt.

Inzwischen sind die meisten elektrischen Verbraucher auch in 24Volt erhältlich. Mit Hilfe sogenannter DC/DC-Wandler sind auch 12Volt - Verbraucher einsetzbar. Ein 24Volt Netz ist aufgrund der höheren Spannung langlebiger und betriebssicherer.

1.2. Stromversorgung mit 230 Volt Wechselspannung aus dem Festnetz:

Der Umgang mit Spannungen über 40 Volt kann für Menschen gefährlich sein, wenn die nötigen Schutzmaßnahmen nicht beachtet werden. Grundsätzlich sollten Sie Arbeiten am 230V-Stromanschluß oder Ihrer 230Volt-Versorgung einem Fachmann überlassen. Die 230Volt-Netzspannung muß unmittelbar, nachdem diese ins mobile Stromnetz gelangt, über einen FI-Schalter (Fehlerstrom- oder Personen-Schutzschalter) geführt werden. Dieser schaltet, sobald eine Stromdifferenz zwischen Hin- und Rückleitung gemessen wird, die Stromversorgung in Millisekunden aus. Das geschieht so schnell, dass kein für den Menschen gefährliches Herzkammerflimmern auftritt. Die Funktionsfähigkeit sollte häufiger mit dem Testschalter des FI-Schalters geprüft werden. Der Germanische Lloyd empfiehlt z.B. für Sportboote den zusätzlichen Einbau eines Trenntransformators, der zusätzlich für die galvanische Trennung (keine direkte Kabelverbindung) zwischen Land- und Bordwechselspannung sorgt. Hierdurch werden auch galvanischen Strömen zwischen Schiffsrumpf und Land vermieden, die insbesondere bei Metallrümpfen Elektrolyse verursachen.

1.3 Batteriegröße, Wattinventur:

Erfahrungsgemäß wird im Laufe des Lebens einer mobilen Stromversorgung vom Nutzer so mancher zusätzliche elektrische Verbraucher eingebaut. Spätestens dann, oder wenn eine Anlage neu ausgerüstet wird, muß man sich Gedanken über die vorhandene Batteriekapazität und die Kabelquerschnitte machen. Zur Wattinventur ist kein Fachmann nötig, wenn man folgendermaßen vorgeht:

Um zur leistungsgerechten Batteriekapazität zu gelangen, muß eine Energiebilanz der Stromverbraucher erstellt werden. Die Leistungsangaben der Verbraucher gibt der jeweilige Hersteller in Watt an. Von allen Verbrauchern sind die Wattleistungen tabellarisch aufzuführen und durch die entsprechende Bordspannung zu dividieren: so ermittelt man die Ströme. Die ermittelten Ströme, multipliziert mit den Einschaltzeiten der Verbraucher, ergibt die benötigte Batteriekapazität in Ah (ohne Berücksichtigung des Lade-Wirkungsgrades). Außerdem entlädt sich jede Batterie abhängig von der Temperatur, auch wenn sie ungebraucht ist (Selbstentladung). Bei durchschnittlich höheren Batterietemperaturen in südlicheren Breiten (Mittelmeerraum) ist die Selbstentladung deutlich höher. Die Empfehlung der Batteriehersteller lautet, maximal 60% der angegebenen Nennkapazität dürfen einer Batterie entnommen werden, ohne daß sie Schaden nimmt. Um nun die richtige Batteriegröße bestimmen zu können, multipliziert man den ermittelten Ah-Bedarf mit dem Sicherheitsfaktor 1,7 (1,3). Bei konventionellen Flüssigsäurebatterien muß ein Sicherheitsfaktor 1,7 - bei Gel-Batterien und AGM-Batterien nur ein Faktor von 1,3 eingesetzt werden.

Beispiel 1: Flüssigsäurebatterie 104 Ah x 1,7 = 176,8 Ah = 180 Ah

Beispiel 2: Gel-Batterie 104 Ah x 1,3 = 135,2 Ah = 130 Ah

1.4 Kabelquerschnitte:

Um unnötige Spannungsverluste auf den elektrischen Leitungen zwischen Stromquelle und Verbrauchern zu verhindern, müssen passend zur Länge des Kabels, immer die richtigen Querschnitte verwendet werden. Der Spannungsverlust soll bei einer 12 Volt-Anlage folgende Werte nicht überschreiten:

2% = 0,24Volt bei Sicherheitseinrichtungen (z.B. Positionslaternen bei Yachten)

4% = 0,48Volt in der Anlasserleitung bei Booten oder Wohnmobilen

7% = 0,84Volt für sonstige Verbraucher

Neben den Spannungsverlusten auf der Leitung gibt es weitere mögliche Verluste die durch Übergangswiderstände an den Verbindungsstellen der Kabel, an den Anschlußklemmen der Sicherungen, Schaltern und Verbrauchern sowie in Sicherungen selbst. Im Extremfall machen sich solche Verluste  durch Erwärmung der entsprechenden elektrischen Verbindungsstelle bemerkbar. Bedauerlicherweise wird im Europäischen Bootsbau immernoch nicht verzinntes Kabel benutzt, was unter Seewasser Einfluß oxydiert. In den USA ist verzinntes Kabel im Bootsbau wegen der vorhersehbaren Oxydation schon immer Vorschrift. Im Innenbereich ist PVC isoliertes Kabel ausreichend sofern es nicht Öl, Benzin oder Diesel ausgesetzt ist. Soll Kabel in der Bilge eines Bootes verlegt werden sollte unbedingt verzinntes Neopren (Gummi) isoliertes Kabel verwenden werden. Auch im Außenbereich wird Gummikabel empfohlen, PVC-Kabel ist nicht UV- und Ozon-stabil.

Fragen Sie unsere Fachberater nach passenden Qualitäten und Querschnitten.

2 Motorelektrik:

Die Motorelektrik bei Sportbooten oder Wohnmobilen steht oder fällt mit der Starterbatterie: ist diese verbraucht oder entladen, wird die benötigte Zeit zum Vorglühen länger, oder der Anlasser dreht nur noch müde durch. Wer die Möglichkeit der Spannungsüberwachung im Startmoment hat, kann das durch einen extremen Spannungsabfall der Starterbatterie (unter 10Volt) während des Startvorgangs feststellen. Durch einen eingebauten Batteriebrückenschalter oder durch ein Auto-Startkabel kann zur Not mit Hilfe der Verbraucherbatterie gestartet werden. Doch wichtig: Nie den eventuell vorhandenen Hauptschalter bei laufendem Motor ausschalten, das  zerstört die Dioden der Lichtmaschine die aus Drehstrom Gleichstrom machen.

2.1 Anlasser:

Der Anlasser ist ein elektrischer Motor mit erstaunlicher Leistung. Wird der Anlasser über das Zündschlpss oder den Start-Druckknopf betätigt, erhält zunächst eine Magnetspule Strom, die den Anker (Einrückhabel) des Anlassers in das Ritzel der Maschinenschwungscheibe einrasten läßt. Gleichzeitig wird über den am Anlasser angebauten Magnetschalter über besonders Strom belastbare Kontakte Spannung auf die Anlasserwicklung gelegt, so daß dieser zu drehen beginnt.Sobald der Zündvorgang abgebrochen kommt das Ritzel über den Einrückhebel der Magnetspule wieder aus der Schwungscheibe frei, ein Freilauf verhindert, dass der Anlasser vom startenden Motor angetrieben wird.

TIP: Macht der Anlasser einmal Probleme, obwohl die Batterie i.O. ist, und hören Sie im Startmoment (Spannung > 11 Volt) ein "Klackgeräusch" durch das Einrasten des Ritzel, dann ist das Zündschloß (Schalter) und der Kabelweg möglicherweise noch über ein Hilfsrelais i.O. Ist kein Klackgeräusch zu hören, kontrollieren Sie die Plus- und Minusleitung zur Startbatterie auf festen Sitz der Verbindungen. Ist auch das ok, kann ein dosierter Schlag mit einem Hammer auf das Magnetschaltergehäuse am Anlasser helfen, das verklemmte Ritzel kommt dadurch frei.

Häufige Ursache für hartnäckige Startverweigerung können entweder verbrauchte oder klemmende Schleifbürsten im Anlasser sein. Der Anlasser sollte jedoch nur etwa 15 Sekunden ununterbrochen betätigt werden, damit er nicht überhitzt und durchbrennt. Siehe auch Pkt 3.4 Es wird empfohlen, die vom Motorhersteller empfohlene Batteriegröße nicht zu überschreiten. Bei blockiertem Anlasser können die dann deutlich höheren Ströme durch die entstehende Hitze zur Zerstörung führen.

2.2 Lichtmaschine:

Häufig kommen in Sportbooten Lichtmaschinen aus dem KFZ-Bereich zum Einsatz. Die durchschnittlichen LiMa-Drehzahlen liegen zwischen 750/min (Leerlauf) und 10.000/min (Marschfahrt). In den meisten Wohnmobilen sind Lichtmaschinen eingebaut mit Leistungen zwischen 75 und 90 Ampére. Bitte bedenken Sie, dass erst bei Motordrehzahlen über etwa 900 U/min volle LiMa-Leistung zu erwarten ist. Der Drehstromgenerator erzeugt zunächst eine 3phasige um 120° phasenverschobene Wechselspannung. Diese wird mit Dioden auf der Rückseite gleichgerichtet, nur Gleichspannung läßt sich in Batterien speichern. Die Dioden müssen auf Kühlkörpern (Generatorgehäuse) gekühlt werden, da die durch sie fließenden hohen Ströme Wärme erzeugen (ca. 35 bis 60 Amp.). Sehr empfindlich reagieren diese Gleichrichterdioden auf Spannungsspitzen, die sich einstellen, wenn zum Beispiel die Ladeleitung einen Wackelkontakt hat. Eine Zerstörung (Kurzschluß oder Unterbrechung) der Dioden ist dann möglich. Auf keinen Fall darf bei laufendem Motor die Starterbatterie abgeklemmt werden. Auf der Achse des Generators ist ein Kühlschaufelrad montiert, welches für ausreichende Kühlung der Lichtmaschine sorgt. Wird ein zusätzlicher IU-Laderegler oder DC-Wandler an der LiMa angeschlossen, muss die LiMa durchschnittlich höhere Ströme liefern, diese erwärmt sich dadurch mehr auch der Keilriehmenverschleiß nimmt zu. Auf die korrekte Keilriehmenspannung ist unbedingt zu achten.

Grundsätzlich können mehrere Generatoren (Spannungsquellen: Solarmodule, Windgeneratoren, Landanschluß etc.) parallel geschaltet werden, um die elektrische Ladeleistung zu erhöhen. Der Ladestrom der LiMa stellt sich am Stator, der nicht drehenden Wicklung ein, so daß die Ladespannung ohne verschleißende Schleifkontakte abgegriffen werden kann. Lediglich der geringe Erregerstrom zur Steuerung des elektromagnetischen Feldes wird über Schleifkontakte der Erregerwicklung auf dem Anker (drehender Teil) zugeführt. Die Leistungsfähigkeit eines Generators darf jedoch durch Batterieerweiterung nicht voll ausgenutzt werden, da neben dem Batterieladestrom auch gleichzeitig betriebene Verbraucher versorgt werden müssen.

Achtung: ein LiMa-Betrieb ohne angeklemmte Batterie zerstört die Dioden !

2.3 Generatorregler:

Der Drehstromgenerator erzeugt abhängig von der Drehzahl des Motors eine unterschiedlich hohe Spannung, um sie zur Ladung einer Batterie verwenden zu können, muß diese deshalb geregelt werden. Der hiefür benötigte Regler regelt, abhängig von der Batteriespannung, die Höhe der Spannung an einer Erregerwicklung im Drehstromgenerator. Dies geschieht über Schleifringe im Generator relativ verschleißfrei, da in der Erregerwicklung nur geringe Ströme fließen. Der Regler selbst ist häufig in das Generatorgehäuse integriert, so daß ein Ersatz nur vom Fachmann möglich ist. Meist arbeiten die Regler vollelektronisch ohne mechanische Kontakte und sind dadurch sehr langlebig. Da ein Drehstromgenerator schon in den unteren Drehzahlbereichen Leistung abgibt, erfolgt meist schon im Leerlauf (> 900 U/min) Batterieladung. Lichtmaschinen in Wohnmobilen und Sportbooten liefern zwischen 35 und 90 Ampére Ladestrom. Erkennt der Regler eine Batteriespannung unterhalb von 13,8 Volt, schaltet er auf die Erregerwicklung eine Spannung. Jetzt kann Ladestrom fließen, bis eine Batteriespannung von 13,8 -14,2Volt erreicht ist und der Regler abschaltet. Stellen Sie fest, daß die Ladeendspannung nie einen Wert von mindestens 14,2 Volt erreicht, werden die Batterien nicht vollgeladen. Ursache hierfür können Übergangswiderstände im Ladekabel oder ein zu früh herabregelnder Regler sein.13,8 Volt entspricht der Erhaltungsladungs-Spannung und ist nicht ausreichend eine Batterie voll zu laden.

TIP:Mit dem Einbau einer Diode (Typ:1N4003) in die aufgetrennte D+ Leitung zwischen dem Generatorausgang und dem Reglereingang läßt sich die Ladeendspannung um ca: 0,7 Volt erhöhen. Mit diesem relativ einfachen Eingriff kann auf kostengünstige Weise ein schlecht arbeitender Regler ausgetrickst werden und so z.B. der Verlust an Trenndioden wettgemacht werden.

Übrigends, Solarlink GmbH liefert Trenndioden und  ohne Spannungsverluste, außerdem ist ein  LiMa-Laderegler und DC-LiMa zu Batterielader (Booster) mit IU-Kennlinie lieferbar . Mit diesen Ladereglern werden Ihre Batterien in sehr kurzer Zeit schonend voll geladen.

2.4 Ladekontrolleuchte:

Die Lade-Kontrolleuchte ist mit dem D+ Ausgang der Lichtmaschine und dem Plus-Pol der Batterie verbunden. Im Normalfall (LiMa läuft) ist diese Lampe erloschen, da an beiden Seiten 12 Volt anliegen. Fällt jedoch die Lichtmaschine durch einen Fehler aus, stellt sich am Generatorausgang negatives Potential ein und die Lampe leuchtet und zeigt eine Störung an. Ursache kann ein zu loser oder geborstener Keilriemen sein! Über die Ladekontrolleuchte kann, wie beim Bosch-Generator, auch der Selbsterregerstrom für die Erregerwicklung (im Startmoment) des Generators laufen. Es ist immer vor dem Start des Motors (bei eingeschalteter Zündung) zu kontrollieren, ob die Ladekontrolleuchte brennt. Falls der Generator trotz hoher Drehzahl nicht lädt, wurde möglicherweise seine Erregerwicklung nicht mit der entsprechenden Spannung versorgt.

TIP: Ein kurzes Berühren/Verbinden der D+ Klemme des Generators mit dem Batterie-Pluspol kann kurzfristig Abhilfe schaffen.

3 zyklenfeste Batterie:

Unterschieden wird zwischen sogenannten Starter- und Verbraucherbatterien. Setzen Sie im Interesse der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit Ihrer mobilen Stromversorgung nur Batterien entsprechend diesen konstruktiven Unterschieden ein. Häufig werden preiswertere Starterbatterien auch für das übrige Bordnetz verwendet (siehe auch Pkt. 3.4), davon raten wir aus verschiedenen Gründen ab. Selbstverständlich ist bei mobilem Einsatz, daß für eine gute Befestigung der Batterie gesorgt wird, und sich die Batterien auch bei Seegang oder Kurven nicht aus den Halterungen lösen können.

Je nach Ausführung des Elektrolyts (Batterieflüssigkeit) unterscheidet man zwischen:


3.1 Flüssigkeitsbatterien

Diese sind mit flüssigen Elektrolyten (38%ige Schwefelsäure) gefüllt. Sie werden vor allem als stationäre Energiespeicher eingesetzt. Beim Einsatz auf Sportbooten muß gewährleistet sein, daß sie möglichst senkrecht montiert sind und die Abweichung aus der Senkrechten während des Betriebes nicht zu groß wird. Bei ungeeigneten Batterien kann schon bei 15 Grad Schiffskrängung Batteriesäure auslaufen. Werden solche Batterien verwendet, müssen diese unbedingt in einem säurefesten (dichten) Behälter untergebracht sein.

Vlies-Batterien haben zwischen den Bleiplatten Seperatoren, die deren gegenseitige Berührung verhindern sollen. Sie bestehen aus Glas-Vlies, in dem der Elektrolyt festgelegt ist. Vlies-Batterien sind für lageunabhängigen Betrieb besonders gut geeignet. Sie sind wartungsfrei, lageunabhängig, zyklenfest sowie bedingt tiefentladungssicher und haben bei zweckmäßigem Gebrauch Lebensdauern von mehr als 5 Jahren.

3.2 Gel-Batterien

Diese sind mit einem Elektrolyt ausgestattet, das in einem Kieselsäure-Gel gebunden ist.Bei Bruch des Gehäuses kann das Gel nur schwer austreten.

3.2.1 AGM-Batterien

AGM steht für Absorbt Glasmat Technologie. Diese modernen Batterien sind im Gegensatz zu Gel-Batterien deutlich höher Strom belastbar. Schon kleine Batterien können kurzfristig über 300 Ampére Strom liefern. Damit sind AGM-Batterien auch zum Starten von Dieselmotoren geeignet. Auch für den zyklischen Gebrauch sind AGM-Batterien sehr gut geeignet, abhängig von der Entladetiefe sind Zyklenzahlen von über 1000 möglich. Weitere Besonderheiten im Vergleich mit Nass- oder Gel-Batterien sind die sehr geringe Selbstentladung und ein sehr niedriger Innenwiderstand durch den deutlich höhere Ladeströme fließen, schnellere Ladung wird hierdurch erzielt.

ACHTUNG: nur mit geeigneter IU-Ladetechnik laden, nicht über 14,4 Volt bei 25°C Batterietemperatur! Ist die Option eines Temperatursensors möglich, sollte diee unbedingt verwendet werden. Hierdurch wird die Ladeendspannung automatisch der Batterietemperatur angepasst.

3.3 Qualitätsmerkmale Naß- bzw. Gel-Batterien:

Im Gegensatz zu Flüssigsäure-Batterien haben Gel- und AGM-Batterien, neben der 2 bis 5fachen Lebensdauer, folgende Vorteile:

  • Absolut wartungsfrei keine Säurestandskontrolle kein Wasser nachfüllen kein leicht zugänglicher Einbauort notwendig
  • Elektrolytdicht kein Säureaustritt, keine Korrosionsschäden in der Umgebung
  • Lageunabhängig selbst im Kopfstand absolut dicht erlaubter Neigungswinkel bis 180° (kurzfristig)
  • Rüttel-, Schock- und Schlagfest Bleiplatten sind in Gel und Glasmatten eingebettet entspricht GL und DIN-Normen
  • Tiefentladesicher, verträgt Tiefentladung , tiefentladen noch nach 4 Wochen wiederaufladbar. Deutlich erwähnt sei aber, dass die Lebensdauer durch Tiefentladung deutlich verkürzt wird. Kennlinien-Ladegeräte (z.B. IU-Kennlinie) erkennen möglicherweise tiefentladene Batterien nicht, da die Batterie-Spannung u.U. zu niedrig ist. TIP: Schalten Sie eine zweite geladene Batterie zum Starten des IU-Ladegeräts kurzzeitig parallel, dann klappt´s.

Sehr geringe Selbstentladung besonders bei AGM-Batterien, Gel- oder AGM- Batterien können im Winter ohne Nachladung eingebaut bleiben, nach 28 Monaten noch 50% Nennkapazität.

TIP: Bitte achten Sie darauf, dass die Batterie, bevor das Boot oder das Wohnmobil ins Winterlager geht, voll geladen ist. Denn bei stark entladenen Batterien besteht die Gefahr, dass diese durch Frost (höherer Wasseranteil im Elektrolyt) friert und platzt.

Durch die deutlich höhere Lebensdauer (mehr als 10 Jahre) und Zuverlässigkeit von Gel- und AGM-Batterien ist deren ca. doppelt so hoher Preis gegenüber Nass-Batterien gerechtfertigt. Aber vergleichen Sie die Preise, Solarlink GmbH (www.solarlink.de) bietet Batterien extrem preiswert an.

3.4 Starter- und Verbraucherbatterien:

Als Starterbatterie soll die vom Motorhersteller empfohlene Batteriegröße in Ah (Ampérestunden) verwendet werden (nicht größer). Dadurch wirkt die Batterie wie ein zusätzlicher Schutz für den Anlasser, der im Problemfall nur den durch die Batteriekapazität begrenzten Strom erhält. Je nach Batteriekapazität kann im Anlaßmoment bei einer Starterleistung von 1PS ein Strom von 390 bis 430 Ampére fließen.

Auch hier gilt: nur ein ausreichend großer Kabelquerschnitt und gute elektrische Verbindungen können ein zuverlässiges Starten gewährleisten. Starterbatterien sind nicht für den zyklischen Gebrauch konstruiert. Nur kurzfristig geben Sie einen hohen Strom zum Starten des Motors ab, danach erfolgt durch die laufende Lichtmaschine sofort Ladung, eine Zyklenbetrieb findet nicht statt.  Die Konstruktionsmerkmale einer Starterbatterie sind, insbesondere durch dünnere Bleiplatten (ermöglicht größere benetzte Fläche) , darauf abgestellt, kurzfristig hohe Ströme zu liefern. Verbraucherbatterien werden - wie der Name schon sagt - längere Zeit im Entladebetrieb genutzt. Im Gegensatz zu Starterbatterien werden sie deutlich tiefer entladen, bevor durch den notwendigen Ladezyklus wieder Energie gespeichert wird. Sowohl Starter- als auch Verbraucherbatterien dürfen nur in den Bereichen eingesetzt werden, für die sie konstruiert wurden. Werden billigere Startakkus auch als Verbraucherbatterien genutzt, sind Batterieprobleme vorprogrammiert !

TIP: Gel-Batterien sind bedingt auch als Starterbatterien verwendbar; es sollte aber eine Gel-Batterie mit ca. 20% höherer Ah-Leistung (gegenüber einem Flüssigsäureakku) eingesetzt werden. Besser geeignet sind allerdings AGM-Batterien.

4 Batterielademöglichkeiten:

In der Regel stehen mehrere Ladequellen zur Verfügung. Jede Ladequelle, ob Lichtmaschine, 230Volt-Ladegerät, Solar- und Windgenerator oder andere Ladequellen haben eigene Laderegler die auf die passende Ladeendspannung eingestellt sind. Praktisch können daher verschiedene Ladequellen gleichzeitig aktiv sein ohne sich gegenseitig störend zu beeinflussen. Leistungsfähige Ladequellen sind durch deren niedrigeren Innenwiderstand aber dominierend beim Laden.

4.1 Drehstromgenerator:

Sehr wichtig für das korrekte Funktionieren der Lichtmaschine ist eine richtige Keilriemenspannung. Faustregel: max. 1 Fingerbreite durchdrückbar. Zu geringe Keilriemenspannung: Ladekontrolleuchte glimmt (flackert)- die Batterie wird nicht korrekt geladen. Zu hohe Keilriemenspannung: hoher Keilriemen- und Lagerverschleiß. Weiteres siehe Pkt.2.2

4.2 Batterieladegeräte, Ladekurven / Kennlinien

Beim Kauf eines Batterieladegerätes ist es von Vorteil, die unterschiedlichen Qualitätsmerkmale (Ladetechniken) der Geräte zu kennen! Sehr informativ ist der im PALSTEK  4/2011 zu diesem Thema erschienene Artikel. Die verschiedenen möglichen Ladeverfahren der Batterieladegeräte unterscheiden sich durch den Strom- und Spannungsverlauf (Kennlinie) während des Ladens und durch deutlich unterschiedliche Ladezeiten. Für die zur Zeit in der Praxis eingesetzten Ladegeräte sind folgende Kurzzeichen der Lade-Kennlinien üblich:

I = Konstantstrom-Kennlinie

U = Konstantspannungs-Kennlinie

W = fallende Kennlinie (Widerstandskennlinie) meist billige Baumarkt Ladegeräte

o = Automatische Umschaltung von einer zur anderen Kennlinie

a = selbständige Umschaltung

Bei zusammengesetzten Kennlinien entspricht die Reihenfolge der Kurzzeichen dem Ablauf des Ladevorgangs, z.B. W, IU, WoWa, IUIa.

Nachfolgend einige typische Ladeverfahren:

Ia Es wird mit konstantem Strom geladen. Beim Erreichen der Gasungsspannung wird automatisch abgeschaltet. Es wird keine 100%ige Volladung erreicht. Die Ladezeit ist sehr lang, weil mit einem niedrigen Ladestrom geladen wird.

W  Vorsicht! bei diesen Billig Ladegeräten erfolgt keine Abschaltung bei Erreichen der Ladeschlußspannung. Wird unbeaufsichtigt geladen, ist das der sicher Tod der Batterie. Außerdem besteht durch entstehendes Knallgas schon bei 4% Sättigung der Umgebungsluft Explosionsgefahr. Die Batterie gast sich trocken und nimmt dadurch irreversiblen Schaden.

Wa Der Ladevorgang richtet sich nach dem inneren Widerstand der Batterie. Ist die Batterie leer, beginnt der Ladevorgang mit einem kurzzeitig hohen Ladestrom. Wegen der ansteigenden Batteriespannung nimmt der Ladestrom jedoch sehr rasch ab. Hat das W-Kennlinien-Ladegerät die Gasungsspannung erreicht, schaltet es jedoch nicht immer zuverlässig ab. Die Batterie hat jetzt einen Füllgrad von nur ca. 75-80%.  Die Spannung steigt immer weiter an, was zu dauerhaften Schäden an der Batterie führt.

IUIa Das Ladegerät lädt mit maximalem Ladestrom, bis die Batteriespannung den Gasungspunkt (2,4Volt/Zelle) erreicht hat. Jetzt wird mit fallendem Ladestrom weitergeladen, die Spannung jedoch konstant auf 14,4 Volt gehalten, bis der Wert des zweiten Konstantstromes erreicht wird. Die konstante Stromstärke wird bis zur Volladung beibehalten. Die Spannung steigt in dieser Phase nur sehr kurz in den Gasungsbereich. Die Abschaltung nach Volladung findet automatisch statt. Diese Kennlinie ist speziell für Einzelladungen von Fahrzeugantriebsbatterien gedacht.

IU Das Ladegerät lädt mit maximalem Ladestrom, bis die Batteriespannung den Gasungspunkt  erreicht hat. Nach Erreichen der Gasungsspannung wird die Spannung konstant gehalten, der Ladestrom klingt mit zunehmendem Füllgrad der Batterie ab und erreicht einen Beharrungswert.

IUoU Das Ladegerät lädt mit maximalem Ladestrom, bis zur Gasungsgrenze. Danach wird die Spannung konstant gehalten, der Strom klingt mit zunehmendem Füllgrad der Batterie ab bis zur Volladung. Jetzt wird auf Erhaltungsladung 13,5 Volt (2,25Volt/Zelle) umgeschaltet, die Selbstentladung der Batterie wird so verhindert.

Achtung: In keinem Fall dürfen ungeregelte Ladegeräte unbeaufsichtigt an der Batterie angeschlossen bleiben! Batteriegasung = EXPLOSIONGEFAHR !!!

Im Interesse der Lebensdauer sollte jedoch sichergestellt sein, daß die Batterie alle ca. 5 Ladezyklen die Ladeendspannung erreicht, unabhängig davon, welcher Batterietyp verwendet wird. Bei Flüssigsäure-Batterien max. 14,6Volt und Gel-Batterien max. 14,4Volt. (bei 20-25°C Batterietemperatur). In jedem Fall ist zur schonenden und effektiven Ladung von zyklisch arbeitenden Batterien ein Ladegerät mit einer IUoU-Kennlinie empfohlen !

TIP: Die Lebensdauer von AGM-, Gel- oder Naß-Batterien kann durch einen Batteriepulser deutlich verlängert werden, selbst sulfatierte Batterien lassen sich so wieder benutzen.

4.3 Wellen- Schleppgenerator:

Mit einem Wellengenerator wird auch beim Segeln durch eine auf der Schraubenwelle befestigte Riemenscheibe Kraft auf eine separate Lichtmaschine geleitet. Der bremsende Effekt beträgt nur ca. 1 Knoten, aber schon bei 5 Knoten Fahrt lassen sich 8 Ampére Ladestrom erreichen. Wichtig ist noch das passende Übersetzungsverhältnis zwischen Riemenscheibe und Lichtmaschine. Es muß gewährleistet sein, dass die LiMa mindestens 1000 U/min erreicht.

Schleppgeneratoren werden an der Heckreling angebracht. Ein Propeller an einer geeigneten Kunststoffleine hängt im Wasser und erzeugt bei Fahrt Strom. Auch damit sind, wie beim Wellengenerator, Ströme bis ca. 8 Ampére möglich. Durch leichtes Anflanschen eines Windradgenerators an die Achse eines Schleppropellers (Firma AMPAIR) ist dieser sowohl als Wind-, aber auch als Wellengenerator zu betreiben.

4.4. Regenerative Energien:

Erhöhte Liegekosten durch kostenpflichtige 230Volt-Landanschlüsse, teure Stromkabelverlegung zum Wochenendhaus oder aber ein Campingplatz mit Stromversorgung müssen nicht sein. Stinkende und lärmende Generatoren sind nicht mehr zeitgemäß. Auch mit Stromanschlüssen unzureichend ausgestattete Campingplätze oder Marinen (meist mit weniger als 6Amp. abgesichert) lassen immer wieder die Frage nach alternativen Batterielademöglichkeiten laut werden.

Besonders Fahrtensegler und Wohnmobilisten auf Langfahrt stehen vor dem Problem nicht ausreichender Batterieladung. Durch die eingeschränkte Batterieleistung ist nicht nur die Lebensqualität an Bord , sondern insbesondere die Betriebssicherheit betroffen. Wind- und / oder Solaranlagen sind hier die richtige Alternative. Passend zum elektrischen Verbrauch , läßt sich überall ein geeigneter Installationsort finden. Solarlink und die Firma Silentwind bieten eine große Auswahl verschiedener alternativer Montagemöglichkeiten an. Auch eine völlig autarke Versorgung mit Elektroenergie aus Sonne und/oder Wind ist möglich, wir beraten Sie gern.  Das auch eine dauerhaft autarke Stromversorgung möglich ist, lesen Sie im technischen Reisebericht einer 2jährigen Nordatlantikreise.

Z.B. ist eine durchschnittlich ausgestattete 10 Meter Segelyacht mit einer 100Watt Solaranlage und 250Ah Batteriekapazität schon teilautonom versorgt. Eine Tabelle mit Solar-Einstrahlleistungen finden Sie hier

Eine ideale Ergänzung auf Langfahrt ist ein Windgenerator. Der Vorteil, auch nachts kann Energie gewonnen werden. In einer Hochdruck-Wetterlage mit durchschnittlich geringen Windgeschwindigkeiten wird die Solaranlage den Hauptteil der regenarativ erzeugten Energie liefern. Mit Tiefdruck-Einfluss sind höhere Windgeschwindigkeiten vorherrschend und der Windgenerator ist die Hauptladequelle. Inzwischen gibt es auch extrem leise arbeitende Windgeneratoren wie den Silentwind Generator der auch in der Marina nicht abgeschaltet werden muss.

4.4.1. Solarmodule

Diese wandeln auf direktem Weg Licht in elektrischen Strom um. Die Lebenserwartung liegt je nach Bauweise bei über 25Jahren. Ein 50 Watt Solarmodul kann in den Monaten April bis September (in unseren Breiten) ca. 15 Ah Ladestrom am Tag liefern, bei bedecktem Himmel entsprechend der Resthelligkeit weniger. Ein nahezu wartungsfreier Betrieb ist möglich, zeitweise muß die Oberfläche von Schmutz oder Vogelkot gereinigt werden. Ein zwischen Batterie und Solarpanel geschalteter, vollautomatisch arbeitender Regler sorgt dafür, daß die Batterie nicht überlädt. Neue, sogenannte MPP-Laderegler (MPP=Maximum-Power-Point) machen es unter Berücksichtigung der Kennlinie eines Solarmoduls möglich, max.30% höhere Ladeerträge in die Batterie einzuladen, als es mit herkömmlichen Shunt- bzw. puls-weiten-modulierten PWR-Ladereglern möglich ist. Besonders in der kühlen Jahreszeit, bei höherer MPP-Spannung der Solarmodule, werden mit einem MPP-Laderegler deutlich höhere Erträge erzielt. Aus einem 50Watt Solarmodul kann im Sommer statt 200 Wattstunden 260 Wattstunden in die Batterie eingeladen werden. Mit passendem Anstellwinkel sind auch im Winter erstaunliche Ertraäge möglich, siehe technischer Reisebericht.  MPP-Laderegler werden von Solarlink GmbH in Leistungen bis 1000 Watt geliefert. Wird das Solarmodul über eine 2achsige Nachführung 3 bis 4 mal am Tag der Sonne nachgeführt, so dass die Sonnenstrahlen möglichst 90° auftreffen, kann mit einem maximal möglichen Mehrertrag von ca. 50% gerechnet werden !

4.4.2 Windgeneratoren

Windgeneratoren stellen für Fahrtensegler eine ideale Ergänzung zur Solarenergie dar.  Nach einer Faustformel kann man bei einem 100Watt-Generator von folgendem Leistungsprofil ausgehen: subtrahiert man von der aktuellen Windstärke in Beaufort den Faktor 1, erhält man den jeweilig fließenden Ladestrom in Ampére. Beispiel: 5 Beaufort minus 1 = 4 Ampére Ladestrom. Eine Umrechnungstabelle Beaufort/Knoten/km/h und m/s finden Sie hier. Ein 100Watt Windgenerator kann in 24Std. bei einer Windgeschwindigkeit von durchschnittlich 10-15 kn. ca. 20Ah in die Batterie laden. Ein nahezu wartungsfreier Betrieb ist möglich. Für die meisten Windgeneratoren wird ein spezieller Laderegler benötigt, weil der Windgenerator bei voll geladener batterie nicht ohne Last laufen darf.  Diese sogenannten Shunt-Laderegler sorgen dafür, dass der Windgenerator bei voll geladenen Batterien nicht im Leerlauf, also ohne elektrische Last betrieben wird. Beim Silentwind Generator wird der Rotor bei voller Batterie automatisch vom Hybrid-Laderegler gestoppt. Die im Leerlauf auftretenden Spannungsspitzen und die erhöhte Drehzahl des Rotors können den Windgenerator elektrisch oder mechanisch zerstören. Ein Shunt-Laderegler "verheizt" in einem oder mehreren Widerständen oder über ein Kühlblech die erzeugte Energie. Zu jedem Windgenerator gehört ein in der Leistung passender Regler. Solar-Laderegler sind zur Ladung mit Windgeneratoren nicht geeignet.  Wir empfehlen den Silentwind Generator, der mitgelieferte Hybrid-Laderegler macht es möglich, zusätzlich bis zu 180 Watt Solarleistung anzuschließen. Ein schon am Hybrid-Laderegler angebrachter Stoppschalter macht auch das manuelle Stoppen möglich, die zusätzliche Anschaffung und die sonst nötige Verkabelung eines Stoppschalters entfällt. Ende 2012 wird ein MPP-Laderegler für den Silentwind Generator lieferbar sein !

4.4.3 E-Mobilität mit regenerativen Hybrid-Ladequellen

Schon aus relativ kleinen regenerativen Hybrid-Anlagen kann die Energie für einen Elektro-Außenborder und/oder Elektrofaltrad generiert werden.  In der Segelsaison 2012 führt Silentwind Deutschland einen Langzeitversuch  auf einer Segelyacht zu diesem Thema durch. Montierten ist eine Hybrid-Stromversorgung bestehend aus einer 400Wp Solaranlage und einem 400Wp Silentwind Generator. Die 43Ah/C20 AGM-Batterie für den Minnkota Elektro-Außenborder wird direkt aus der Gleichstromversorgung der Segelyacht geladen, der 10Ah Lithium-Ionen-Akku des Susmo B1 Elektro-Faltrades wird über einen Inverter mit >90% Wirkungsgrad geladen. Rein rechnerisch kann schon bei einer Windstärke von 4 Beaufort in ca. 5 Stunden ausreichend Energie für ca. 40 Kilometer Elektrofahrrad-Reichweite allein aus dem Silentwind Generator generiert werden. Zum Saisonende 2012 werden wir einen ausführlichen Erfahrungs- und Testbericht veröffentlichen.

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5. Batterieladung:

Das Elektrodenmaterial eines Bleiakkumulators besteht aus Blei in verschiedenen Zustandsformen, die während des Lade- oder Entladebetriebs umgeformt werden.

Beim Ladevorgang wird das säureunlösliche Bleisulfat der positiven Elektrode in poröses Bleioxyd und das Bleisulfat der negativen Elektrode in reines Blei umgewandelt. Beim Entladevorgang laufen die Vorgänge in umgekehrter Richtung ab. Säuredichte und Zellenspannung nehmen Werte an, die dem gerade vorhandenen Ladezustand entsprechen. Durch Bestimmung dieser Meßwerte oder durch die Installation eines  Batterie-Controllers kann der Ladezustand festgestellt werden.

Bei Vergrößerung der Batteriekapazität z.B. durch parallel Schalten weiterer Batterien muß bedacht werden, daß etwa 10% der Batterienennkapazität in (Ah) als Ladestrom in Ampére fließen werden. Zum Beispiel fließt in eine entladene 400Ah Batterie-Bank zu Beginn des Ladevorgangs ein Ladestrom von ca. 40Ampére. Die Lichtmaschine und das 220Volt Batterie-Ladegerät sollten diesen Strom auch liefern können.

TIP: Verdoppelt man die Kapazität der Batterie, halbiert sich die notwendige Ladezeit durch geringeren Innenwiderstand (bei gleicher Lichtmaschinenleistung) die Batterie wird schnell voll geladen. Vergrößert man z.B. eine Batteriekapazität von 80 auf 240Ah, verringert sich auch die Entladetiefe der Batterie. Ergebnis: Die Lebensdauer verlängert sich deutlich durch geringere Entladetiefe.

Beispiel:

System1

System2

Lichtmaschine

35 A

35 A

Stromverbrauch

48 Ah

48 Ah

Batteriekapazität

80 Ah

240 Ah

Ladestrom

8 A

24 A

Ladezeit

6 Std.

2 Std.

Hier wird deutlich, daß schon bei durchschnittlichen Hafenbetriebszeiten oder Wohnmobilfahrzeiten eine vollständige Nachladung (durch eine größere Batteriekapazität) gegeben sein kann, wenn ein LiMa-Laderegler mit IU-Kennlinie installiert ist. (z.B. IU-LiMa-Laderegler der Firma Sterling)

Grundsätzlich darf eine Bleisäurebatterie jedoch nicht tiefer als 10,5 Volt oder 50% der angegebenen Kapazität entladen werden. Wird tiefer entladen, behält die Batterie einen Dauerschaden (Memory-Effekt), der sich in geringerer Lebenserwartung und reduziertem Speichervermögen auswirkt.

ACHTUNG: vermeiden Sie unbedingt Überladung (Kochen) hierdurch entweichen der Batterie explosive Gase,  auch bei gekappselten, wartungsfreien Batterien. Durch frei werdendes Gas (Knallgas) schon bei  4% Anteil ist EXPLOSIONGEFAHR gegeben.

Bei nicht wartungsfreien Batterien muss für eine gute Entlüftung des Batterie-Behälters gesorgt werden, eventuell mit Hilfe eines Entlüftungsschlauches bei Wohnmobilen durch den Boden oder durch ein geeignetes Gebläse in Booten.

ACHTUNG: Sollte es einmal nach Schwefel riechen, dürfen keine elektrischen Schalter betätigt werden !!!  (Funken, Explosionsgefahr) Es ist sofort für Lüftung zu sorgen.

5.1. Batteriebänke:

Aus Sicherheitsgründen sollte z.B. bei einem Sportboot immer eine separate Batterie zum Starten des Motors zur Verfügung stehen. Die Service-Batterie(bank) übernimmt die Versorgung aller an Bord vorkommenden elektrischen Verbraucher. Nicht nur Sicherheitsgründe sprechen für eine solche Lösung. So kann zum Starten des Motors eine spezielle, Hochstrom liefernde Startbatterie zum Einsatz kommen, die zyklenfeste Batterie versorgt nur die Verbraucher. Beide Batterien lassen sich, unabhängig vom Alter oder der Entladung, durch Entkopplung (mit Hilfe von FET-Splittern, Trenndioden oder elektronisch schaltenden Relais) aus einer oder mehreren Ladequellen laden.

5.2. Batterieentkopplung:

Dies geschieht mit Hilfe von Trenndioden Splittern oder elektronisch schaltenden Relais vollautomatisch.

Die Trenndioden entkoppeln ladeseitig beide Batterien voneinander, so daß rückwärts keine Ausgleichsströme fließen können, aber beide Batterien optimal geladen werden. Die gleiche Funktion übernimmt das automatisch schaltende Trennrelais: beim Laden werden beide Batterien automatisch miteinander verbunden sobald die Batteriespannung auf mehr als 13,8 Volt steigt. Sobald Entladung stattfindet, werden die wieder automatisch voneinander getrennt. Es sind auch Solarladeregler verfügbar, die 2 Batterien laden können, wobei der zweite Ladeausgang, meist für die Starter-Batterie strombegrenzt (< 4Amp,) ist. Auch das Zuschalten der zu ladenden Batterie gesteuert über den D+ Ausgang der LiMa über ein  einfaches Relais ist möglich. Unbedingt muss auf den richtigen Kabelquerschnitt und die passende Schalt-Leistung des Relais  geachtet werden.

Einfache Trenndioden haben den Nachteil, daß ca. 0,4 - 0,7 Volt an Ladeendspannung verloren gehen, und dadurch die Batterien nie ganz vollgeladen werden. Dieses Problem, aber auch durch andere Ursachen bedingte Spannungsabfälle, lassen sich mit Hilfe eines regelbaren Ladereglers oder einem Trenndiodenverteiler (der mit einer Kompensationsdiode ausgestattet ist) vermeiden.

Nahezu verlustlos lassen sich zu ladende Batterien über einen FET-Splitter verbinden. Auch die Ladung über Ladebooster ist eine Option. Ladebooster sind schaltende DC-Wandler die am Ausgang eine IU-Kennlinie zur Verfügung stellen. Hierdurch wird ein schnelles, schonendes Laden der Batterie ermöglicht.

Natürlich läßt sich die Batterieentkopplung auch manuell mit Hilfe eines Batteriewahlschalters machen, doch :

ACHTUNG! Nie darf, während der Motor läuft, die Lichtmaschine von der Batterie getrennt werden. Die im Generator eingebauten Dioden können zerstört werden.

Tip: Manche Fahrtensegler lassen an der Ladeleitung des Generators B+ permanent eine Motorraumbeleuchtung (keine Transistorleuchte) mitlaufen, dadurch wird im Unterbrechungsfall des Ladestromkreises die Lichtmaschine nicht zerstört.

5.3. Spannungsüberwachung:

In jedem Fall sollte eine Möglichkeit vorgesehen sein, die Spannung der Batterien ständig kontrollieren zu können.

Mit Hilfe eines Säurehebers kann eine Flüssigsäure-Batterie ebenfalls kontrolliert und damit der Ladezustand geprüft werden; 1,21kg/ltr. entspricht entladen, 1,28kg/ltr. Säuregewicht voll geladen. Die Säuredichte ist ein Maß für den Ladezustand. Das funktioniert natürlich nur bei einer Flüssigsäurebatterie, bei wartungsfreien Akkus oder Gel-Batterien ist nur eine Spannungskontrolle möglich. Der Spannungsunterschied einer 12Volt-Batterie zwischen den Zuständen voll und leer beträgt im Ruhezustand (min. 2Std. unbelastet) nur 0,86Volt.

5.3.1 Meßgeräte:

Diese Zehntel -Volt Unterschiede lassen sich nur annähernd mit einem gespreizten Analog-Voltmeter, jedoch besser mit einem genaueren Digital-Voltmeter ablesen. Geeignete Digitalmeßgeräte sind bei Solarlink GmbH schon ab 15,-Euro erhältlich. Machen Sie sich schon zu Hause mit den Meßmöglichkeiten eines digitalen Vielfachmeßgerätes vertraut.

Erfahrungsgemäß erfolgt aber eine permanente Batteriekontrolle nur durch ein fest eingebautes Instrument. Eine sehr komfortable Möglichkeit, den Ladezustand der Batterie zu ermitteln, ist mit Hilfe eines bilanzierenden Meßgerätes (z.B. ExpertPro) möglich. Über einen Meßwiderstand(Shunt) werden permanent alle in und aus der Batterie fließenden Ströme gemessen, ins Verhältnis zur Zeit gesetzt. Unter Berücksichtigung des Ladewirkungsgrades (Peukert-Faktor) und der Batterietemperatur wird exakt berechnet wie voll die Batterie ist.  Ein eingebauter Rechner zeigt über eine Digitalanzeige nicht nur den aktuellen Lade- bzw. Entladestrom und die Batteriespannung an, sondern auch (wie eine Tankuhr) die Lade-Menge in Ampérestunden(Ah) und die Batterie-Restkapazität.

5.4 Batteriepflege:

Batteriepflege beginnt mit der ständigen Spannungsüberprüfung. Bewegt sich die Ladespannung immer im Bereich zwischen ca. 11 und 13,8 Volt, kann mit hoher Lebenserwartung der Batterie gerechnet werden. Das gilt auch für AGM- und Gel-Batterien mit der Ausnahme, daß diese tiefentladesicherer sind. Der Zustand der Tiefentladung unter 50% der angegebenen Nennkapazität sollte aber unbedingt vermieden werden. Die Lebenszeit einer Batterie wird im Wesentlichen von der Zyklenzahl und der dabei durchschnittlichen Entladetiefe bestimmt. Tiefentladene Batterien dürfen nur sehr vorsichtig, mit sehr kleinen Strömen, z.B. 10% der normalen Ladeströme, wieder aufgeladen werden. Die Lebensdauer von Batterien mit geringer Entladetiefe (z.B.große Batterieänke) liegt deutlich über 10 Jahren.

Häufige Tiefentladung führt zu:

- Reduzierung der Batteriekapazität auch bei neuen Batterien

- Schädigung und schneller Zerstörung (Verschlammung, Sulfatierung an den Bleiplatten)

- wesentlich verkürzter Lebensdauer

Tiefentladung tritt ein, wenn die Batterie entweder durch Selbstentladung oder durch Belastung mit Verbrauchern unter eine Spannung von 10,5 Volt entladen wird. Ein Akkuwächter kann durch automatisches Abschalten der Verbraucher Tiefentladung verhindern . Eine weiter  Möglichkeit der Batteriepflege ist ein Batteriepulser . Batteriepulser arbeiten nur bei Batteriespannungen oberhalb von 13,8 Volt also bei aktiver Ladequelle. Durch kurze Impulse von ca. 7KHz die in der Spannung deutlich über der Ladeendspannung sind werden irreversible Bleisulfatkristalle aufgelöst, die aktive Bleiplattenfläche vergrößert sich wieder mit dem Effekt zunehmender Kapazität. Die Ladeschlußspannung wird vom Batteriehersteller angegeben, diese darf bei der Ladung nicht überschritten werden. Diese temperaturabhängige Spannung liegt bei ca. 14,8 Volt (bei AGM und Gel-Akkus max.14,4V) bei 25°C Batterietemperatur. Pro Grad Celsius Temperaturänderung sollte sich diese Spannung um 0,025Volt ändern, bei sinkender Temperatur muß die Ladespannung steigen oder umgekehrt. Gute Ladegeräte oder Lichtmaschinenregler verfügen deshalb über einen Temperatursensor, der für die passende Ladespannung sorgt. Erfahrungsgemäß wird diese Spannung jedoch durch aus Sicherheitsgründen früh abschaltende Regler nie erreicht. Nachteil: die Batterie wird nicht 100% vollgeladen.

Gasungsspannung (> 14,4Volt/25°C): beim Erreichen dieser Werte beginnt eine Batterie verstärkt zu gasen (kochen); es wird explosives Knallgas frei. Ein längerer Betrieb in diesem Zustand führt zur Schädigung (trocken Kochen)  und Zerstörung der Batterie.

ACHTUNG: EXPLOSIONS-GEFAHR

Die Kapazität ( K oder C Wert) einer Batterie hängt von dem Strom ab, mit dem sie entladen wird. Die nutzbare Kapazität ist um so größer, je kleiner der Entladestrom, d.h. je länger die Entladezeit ist. Der Index "K oder C" gibt die Entladezeit in Stunden an.

- K5 Kapazität bei 5stündiger Entladung
- K10 Kapazität bei 10stündiger Entladung
- K20 Kapazität bei 20 stündiger Entladung
- K100 Kapazität bei 100stündiger Entladung

Eine Flüssigsäure-Batterie ist mit 38%iger Schwefelsäure gefüllt, die Bleiplatten in der Batterie müssen immer ca. 1cm mit Säure bedeckt sein (nicht mehr). Sofern es sich um eine nicht wartungsfreie Batterie handelt, sollte in der Saison häufiger der Säurestand kontolliert werden und wenn nötig, mit destilliertem Wasser nachgefüllt werden. Ein überdurchschnittlicher Flüssigkeitsverlust kann von einem defekten oder ungeregelten Ladegerät herrühren. Der überdurchschnittlich hohe Flüssigkeitsverlust nur einer Zelle deutet auf einen Zellenschluß hin. Ab ca. 13,8 Volt Batteriespannung beginnt die Batterie zunehmend zu gasen, und die Säure verflüchtigt sich. Durch Wasserstoffverlust nimmt nicht nur die Flüssigkeitsmenge ab, sondern die Säurekonzentration zu. Das führt zu verstärkter Korrosion an den Bleiplatten und damit zu Lebenszeitverkürzung wenn nicht umgehend destilliertes Wasser nachgefüllt wird.

TIP: Die Anschlußpole der Batterie sollten mit säurefreier Vaseline gefettet sein, um Korrosion durch Säurenebel an den Polen vorzubeugen. Alle Polklemmen und die hiermit verbundenen Kabel müssen fest verschraubt sein um Übergangswiderstände zu verhindern (zeitweise kontrollieren) .

Billigladegeräte dürfen nur unter Aufsicht zum Laden der Batterien verwendet werden. Diese sind nur unzureichend spannungsgeregelt und können die Batterie zum Gasen bringen.

Dagegen können geregelte Ladegeräte ständig mit der Batterie verbunden bleiben. Weit verbreitet ist der Irrtum, daß zur Pflege der Batterie diese im Winter zeitweise mit einem Verbraucher belastet werden soll, um sie dann wieder zu laden. Das Gegenteil ist der Fall, durch häufigere Lade- und Entladezyklen sinkt die Lebensdauer der Batterie.

Je nach Batterietechnologie ist die Selbstentladung unterschiedlich hoch. Sie bewegt sich zwischen 1% am Tag bei Flüssigsäure-Batterien und 0,1% am Tag bei AGM- und Gel-Batterien. Im Sommer ist durch höhere Temperaturen die Selbstentladung höher. Langfahrt Segler sollten daher AGM- oder Gel-Batterien mit niedriger Selbstentladung benutzen.

5.4.1 Winterlager:

Bleibt eine Flüssigsäure-Batterie im Winter z.B. im Wohnmobil oder Boot eingebaut, sollte der Verlust an Kapazität durch Selbstentladung mindestens alle 4 Wochen durch erneutes Volladen ausgeglichen werden. Eine entladene Flüssigsäure-Batterie ist durch ihre niedrigere Säurekonzentration (höherer Wasseranteil) frostgefährdet. (Das Gehäuse kann platzen)

TIP: Kann nicht für Nachladung gesorgt werden, müssen die Flüssigsäure-Batterien ausgebaut werden. Bitte denken Sie bei auch im Winter angeschlossenen Batterien an den StandBy-Verbrauch (durch z.B. Gaswarnanlage, Alarmanlage etc.). Dieser kann wie wir aus der Praxis wissen, bis zu 0,7 Ampére betragen.

Durch die geringe Selbstentladung von AGM- und Gel-Batterien ist ein Nachladen in der Winterpause nicht notwendig. Wenn Sie nicht sicher sind, ob kein Strom mehr aus den Batterien entnommen wird, (auch wenn der Hauptschalter ausgeschaltet ist,) dann lösen Sie den Minuspol Ihrer Batterien.

6. Spannungsverteilung:

In Gleichstrom-Schaltpanelen sollten nur korrosionsfreie Schalter zum Einsatz kommen, möglichst mit versilberten Kontakten. Bedacht werden muß auch, daß im Gegensatz zu Wechselspannungen (AC) - beim Schalten von Gleichspannungen (DC), an den Schalterkontakten Funken entstehen, die zum Verbrennen der Kontaktflächen führen. Häufig ist auf Schaltern, aber auch anderen Bauteilen das Gleichspannungszeichen DC und der dazugehörige Schaltstrom in Ampére aufgedruckt. Wenn ungeeignete (billige) Schalter verwendet werden, die den Schaltstrom nicht tragen können, verbrennen die Schaltkontakte durch Funkenbildung; dadurch entstehende Übergangswiderstände an den Schaltern, die zu Problemen führen werden. Es wird insbesondere auf Booten korrosionsfreies, verzinntes Kupferkabel empfohlen

Auf jeden Fall sollte die Verkabelung auf Booten zweipolig sein. D.h., zu allen Verbrauchern führen vom Schaltpanel 2 Kabel für den Hin- und den Rückweg. Auf gemeinsame Minus-Leiter sollte verzichtet werden, denn das führt durch undefinierte Minuspegel automatisch zu Problemen.

Bei der Installation verwenden Sie verzinntes Kabel. Nur bei diesem Kabel stellen sich langfristig keine Verminderung der Leitfähigkeit ein. Im US-Schiffbau ist die Verwendung von verzinntem Kabel schon immer vorgeschrieben.

Von der Batterie gelangen in einer korrekt installierten Anlage beide Pole  - plus und minus - zu Sammelschienen, von dort erfolgt die weitere Verteilung. Vom Minuspol wird direkt zum Verbraucher ein Kabel passenden Querschnitts verlegt. Soll ein bilanzierendes Meßgerät eingebaut werden, muß die Minusleitung der Batterie noch über einen Shunt (Meßwiderstand) geführt werden.

Entsprechend dem Kabelquerschnitt und der Länge des Kabels ist nur ein begrenzter Strom möglich. Erhöht sich der Strom über diesen Grenzwert, erhitzt sich das Kabel bis zum eventuellen Entflammpunkt. Die höchstzulässige Erwärmung eines Kabels beträgt lt. Germanischem Lloyd 60°C bei einer Raumtemperatur von 45°C. Z.B. darf ein Kabel mit einem Querschnitt von 2,5mm2 höchstens mit einem Strom von max. 17 Ampére belastet werden und mit einer Sicherung von höchstens 16 Ampére abgesichert sein.

Lesen Sie hierzu auch einen ausführlichen Artikel im PALSTEK Ausgabe 2/2012

6.1.2 Sicherungstechnik:

Sicherungen haben die Aufgabe, das Stromnetz gegen Überlastung, Kurzschluß und Kabelbrände zu sichern. Übrigens 50% aller Brände an Bord von Sportbooten werden laut Versicherer durch einen Defekt in der Elektroanlage verursacht. 

Offene Schmelzsicherungen (Funkenbildung) verbieten sich von selbst. Das ist des Preises wegen nur bei der Hauptsicherung zu vertreten aber auch diese Sicherungen sind inzwischen in einer explosionsgeschützten Version erhältlich.

Geschlossene Schmelzsicherungen sind durch eine Glasröhre geschützt. Im Falle des Auslösens der Sicherung entstehen keine gefährlichen Funken oder abgeschmolzene Teile der Sicherung können so der übrigen Elektrik nicht gefährlich werden. Schmelzsicherungshalter sind jedoch häufig selbst Fehlerquelle in der Elektrik. Durch nachlassenden Federdruck der Sicherunghalterung entstehen Übergangswiderstände oder Unterbrechungen. Auch die Korrosion der Halterung kann zu Spannungsverlusten führen.

Thermische Überstrom-Automaten schalten durch einen Bimetallauslöser thermisch Strom der über dem Grenzwert liegt ab. Diese Sicherungen haben nur eine bedingte Kurzschlußtauglichkeit. In erster Linie erfolgt Kabelschutz, nicht Kurzschlußschutz.

Thermisch-magnetische Überstrom-Automaten haben zusätzlich eine eingebaute Magnetspule, die im Kurzschlußfall deutlich schneller den Strom unterbricht.  Beide Varianten sind auch als Ein/Aus-Schalter erhältlich.

6.1.3 UKW-Funkgerät Absicherung:

Auch wenn die Post zur Abnahme des UKW-Gerätes nicht mehr an Bord erscheint, gelten weiterhin die entsprechenden Installationsvorschriften. Diese besagen, daß die Stromversorgung der Funkanlage aus Sicherheitsgründen direkt aus der Batterie erfolgen muß und nicht über den Hauptschalter. Plus- und Minusleitung müssen abgesichert werden, und ein zweipoliger Betriebsschalter muß installiert sein.

6.2 Beleuchtung:

In den letzten Jahren haben sich besonders sparsame, sogenannte Transistor- und LED-Leuchten oder auch Halogenleuchten, durchgesetzt. Im Gegensatz zur normalen Glühbirne ist bei allen die Lichtausbeute im Verhältnis zum Stromverbrauch deutlich höher.

6.2.1 Die Glühbirne sollte wegen des schlechten Wirkungsgrades und der kurzen Lebensdauer nicht mehr verwendet werden. Ein Großteil der verbrauchten Leistung geht in Wärme verloren. Alternativen sind Xelogen- oder Halogenleuchten. Bei Solarlink GmbH sind für die herkömmlichen Glühbirnen Adaptersockel für Halogenleuchten erhältlich.

Die Halogenbeleuchtung erzeugt ein dem natürlichen Tageslicht ähnliches Licht, ist aber im Gegensatz zum stationären Einsatz an Land, im mobilen Einsatz nicht von so hoher Lebensdauer. Das liegt an der höheren Bord-Betriebsspannung , die bis zu ca. 14,4Volt betragen kann. Halogenlampen haben eine Nennspannung von 12 Volt und reagieren empfindlich auf Überspannungen. Ein Vorschaltgerät, was die Spannung stabil hält, ist bei Solarlink GmbH erhältlich.

LED-Leuchten

Diese besonders stromsparenden Leuchten haben sich besonders im mobilen Einsatz durchgesetzt. Inzwischen sind auch LED´s mit angenehmerer Lichtfarbe und erstaunlicher Helligkeit erhältlich.

Auch LED-Leuchten reagieren durch Lebenszeitverkürzung auf Spannungen die über 12Volt liegen. Um die Betriebsspannung für die LED´s bei schwankender Batteriespannung konstant zu halten, liefert Solarlink GmbH spezielle Vorschaltgeräte.

Transistorleuchten haben ein elektronisches Vorschaltgerät eingebaut, welches zum Zünden der Leuchtröhre nötig ist. Die Lebensdauer ist um das Mehrfache höher als bei Glühbirnen. Die Lichtausbeute z.B. einer 8 Watt-Transistorleuchte entspricht der einer 25Watt Glühbirne. Die Transistorleuchte muß jedoch für den Einsatz an Bord gut entstört sein, sonst stellen sich zum Beispiel bei See-Funkgesprächen störende Nebengeräusche ein.

TIP: Die Bezeichnung "N" entspricht teilentstört, "K" entspricht vollentstört.

6.3. Verbraucher:

Für alle elektrischen Stromverbraucher gilt, sie sparsam einzusetzen im Hinblick auf den begrenzten Stromvorrat. Es versteht sich von selbst, möglichst nur energiesparende Verbraucher einzusetzen. Auch permanent angeschlossene Stromverbraucher, z.B. Gaswarner oder analoge Spannungsanzeigen können, auch wenn sie nur Milliampére verbrauchen, im Laufe von Wochen eine Batterie entladen. (siehe auch Winterlager)

6.3.4 "Stromfresser"

Pumpen, elektrische Ankerwinsch, Kühlschrank und Fernsehgerät gehören zu den Großverbrauchern. Auch wenn die Einschaltzeiten nur kurz sind, verbraucht eine Wasserpumpe ca. 5 Amp. oder ein Kompressor-Kühlschrank ca. 6 Amp. und eine durchschnittliche Ankerwinsch 100 Amp. Beim Kühlschrank ist besonders auf eine gute Abluftführung für den Wärmetauscher zu achten. Stauluft oder mangelnde Zirkulation verlängern die Einschaltzeiten enorm.

TIP: Häufig kann ein Gleichstromlüfter (Computerlüfter), der am Wärmetauscher montiert wird, die Stromverbrauchsbilanz des Kühlschranks merklich verbessern.

7 Selbsthilfe:

Nehmen Sie sich ein wenig Zeit, um Ihre Gleichstrom-Elektrik und Verkabelung kennenzulernen. Im Falle von Problemen werden Sie so viel schneller zur Lösung kommen.

Voraussetzung dabei sind eine Mindestausstattung mit geeignetem Werkzeug, dazu gehört auch ein digital anzeigendes Spannungs- und Strommeßgerät (mit Strommeßbereich bis 10 Amp.). Nach einer Sichtkontrolle aller in Frage kommenden Batterieklemmen, Sicherungen, Steckverbindungen und Schaltern läßt sich mit einem Meßgerät der Fehler (meist eine Unterbrechung) schnell finden. Manchmal hift auch die Nase (es riecht nach Ampére) oder Fühlen mit den Fingern nach unzulässiger Erwärmung an Steckern, Schaltern oder Sicherungshaltern. Vorhanden sein sollten passende Ersatz-Sicherungen, ein Ende Kabel und Lüsterklemmen. Hiermit lassen sich die meisten Probleme beheben.

Kennen Sie schon unseren technischen Reisebericht einer 2jährigen Reise im Nordatlantik ? Sollte es allerdings einmal nicht weitergehen, stehen wir Ihnen gern beratend  zur Seite.

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Ausgabe 4/2012